行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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全 IP 網路之品質與機能設計架構之研究
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計畫類別：□個別型計畫
計畫編號：NSC
90-2213-E-004-009執行期間：
90 年
8 月
1 日至
91 年
7 月 31 日
計畫主持人： 連耀南
共同主持人：
執行單位：國立政治大學資訊科學系
中
華
民
國
91 年 10 月 31 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
全 IP 網路之品質與機能設計架構之研究
Research on the Quality and Feature Design Architecture for All-IP Networks
計劃編號: NSC 90-2213-E-004-009
執行期限: 90/08/01~91/07/31
主持人: 連耀南 國立政治大學資訊科學系
[email protected]
計畫參與人員：
陳逸民，陳明志，陳建同，李宗勳 國立政治大學資訊科學系一、中文摘要
由於電信自由化以及通訊技術的飛躍發 展，通訊網路正在進行一項革命性 的改 變，將以 All-IP 網路來承擔所有的通訊流 量，包括有線無線，包括 語音、影像、資 料等應用全部由 IP 網路來承擔。這個新 的網路架構對應用服務邏輯的設計產身了 很大的衝擊。 此種革命性的整合型 All-IP 網路不但可以降低建置成本、營運管理成 本，更重要者，可以提供一個新的服務平 台，使得跨網路的應用成為可能。整合型 All-IP 網路無論在品質控制、新服務之設計 支援、提供跨網路 應用服務之能力、降低 營運成本上都有很高的潛力超越傳統的分 離式網路。更可貴者，新一代的網路上將 採用開放式介面，除了網路設備製造商之 外，大量的獨立軟體開發者將可自由的開 發豐富的應用服務，以打破目前封閉式介 面，只有設備製造商才能開發應用服務軟 體的窘境。然而欲達到整合型網路的理 想，我們仍須克服許多品質上及應用服務 設計上的困難，其中最關鍵的問題之一即 是品質問題。 All-IP 網路受限於 packet switching 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 於未來的網路世界要在異質性極高的網路 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。 本計畫探討整合型 All-IP 網路之品質管理項問題，並提出適當 的管理機制。我們對我國現行 GPRS 系統 的效能進行測試與評估，並提出以預算為 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 之品質範圍以追求使用者之整體最大滿意 度。 關鍵詞：All-IP 網路，網路電話，品質管理 Abstr actAs the movement of telecommunication deregulation and great technology advance, the telecommunication network is facing a revolutionary architecture change. Telecommunication industry is promoting an All-IP network architecture, which will carry all types of services based on a single type of networks, packet switching networks, more specifically, IP based networks. This revolutionary architecture will facilitate cross-network applications, management cost
reduction, and service quality enhancement. Moreover, it offers an open API architecture allowing third parties to develop new service features. As compared with the traditional closed architecture on which only vendors being able to develop new features in a very slow pace and at much higher cost. This open API architecture opens a great opportunity for feature development.
Nevertheless, there are many great challenges induced by this architecture revolution needed to be overcome in order to achieve the expected goal. In this project, we measured and evaluated current GPRS systems and proposed a budget-based QoS management system to support end-to-end QoS for All-IP networks.
Keywor ds: VoIP, QoS, All-IP Network 二、緣由與目的
由於電信自由化、網際網路的蓬勃發展， 資訊與通訊技術的快速 進步，通訊網路正 在面臨一個巨大的變革，要將原有 circuit switching 與 packet switching 網路整合成 一個單一的全 IP 網路以支援包括語音服務 (VoIP)的所有網路應用。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。推動此種趨勢的主 要因素如下： • 電信自由化的浪潮，刺激網路的大量建 設、新技術的加速引進、與新服務的提供。 • 光纖技術的進步，使得以 DWDM 技術為 基礎的高容量光纖可輕易的取代銅線網 路，長途頻寬的供應大幅增加，價格降低。 • 近年來網際網路的蓬勃發展，刺激大量多 媒體網路資訊的流通，使得頻寬需求大幅 增加，網路的應用多樣化，對品質的要求 亦隨之複雜化。 • 網際網路在全球蓬勃發展，間接使得 IP 技 術變成全球網路的共同標準。
• VoIP 技術的發展，使得 packet switching 網路可以支援語音與即時影像的服務。 由於以上這些因素，網路服務正朝向多媒 體化、多樣化的演進，而網路架構則朝向 寬頻化、光纖化、扁平化、整合化發展。 為因應這種趨勢，許多新興網路技術正被 積極的研究。 其中，對現有網路衝擊最大的當屬 Network Convergency，企圖將 circuit switching 與 packet switching 分離的傳統 網路整合成單一的 packet switching 網 路。為了打破以往各製造商設備不能完全 互通的問題，這個整合型網路將採用全球 統一開放標準，而 IP 通訊協定正因為網際 網路在全球蓬勃發展而成為唯一的選擇。 此種革命性的 整合型 All-IP 網路不但可 以降低建置成本、營運管理成本，更重要 者，可以提供一個新的服務平台，使得跨 網路的應用成為可能。整合型 All-IP 網路 無論在品質控制、新服務之設計支援、提 供跨網路應用服務之能力、降低營運成本 上都有很高的潛力超越傳統的分離式網 路。更可貴者，新一代的網路上將採用開 放式介面，除了網路設備製造商之外，大 量的獨立軟體開發者將可自由的開發豐富 的應用服務，以打破目前封閉式介面，只 有設備製造商才能開發應用服務軟體的窘 境。然而欲達到整合型網路的理想，我們 仍須克服許多品質上及應用服務設計上的 困難。 第三代行動電話的國際標準組織 3GPP (3rd Generation Partnership Project) 已經決 定採用 All-IP 架構，並且定義了一個軟體 架構，將處理各項服務的功能模組化，分 別定義，並將共同訂定各模組之介面標 準，其中，關於應用服務的控制是放在 CSCF (Call State Control Function) 上。這 個軟體架構可以輕易的套用在目前業界所 在提倡的實體架構上。在此架構下，用戶 終端設備是連到 Media Gateway 或
Call Agent 上。此架構與我們先前所提出 的架構不謀而合。本計畫在本年度的研究 重點是在探討這個 All-IP 網路下的品質管 理問題。 三、結果與討論 3.1. GPRS 效能測試及評估 目前市面上並無第三代行動通訊系統可供 使用或測試以獲取其品質特性，但因為 3GPP 所提出的架構與 GPRS 系統有相當 類似之處，而且通訊系統一向以 evolution 的方式 upgrade 系統，所以我們暫時以 GPRS 系統作為替代之研究標的，進行品 質測試並評估其是否能支援即時性應用服 務。 我們在政治大學資訊科學系行動計算實驗 室、高速公路、西線縱貫鐵路、及台北市 捷運系統上利用各家行動通訊公司的 GPRS 系統進行測試。其目的是在測試 GPRS 品質特性以及其提供即時性服務（例 如 VoIP）的可行性。 測試結果顯示，目前的 GPRS 系統於提供 短時間（數分鐘至十餘分鐘）的行動上網 服務時，其品質勉可接受，但由於費率、 連接穩定度及電池壽命的問題，於支援長 時間（數十分鐘以上）之任務則困難重重。 類似一般人使用行動電話的習慣一樣， GPRS 上網僅能支援有時間急迫性且沒有 其他替代方案之應用。此外，由於封包延 遲時間在數百毫秒以上，於支援 VoIP 等 即時性應用上，現階段並不可行。由此推 論，如欲以 All-IP 網路支援第三代行動通 訊，仍有極大改進空間。 3.2. All-IP 網路的品質管理 在異質性極高的下一代網路上，要提供 per flow end-to-end QoS 是一項管理複雜度極 高的工作。而資訊領域多年來在最佳化的 技術上投入相當多的研究，最佳化技術與 工具已經非常成熟，可提供 QoS 管理之 用。而一個成功的 QoS 管理系統必須具備 簡單易行之管理架構，再據此設計各種解 決方案。由近年的許多實證研究中，可以 歸納出幾個趨勢：
• Per flow QoS 將造成大量的管理負擔，必 須使用 aggregation 技術將許多 flow 合 併，減低管理負擔。
• IntServ 使用 per flow RSVP，導致複雜度 太高，不適合用於大型網路，反之，DiffServ 只管理 per-hop behavior，因此，DiffServ 比 IntServ 更適用於大型網路。 • 分級分流管理，分級收費。以往不分等級 的 flat rate 將造成資源浪費，且降低整體 服務品質。不同等級之應用服務分享同一 資源時，可能因為特性之不同，而產生嚴 重的資源排擠效用，以致降低整體服務品 質，例如，UDP 服務與 TCP 服務 traffic 如 果一起享用同一個網路資源時， UDP 可 能會佔用較多的有效頻寬，排擠 TCP 的資 源。 根據以上這個簡化管理的原則，我們提出 一種 Budget-Based QoS 品質管理架構，採 用分層分權的方式將 QoS 管理權責以預 算方式分散到每個網路元件，例如 3G 的 RAN (Radio Access Network)，核心網路 (Core Network) 及無線區域網路。 在最上 層的 QoS Manager 將使用者的頻寬與品 質需求參數，根據各個網路元件的容量， 分配到各個網路元件。我們的管理架構雖 然無法達到最佳的整體的資源運用效率， 但是卻能大幅減低管理複雜度。 3.2.1. 頻寬規劃與流量預測 大型網路之頻寬最好以事前規劃輔以即興 式(On-Demand)分配才能應付大量的流量 需求。而事前之流量規劃有賴於流量預測 之精確度。一般而言，大部分營運中的網 路都呈現某種規律的重現性，除非有臨時 性的突發事件。例如，每週同一天同一時 段的流量需求幾乎差不多。流量工程專家 都會運用過去的流量統計以預測未來的流 量，並據以規劃頻寬分配。而為了應付因 預測失誤而導致的盈虧不一的情況，可以 保留少部分頻寬以供即興式的頻寬需求。 3.2.2. 超額頻寬分配法
由於網路流量預測的可能誤差，事先保留 給某一個用戶的頻寬可能因預估流量高出 實際流量而浪費，反之，也可能因預估流 量低於實際流量而不足，造成盈虧不一之 情況，白白浪費可貴的頻寬。我們採用兩 種技術降低頻寬的浪費，其一即是前節所 提的預留頻寬供應即興式需求，另一種是 超額頻寬分配法，在頻寬規劃時即超額分 配頻寬給需求者，如此，部分低估需求之 用戶可立刻使用事先超額分配得到的頻 寬，而高估流量的用戶所剩餘的頻寬其實 很可能是超額的部分，於實際並無損害。 在後續的研究中，我們將找出最佳頻寬分 配方案以及最佳的預留頻寬計算方法。 3.2.3. 批發零售頻寬保留法 我們以 Edge Router 作為單位，合併個別 使用者的流量需求，由每一個 Edge Router 扮演零售商之角色綜合使用者之流量需求 向頻寬管理者(Bandwidth Broker)批購頻 寬，再以零售方式將頻寬分配給每一個進 入網路的需求(flow request)。當所批購的頻 寬不足時，再以高成本的即興方法向頻寬 管理者批購頻寬。在未來的研究中，我們 將找出最佳的頻寬批發量以及即興式頻寬 批購之最佳時點。 3.2.4. 繞徑方法 Edge Router 在批購得到頻寬之後，必須根 據預測之需求將各段通訊鏈路(link)搭配成 edge-to-edge 之路徑，並需符合各個流量需 求之品質要求。在未來之研究中，我們將 提出最佳的選徑方法，在能保證品質之情 況下，將頻寬資源做最有效的運用。 四、計畫成果自評 All-IP 網路是一個革命性的提議，對現有 的系統產生極大的衝擊，其中亦有許多值 得研究的問題，我們的研究將可提供一個 可行的品質管理架構，供網路營運者使用 於下一代的通訊網路，而此議題在學術界 仍在萌芽階段，我們的研究將可領先學術 界。雖然如此，後續的研究工作仍然相當 艱鉅，有賴通訊網路的研究者大力投入， 共同研究。 五、參考文獻 1. 3GPP, http://www.3GPP.org. 2. Koichi Asatani, ``IP and
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3. Spiridon Bakiras and Victor O. K. Li, "Efficient resource management for end-to-end QoS guarantees in DiffServ networks",
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4. Victoria Fineberg, "A practical architecture for implementing end-to-end QoS in an IP Networks",
IEEE Communications Magazine,
vol. 40, no. 1, Jan 2002 pp. 122-130. 5. Mahbub Hassan, Alfandika
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6. Willie W. Lu, ``Technologies on Broadband Wireless Mobile: 3Gwireless and Beyond'', IEEE Communications, Oct. 2000.
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