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B3G All-IP 網路之品質管理與服務機能設計架構之研究

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Academic year: 2021

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行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

B3G All-IP 網路之品質管理與服務機能設計架構之研究

計畫類別: 個別型計畫

計畫編號: NSC93-2213-E-004-010-

執行期間: 93 年 08 月 01 日至 94 年 09 月 30 日

執行單位: 國立政治大學資訊科學系

計畫主持人: 連耀南

報告類型: 精簡報告

報告附件: 出席國際會議研究心得報告及發表論文

處理方式: 本計畫涉及專利或其他智慧財產權,1 年後可公開查詢

中 華 民 國 94 年 12 月 14 日

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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

B3G

All-IP

網路之服務品質與服務機能設計架構之研究

Research on the QoS and Feature Design Architecture for B3G All-IP

Networks

計畫類別: ■ 個別型計畫

計畫編號:NSC 93 - 2213 -E - 004 - 010 -

執行期間: 93 年 8 月 1 日至 94 年 9 月 31 日

計畫主持人:連耀南

計畫參與人員: 林岳生、鍾永彬、許弘奇、黃國展、蕭和政、林宗銘

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交):□精簡報告

處理方式:除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外,得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權,□一年□二年後可公開查詢

執行單位:國立政治大學資訊科學系

中 華 民 國 94 年 12 月 15 日

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

B3G All-IP 網路之服務品質與服務機能設計架構之研究

計畫編號:NSC 93-2213-E-004-010

執行期限:93 年 8 月 1 日至 94 年 9 月 31 日

主持人:連耀南 國立政治大學資訊科學系 教授

計畫參與人員:

林岳生、鍾永彬、許弘奇、黃國展、蕭和政、林宗銘

國立政治大學資訊科學系

一、中英文摘要 整合型All-IP網路將以一個單一傳輸平台提供固定 網路及行動網路上所有服務,包括語音、多媒體、資料 等各類服務。此種革命性網路不但可以降低建置成本與 營運管理成本,更可以提供一個新的服務平台,供營運 者建置跨網路的應用服務。但,欲達到整合型網路的理 想之前,我們仍須克服許多困難,其中最關鍵的問題之 一即是品質問題。All-IP 網路承襲 packet switched 網路 原有的特性,有三大品質問題有待克服: long delay time, jitter 以及 packet loss。這些品質問題對某些諸如語音或 多媒體等應用服務有關鍵性的影響。此外,由於未來的 網路係由特性差異極大的異質性網路所組成,而欲在此 種網路上支援品質要求差異極大的多樣應用服務,其品 質管理變得異常複雜,難以引用現有的品質管理方案。 本計畫旨在探討整合型All-IP網路之品質管理各項問 題,並提出適當的管理機制。我們提出Budget-Based QoS 架構,以簡化管理、追求效率、不增加管理複雜度為原 則,利用預算分配和預先資源分配規劃,來達成end-to-end 的網路服務品質保證,根據此簡化管理原則,我們提供 一套服務品質的管理工具,採用分層分權的方式將QoS 管理權責以預算的方式分散至每個網路元件,如此可以 避免繁複的折衝協調和即興式(real time on demand)的資 源管理。此套管理工具,可供網路營運業者依其需要調 整,在有限資源下追求使用者之整體最大滿意度。本年

packet-switched networks. This revolutionary network not only reduces deployment and operation costs, but also facilitates the creation of new services that can be executed across circuit-switched and packet-switched networks. Among many challenges that need to be addressed in order to make All-IP networks possible, the QoS problem is a critical one. Long delay time, jitter, and packet loss are inherent QoS problems in a packet switched network. Time sensitive services such as voice and video may severely suffer from these QoS problems. Furthermore, future All-IP networks may be composed of many heterogeneous subnetworks which may diversify in many different aspects such as bandwid th, response time, and lo ad ing characteristics. To maintain a high satisfactory level for diversified services on these heterogeneous networks becomes a great challenge. This project is aiming to design a QoS management system as well as associated software facilities for All-IP networks. With the assistant from BBQ system, network operators can choose their QoS policies and tune their networks to maximize their satisfactory level in offering services to their users. Assuming that each network component is able to maintain its commitment to the quality budget, BBQ (budget Based QoS) system allocates QoS quality to network components based on a

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assistance to improve congestion control performance. 二、緣由與目的 此種革命性的整合型All-IP網路不但可以降低建置 成本與營運管理成本,更重要者,可以提供一個新的服 務平台,供營運者建置跨網路的應用服務。但,欲達到 整合型網路的理想之前,我們仍須克服許多困難,其中 最關鍵的問題之一即是品質問題。

All-IP 網路承襲 packet switched 網路原有的特性, 有三大品質問題有待克服: long delay time, jitter 以及 packet loss,這些品質問題對某些諸如語音或多媒體等應 用服務有關鍵性的影響。此外,由於未來的網路係由特 性差異極大的異質性網路所組成,而欲在此種網路上支 援品質要求差異極大的多樣應用服務,其品質管理變得 異常複雜,難以引用現有的品質管理方案。 本計畫旨在探討整合型All-IP網路之品質管理各項 問題,並提出適當的管理機制。我們採用以預算為基礎 的品質管理概念支援 end-to-end 品質管理。本方法以預 算方式控制每個子網路之品質範圍,而以在有限資源下 追求使用者之整體最大滿意度為目標。所探討之子網路 為:核心網路,3G接取網路,無線區域接取網路。 本研究提出一個具高度彈性及系統化的品質管理架 構及相關的管理機制供網路營運者使用。網路營運者可 根據其自身需求及品質管理目標,在本架構下調整其品 質管理機制,盡力運用所擁有之資源,追求最高滿意度。 由於近年來網際網路交通流量大幅提高、光纖寬頻網路 的積極建置、網路電話(VoIP)技術的蓬勃發展以及IP網路 的全球標準化,使得網路提供者開始積極推動整合型網 路技術,以標準化的IP網路全面取代傳統的分離式網路。 (目前circuit switched 與 packet switched 網路是分別建 置分別管理的)。此種整合型All-IP網路將以一個單一傳 輸平台提供固定網路及行動網路上所有服務,包括語 音、多媒體、資料等各類服務。國際電信標準組織已經 決定在第三代行動通訊系統以及未來的通訊網路採用此 種架構。 本研究之前兩年獲得電信國家型計畫之支持,已經 規劃完成BBQ 品質管理架構,本計畫沿襲 BBQ 架構, 繼續研究端對端及核心網路所需之各項品質管理工具。 其架構及設計理念在下節說明。 三、BBQ 架構與設計理念 A、 All-IP 網路端對端品質管理 通訊網路事實上是由全球大大小小的電信公司所轄 網路藉由彼此之間的網路互連協定連結而成一個四通八 達無遠弗屆的通訊網,一個長途通訊需求(request/traffic flow/phone call) 可能必須橫跨數個不同營運者的網路, 其end-to-end 的品質管理是一大技術挑戰。本研究採用分 層分權的方式將QoS管理權責以budget方式分散到每個 網路元件,例如3G的 RAN (Radio Access Network), Core Network及無線區域網路。本研究之目標在提出一套資源 規劃及實際執行的架構,供網路營運者運用以提供具品 質保證的各種網路服務予使用者。 除了提供品質保證予使用者之外,網路營運者更希望追 求網路資源的有效利用,在所擁有的資源中,盡力提高 服務滿足度以獲取最大利益。我們在提供管理架構之 後,更進一步研究各種網路資源調配的最佳化,提供各 種工具予網路營運者。 B、 All-IP 核心網路品質管理之研究 核心網路是一個通訊營運者最重要的網路,其品質 對其通訊服務將有絕對的影響,本研究提出一個適當的 品質管理機制。我們假設一個核心網路是有一個單一的 網路營運者所管理,因此內部並無網路異質性所引起的 問題。一個核心網路是由一群 Ingress Router,Egress Router,及 Internal Router 所組成。我們針對具有 session 特性的服務需求提供品質保證,同一session 內的封包具 有相同的品質需求,而在 session 開始時,會試圖向欲進 入之網路提出頻寬及品質之要求。(某些不具session 型 態之服務需求,例如 ping,可視為單一封包之session)。 接到服務需求的 Ingress Router 根據這個需求的頻寬及 品質要求以及自身所掌握的資源決定是否接受這個需 求,安排網路內的資源,選定一條符合品質要求的路徑, 將這個服務需求循此路徑送達某一個 Egress Router。而 此服務需求將在整個session 中依事先承諾的頻寬限度內 將packet 送進核心網路。研究的重點在於提出一個簡單 易行而overhead 很低可適用大型網路的架構並設計合適 的各種網路規劃與維運的工具。 四、本年度執行成果

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A、核心網路品質預算分配與繞徑設計 現有大多數的 QoS 繞徑演算法,均假設鏈結上的 參數是固定的,而依據固定鏈結參數的條件,尋求最佳 的繞徑。實際上鏈結上能保證的服務品質與鏈結實際的 負載有關。如果鏈結的所承諾提供的服務品質及所承諾 之負載,在最大容量維持不變的條件下,可以由繞徑程 式自由選擇的話,繞徑程式可能可以做更好的路徑規劃。 本研究藉由事先規劃鏈結上的品質參數設定,以提 供較具彈性的路由規劃,提升整體網路的效能,幫助營 運者靈活可擴展的管理網路,以到達營運者的營運目 標。由於加入品質參數的調變,使得繞徑問題變的更為 複雜,我們設計了兩套不同的爬山式搜尋演算法,經反 覆的模擬測試,發現本研究的方式的確能提供較佳的網 路規劃。 B、 利用 Router 協助改進 TCP 的壅塞控制 隨著網路訊務流量的快速成長,如何妥善的運用網路資 源是一個成功的擁塞控制機制要面對的根本問題。在終 端設備上執行的 TCP 是網路上最廣為使用者使用的傳 輸層協定,它有很多不同的版本被設計出來改進使用的 效能,例如 TCP Reno、TCP Vegas 等。由於 TCP 所棲 身的終端設備並未具有網路內部狀態的資訊,大部份的 TCP 擁塞控制機制僅能依賴封包遺失觸發擁塞控制機 制,本研究提出 TCP Muzha 協定,藉由路由器協助,提 供網路內部資訊給傳送端,在未發生擁塞前不需依賴封 包遺失便可進行適度的傳輸速度控制,以減少因為封包 遺失所造成劇烈的傳輸速度下降,並可更快速達到最佳 傳輸速度。本研究的設計理念是設法尋找傳送路徑中的 瓶頸,進而計算出瓶頸提供的可用頻寬,藉由瓶頸所提 供的資訊動態的進行流量控制以充份利用頻寬並避免產 生擁塞,增進整體的效能。本研究之重點在於路由器應 提供何種資訊及如何運用所獲得的資訊進行動態速率調 四、計劃成果自評 未來的All-IP 網路具有非常高的潛力可以用更低的 成本,更高的效益支援未來多媒體通訊服務之需求,但 其關鍵之品質控制問題極具挑戰性,現有之品質管理方 案並不適合。再者,大部分目前之 QoS 研究都只針對某 一網路元件深入研究,對於end-to-end QoS 則付諸缺如, 本研究深入探討此一問題,期望能提供一些解決方案供 網路營運者使用。本計畫於前兩年的成果已經有初步的 架構與設計,與國際上進行本領域之研究進度差距不 大,本研究團隊對於 All-IP 網路之 QoS 本質已有相當 之掌握。研究成果以論文篇數而言,雖然不高,但參與 研究之研究生都為碩士班學生,有此成果已屬難能可 貴。透過執行本計畫,我們相信參與研究之研究生都獲 得絕佳之學習機會,堪為網路產業界所重用。 五、本計畫所產出之論文

1. Yao-Nan Lien, Hung-Ching Jang, Tsu-Chieh Tsai and Hsing Luh, ``Budget Based QoS Management Infrastructure for All-IP Networks '', Proceedings of the IEEE 25th International Conference on Advanced Communication Technology (ICACT2005), Feb. 21-23. 2005.

2. Yao-Nan Lien, ``Performance Issues of P2P File Sharing Over Asymmetric and Wireless Networks '', Proceedings of The First International

Workshop on Mobility in Peer-to-peer Systems (MPPS05), June. 6-9, 2005, pp. 850-855. 3. Yao-Nan Lien, Chien-Tung Chen, Ming-Chih

Chen, Tsung-Hsung Li and Yi-Min Chen, ``QoS Management for All-IP Core Networks '',

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六、歷年相關計畫所產出之論文

1. Yao-Nan Lien and Richard huang-Chang Chiou, ``Routing for Mobile LAN Topology

Management'', Proc. of the 8th Workshop on Mobile Computing , March 2002, pp. 209-216. 2. Yao-Nan Lien and Chun-Ying Lee, ``Behavior

Study of UMTS QoS Classes on DiffServ Networks'', Proc. of the 2nd Workshop on Digital Life and Internet Techologies , Oct. 2003. 3. Yao-Nan Lien, Hsing Luh and Chien-Tung Chen,

``End-to-end QoS with Budget-Based Management'', Proc. of the 2003 First

International Working Conference on Performance Modeling and Evaluation of Heterogeneous Networks, July 2003.

4. Yao-Nan Lien, Ming-Chin Chen, Chien-Tung Chen and Tsung-Hsung Li, ``Performance Evaluation over GPRS Networks'', Proc. of the 2nd Workshop on Digital Life and Internet, Oct. 2003.

5. Yao-Nan Lien and Chun-Ying Lee, ``Interclass Resource Infringement in DiffServ Networks'', Proceedings of 2003 National Computer Symposium (NCS2003), Dec. 2003. 6. Yao-Nan Lien and Yu-Sheng Huang, ``Delay

Sensitive Routing for High Speed

Packet-Switching Networks'', Proceedings of the IEEE International Conference on Networking, Sensing, and Control, March 21-23. 2004, pp. 1032-1037.

7. Yao-Nan Lien and 陳煜暉 Yee Fey Tan, ``Performance of Packet Transmission over GPRS/3G Networks (GPRS 及 3G 網路之封包傳 輸效能)'', Proc. of the 10th Mobile Computing Workshop, March 2004, pp. 149-158.

8. Yao-Nan Lien, Yu-Sheng Huang and Guo-Chan Huang, ``The Performance Evaluation of KLONE'', Proc. of the 3rd Workshop on Digital Life and Internet, Jun. 2004.

9. Yao-Nan Lien, Hung-Chin Jang, Tse-Chieh Tsai and Hsing Luh, ``BBQ:All-IP 網路上以預算為 基礎之品質管理架構 (BBQ: A QoS

Management Infrastructure for All-IP Networks)'', Communications of IICM, vol. 7, no. 1, March, 2004, pp. 89-115.

參考文獻

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