一、 緒論
1.4 論文架構
本論文接下來之章節編排組織如下：
第二章. 將說明從其他文獻中獲得之相關知識及理論。
第三章. 將闡述本論文提出的架構，及如何將多媒體電子廣告資料透 過本論文所提出的多種子和多重路徑 peer-to-peer-like 架構來完成資料的傳送。
第四章. 將展示本論文如何在叢集內傳送多媒體電子廣告資料，並且 利用 NCTUns 模擬程式來模擬不同情況，以驗證本論文提出 的方法之適用性和可行性。
第五章. 總結與未來研究方向。
第２章 背景知識
2.1 網路圖形定義
描述一個電腦網路的構成以 N = (V, E, b, p, q) 來表示之，而 G = (V, E) 是由節點(Vertex)集合及邊界(Edge)集合所構成具方向性的 簡單圖形，而對圖形上的節點 u 及 v 而言，均存在一已給予的正整 數的加權值，如b(．)、 p(．)及 q(．)[31]。
例如對一具方向性的邊界(edge)線 e = (u,v) 而言：
1. b(u,v) > 0 : 為節點 u 及 v 中間邊界(edge)的路徑頻寬 (bandwidth)
2. p(u,v) ≧ 0 : 為節點 u 及 v 中間邊界(edge)的傳遞延遲 (propagation delay)，
3. q(u) ≧ 0 : 為節點 u 的暫存延遲(queuing delay)。
(b, p)
u v w x
(b, p) (b, p) (b, p) q
q
q q
(b, p)
圖 2-1 電腦網路的簡單圖形
2.2 網路傳送的相關因素
在網路系統，能影響傳送的相關因素列舉如下：
1. 路徑的可用傳送頻寬(Available bandwidth) 2. 路徑的傳播延遲(Link Propagation Delay)
3. 中間節點儲存及處理資料所需的存貯時間(Queuing Delay)
如果要在最短時間的時間內完成傳送，則應將以上各點均列入考慮，
方能找出一條最佳傳送路徑。在1990 年Chen 和Chin，提出了最快路 徑問題（The quickest path problem），闡述在傳輸網路中，在指 定的兩端點間傳送已知大小的資料(message)，如何以多項式時間演 算法來計算出一條最快路徑，使該項資料在指定的兩端點間能夠以最 短的時間完成傳送[8]。所以如何縮短資料傳送時間，在網路系統中 是相當重要的課題，因此便有許多以“最快路徑＂為題的相關研究文 章被提出。
而在其他的“最快路徑＂相關研究中，有些研究是使用了路徑演算法 來尋找多條最快路徑[9]，組合成多重路徑[10]，並將欲傳送的資料 加以切割，再經由不同的路徑傳送到目的節點，如此便擴大了路徑的 可用傳送頻寬，將傳送時間加以縮減[11]。在Guoliang Xue 所提出 的Optimal Multi-Path End-to-End Data Transmission in Networks 一文中[12]，即是以多重路徑為題，對網路上傳送已知大小的資料 時，提出多項式時間演算法，以計算出一組傳送時間最短的多重路徑。
2.3 相關的研究
4. 將傳送資料量(amount of data)加入考慮的最快路徑( quickest path ) - 最快路徑演算法不僅考慮到了傳遞延遲[17]，也將
2.3.1 單一路徑法
假設我們希望將一大小(size)為σ 之資料(message)以最快的方 式，由起始節點 u 傳送到目的節點 x，以單一路徑而言，將有如下之 傳輸延遲限制：
令π=(ν1, ν2, …, νt) 為一條起始節點ν1 至目的節點νt 的 路徑，則路徑π的延遲時間為：
D(π) = Σp(Vj-1, Vj) + q(vj), 1<j≦k; ………(1)
其中π之最大可用頻寬為：
B(π) = min b(Vj-1, Vj), 1<j≦k ………(2)
故當我們將一大小為σ> 0 之資料，經由路徑π來傳送，其可用頻寬 為 b 時，其限制為 b ≦ B(π)，而其傳送時間 T 為：
T(π, b, σ) = D(π) + ceil(σ/ b ) - 1 ………(3)
由 上 式 可 知 ， 資 料 在 單 一 路 徑 傳 送 問 題 (single-path routing problem) ，傳送時間實際上不僅與該路徑之路徑延遲 D(π)有關，
而且必須考慮路徑容量 B(π)，如此才能找出最短之傳送延遲。
2.3.2 多重路徑法
欲使傳送時間最短，則可使用多條路徑，即將網路中所有閒置之路徑 找出，加寬頻寬來傳送資料，以期達到最短的傳送延遲，如此之方式 則為多重路徑傳送問題 (multi-path routing problem) ，此一傳送 方式之概念如下：
欲將一大小為σ(σ>0)的資料從起始節點 u 傳送到目的節點 x。對 單一路徑(Single-path routing)而言是尋找一條 u 到 x 的路徑 π，使 T(π,b,σ)為最小。對多重路徑路由(The Multi-path routing problem) 而言，是將資料σ分解為為：
σ= Σσi, , 1≦i≦k; ……… (4) 同時也將每一邊界(Edge)的頻寬分解成一非負的整數，也就是對每一 邊界(u,v)存在頻寬如下：
b(u,v) = Σbi(u,v), bi(u,v) ≧0, 1≦i≦k; ……… (5) 而且對 k 條 u-v 路徑π1, π2, …, πk ,
bi (πi) = min bi (u, v), 1<j≦k; ……… (6) 此處bi (πi)為Edge分解的最小頻寬。
在本論文的討論中，頻寬 b(．)和欲傳送的資料σ，甚至為執行多路 徑傳送而分割的頻寬 bi(．) 和其分配的流量σi 其大小均為正整數。
2.4 簡單的範例
以圖２－１為例，所展示的為一 N=(V,E,b,p,q) 所構成的網路模型，
節點集合為 V={u,v,w,x} 等四個節點，每個節點上均伴隨有一數值 q，表示流過該節點時的存貯延遲（queuing delay ）時間，同時假 設圖形上的每一個節點的緩衝器均可容納所有越過的資料量；而每兩 個 節 點 間 為 具 有 方 向 性 的 傳 輸 線 （ 邊 界 線 ） 集 合 E={(u,v),(u,w),(v,w),(v,x),(w,x)}等五個邊界線，每條邊界線上 亦均伴隨有一（b，p）的資料對，其意義為該條邊界線的（頻寬，傳 遞延遲）。如下圖所示：
(6, 2)
u v w x
(10, 2) (10, 2) (10, 2) 1
1
0 1
(4, 2)
圖 2-2 電腦網路的簡單範例
1. 以節點 x 而言，其上的數值“１＂即是存貯延遲(queuing delay) 時間，表示為 q(x)=1，即資料流入該節點完成儲存及相關處理 需時 1 個時間單位(Time Unit)。
2. 而 x 節點及 w 節點間邊界線上的資料對(10,1)，即表 x、w 間的 路徑頻寬（容量）為 10，也就是該路徑每一單位時間可傳送 10 個 資料單位(Data Unit)，而且傳遞延遲(propagation delay)為 1 個 資料單位(Data Unit)。
2.4.1 單路徑傳送
例如，從節點 u 傳送 100 個單位資料到節點 x，而流經路徑為π1，
設路徑π1={u, v, x}，則所需的傳送時間為 22 個時間單位。其傳送 時間可以由下法得到：
1. 先找出對整條組合後路徑的頻寬即 B(π1)，本例中 B(π1) = 6，
故有 6 個資料單位在時間單位為 0 時開始被送出，另 6 個資料單 位則在時間單位１時被送出，其餘原理同上，而資料完整到達目 的節點所需的時間為 22 個時間單位。以本方法傳送觀之，即可代 入公式（３），即
T(π1,b1,σ)= D(π1) + ceil(σ / b1 ) - 1 來計算時間：
D(π1) = ( 2 + 1 ) + ( 2 + 1 ) = 6
T(π1, 6, 100) = D(π1) + ceil( 100 / 6 ) – 1 = 6 + 17 -1 = 22 (時間單位)
(6, 2)
u v w x
(10, 2) (10, 2) (10, 2) 1
1
0 1
(4, 2)
圖 2-3 單路徑傳送的π1
2. 故若以另一條路徑π2 = {u, v, w, x} 來傳送 100 個資料單位，
則可以算出所需的傳送時間 T(π2, 10, 100) = 18，即需要 18 個時間單位來完成傳送
D(π2) = ( 2 + 1 ) + ( 2 + 1 ) + ( 2 + 1 ) = 9 T(π2, 10, 100) = D(π2) + ceil( 100 / 10 ) – 1 = 9 + 10 -1 = 18 (時間單位)
(6, 2)
u v w x
(10, 2) (10, 2) (10, 2) 1
1
0 1
(4, 2)
圖 2-4 單路徑傳送的π2
3. 故若以另一條路徑π3 = {u, w, x} 來傳送 100 個資料單位，則 可以算出所需的傳送時間 T(π3, 4, 100) = 30，即需要 30 個時 間單位來完成傳送
D(π3) = ( 2 + 1 ) + ( 2 + 1 ) = 6
T(π3, 4, 100) = D(π3) + ceil( 100 / 4) – 1 = 6 + 25 -1 = 30 (時間單位)
(8, 2)
u v w x
(10, 2) (10, 2) (10, 2) 1
1
0 1
(4, 2)
圖 2-5 單路徑傳送的π3
此亦是在網路中以π2 為最快路徑，以 18 個時間單位來傳送 100 個 資料單位。此即為最快路徑問題（quickest path problem），最早 被提出研討是在 Chen 和 Chin 的文章中[8]。
2.4.2 多重路徑傳送
3‧ 32 個資料單位走路徑π3，π3={u, v, x}，D(π3) = 6，取 b(π 3) = 4，所以 T(π3, 4, 32) = D(π３) + ceil( 32 / 4 ) - 1
= 6 + 8 – 1 = 13
(8, 2)
u v w x
(10, 2) (10, 2) (10, 2) 1
1
0 1
(4, 2)
圖 2-8 多重路徑中的π3
2.4.3 單一路徑法和多重路徑法的比較
2.5 點對點應用(Peer to Peer Application)
點對點應用主要概念是在現有實體網路上做邏輯佈設，並非重新建構 新實體網路，用戶端不管選用哪種邏輯架構，最終資料傳輸與訊息傳 送，還是藉由實體網路的IP 傳輸。兩個用戶端之間各種傳輸，不管 是直接傳輸或透過其他用戶端的間接傳輸，基本上都是用戶端兩兩互 相溝通傳遞。然而這些邏輯架構的優劣比較就在於佈設上是否穩固、
是否有效率以及所提供服務的多寡[32]。
2.5.1 主從式傳輸（Client and Server）架構
主從架構是最早透過網路傳輸的方式[20]。由用戶端( Client )和伺 服器( Server )組成。雙方必須以兩方皆認同的通訊埠( Port )和通 訊協定( Protocol )來溝通。常見應用首推檔案傳輸協定( FTP )。
client server
加入主從式傳輸架構用戶端只需要知道伺服器網路位置、通訊埠與通 訊協定即可。用戶端搜尋資料時，直接向伺服器發出詢問即可。
此一架構的優點如下：
1. 通訊協定簡單。
2. 一般擁有較穩定的傳輸速度。
3. 容易確保下載檔案的完整性及統一性。
4. 伺服器可有效控管檔案的讀取權限。
此一架構的缺點如下：
1.有固定的伺服器，容易成為攻擊的目標，一旦伺服器被攻破或者故 障，則資訊的來源隨即停止。
2.分享服務只能由伺服器端提供，用戶端要分享資源時，必須經由伺 服器同意，然後上傳到伺服器。造成檔案分享的限制。
3. 用戶端必須知道伺服器等相關資訊。
4. 伺服器的負載重，除了提供搜尋還要負責傳輸資料。
2.5.2 第一代點對點傳輸架構
簡單地說，就是具有索引伺服器(Index Server)輔助檔案分享架構。
主要是由索引伺服器和一般的點(Peer)組成，點即為用戶端。索引伺 服器顧名思義，就是伺服器上擁有大型集中式索引，其中記錄相連點 有哪些資源可供分享[21]。
加入架構的方法很簡單，如同主從式架構，點只需知道索引伺服器網 路資訊即可。當點搜尋資料時，直接向索引伺服器詢問，而索引伺服 器則回傳擁有所需資料的用戶端資訊。所需資料的實體來源是回傳中 的部分用戶端，並非索引伺服器。這也是此架構與主從式架構最大的 差異。Napster為第一代點對點傳輸架的代表。
server client
圖2-10 第一代點對點傳輸架構
此一架構的優點如下：
1. 不需處理檔案傳輸，伺服器負載減輕許多。
2. 一般狀況下，因為來源多所以傳輸速度提升許多。
3. 通訊協定簡單，用戶端不需維護其他用戶端資訊。
此一架構的缺點如下：
1. 已經證實為非法。法院判Napster 有大量的侵犯版權行為發生，
下令其改進。
2. 因為有固定的索引伺服器，容易成為攻擊目標，一旦索引伺服器 被攻破或者故障，則搜尋功能完全喪失。
2.5.3 第二代點對點傳輸架構
第二代主要是為了解決第一代中索引伺服器所引發的各種問題，尤其 是違法問題。此架構下只有一種元件：點。所以架構中的服務必須由 各點互相合作，因此出現鄰居( Neighbor )的概念，因為網路資源分
server
圖2-11 第二代點對點網路傳輸架構 client
加入此類架構，必須藉由已在架構下的點輔助資訊交換認識其他鄰 居。當點搜尋資料時，只需將搜尋封包傳送給所認識的鄰居。
圖2-12 Gnutella 搜尋邏輯
分散式服務起初是以Gnutella 為龍頭[23]，其搜尋時將搜尋封包傳 送給所有鄰居，然後鄰居各自回應原始點[24]，並轉送搜尋封包給第 二層鄰居，如此遞迴下去。此種作法，造成相當嚴重的搜尋洪流(Query Flooding)[25]。
後來FastTrack (即KaZaA 的底層技術)迅速掘起取代其地位，改為搜 尋封包在點間傳送，直到找到檔案實體才將搜尋結果回傳給原始點，
並非每一點都做回應[26]。而這種技術仍相當不便，容易產生無用的 搜尋迴圈，當大量搜尋同時執行將造成網路效能大幅下降。此問題最
簡單的處理方式就是限定搜尋深度(Gnutella 限制往下搜尋七層)，
但是這個作法讓搜尋只限定於邏輯網路的某些區域。
此一架構的優點如下：
1. 沒有索引伺服器的限制。
2. 目前美國法院判定法律上合法。
此一架構的缺點如下：
1. 雖然利用限定搜尋深度，但是依然造成網路壅塞。而搜尋封包在 網路中來回傳送，造成搜尋時間過長。
2. 只能做到區域性搜尋( Local Search )。
3. 較多人知道的點往往成為熱點(Hot Point)。造成該點負載遠高於 其他點。
4. 如果預知點剛好都不在網路架構下，則等於無法加入該網路架構。
2.5.4 第三代點對點傳輸架構
第三代是近期的主力，主要是因為加入分散式雜湊表( DHT，
第三代是近期的主力，主要是因為加入分散式雜湊表( DHT，