行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
子計劃一：All-IP 核心網路品質管理研究(I)
計畫類別： 整合型計畫
計畫編號： NSC91-2219-E-004-001-
執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 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： 完整報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 92 年 10 月 23 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
All-IP 核心網路品質管理研究
(I)
Research On QoS for All-IP Core Networks
(I)
計畫類別：□ 個別型計畫 █ 整合型計畫
計畫編號：NSC 91 － 2219 －E － 004 － 001 －
執行期間： 91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日
計畫主持人：連耀南
計畫參與人員：黃玉昇、陳逸民、陳明志、李宗勳、陳建同、李俊瑩
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 92 年 9 月 8 日
。
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
All-IP 核心網路品質管理研究(I)
Research On QoS for All-IP Core Networks (I)
計畫編號：NSC 91-2219-E-004-001
執行期限：91 年 8 月 1 日至 92 年 7 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：
黃玉昇、陳逸民、陳明志、李宗勳、陳建同、李俊瑩
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。 本整合型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 (BBQ)架構，利用預算分配和預先資源分配規劃， 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，來達成 end-to-end 的網路服務品質 保證。 本子計畫在 BBQ 架構下研究核心網路的品質管理 問題。我們提出分散式資源批購的資源分配方法，以有 Abstract:All-IP network uses a single packet-switching network to carry most services such as voice, video, and data, that are supported by today's separated circuit-switching and packet-switching 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-switching and packet-switching networks. Among many challenges that need to be addressed in order to make All-IP network possible, the QoS problem is a critical one. Long delay time, jitter, and packet loss are inherent QoS problems in a packet switching 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 are diversified in many different aspects such as bandwidth, response time, and loading characteristics. To maintain a high satisfactory level for diversified services on these heterogeneous networks becomes a great challenge. BBQ project is aiming to design a QoS management system as well as associated software facilities for All-IP networks. With the assistant
components based on a systematic resource planning and hoping to provide a high level of confidence in maintaining end-to-end QoS commitments.
This subproject studies the QoS management for Core Network under BBQ architecture. We proposed a
distributed batch-order resource allocation approach to achieve per-flow end-to-end QoS, which is missing in the popular DiffServ QoS mechanism. Various optimization tools developed in this subproject will facilitate operators to maximize their satisfactory level within the resource availability constraints. 二、緣由與目的 本子計畫旨在探討整合型All-IP核心網路在BBQ架 構下之品質管理各項問題，並提出適當的管理機制。BBQ 採用以預算為基礎的品質管理概念支援 end-to-end 品質 管理，以品質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。 我們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 switching 與 packet switching 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。 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。 整合型計畫旨在探討整合型All-IP網路 之品質管理項問題，並提出適當的管理機制。 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， 本子計畫提出一個適當 的品質管理機制及工具供網路營運者調校其網路提升其 服務品質並達到其最佳營運目標。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。 我們假設一個核心網路是由一 群 Ingress Router，Egress Router，及 Internal Router 所 組成。假設服務需求具有 session 的特性，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 (admission control) 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。 在本研究中，我們提出一個分散式資源批購法品質 管理架構，提供下列品質控制功能： 1. 回應外界的服務需求，訂定 SLA 合約。 2. 提供各種方式，將所擁有之網路資源根據對未 來訊務之預測做最佳資源分配之規劃。 3. 提供允入控制功能。 三、執行成果 1. 設計一個適合核心網路使用之品質管理架構 2. 提出三種資源分配與路徑規劃之方式 o 中央集中式 o 分散式 (批發零售法） o 混合式 3. 完成分散式資源批購與分配之架構與流程 我們採用「批發零售」的觀念，將 Ingress 視為
批發商，網路內擁有頻寬資源的元件則視為供應 商，而每個服務需求則視為顧客。Ingress 事先 向供應商批購頻寬（事先保留預定頻寬給有需求 之批發商），而顧客向批發商(Ingress) 提出附有 品質需求之頻寬需求，Ingress 則根據所擁有之 頻寬，調配一個符合品質需求 package （包括 routing path） 提供給顧客。如此， admission control 在決定是否要接受一個需求（例如：一通 電話）時，或是在決定傳送路徑時，可以完全根 據本身事先已經批購的頻寬及相關資源去決 定，而不必real-time 去網路各節點要求資源。與 per-flow QoS 方法（例如 IntServ）比較，本方 法可以大幅降低管理複雜度。而與一般 Aggregation 方法比較，本方法可以提供per-flow 端對端QoS 的保證。 4. 提出批發零售式資源批購方法之最佳化模型 利用歷史需求預測未來最佳批購量，提出數學模 型，並求得最佳值 5. 提出數種可彌補資源錯置之資源分配方案 o 資源重分配法 o 超額分配法 o 中央保留法 o 混合法 6. 提出數種不同之路徑規劃方法 7. 進行GPRS之延遲時間測試 （初步成果論文已被 接受發表） 8. 利用NS-2模擬器進行DiffServe 行為之研究 （初 步成果論文已被接受發表） 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 五、參考文獻
1. 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 , July 2003. 2. 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. 3. Yao-Nan Lien, Ming-Chih Chen, Chien-Tung Chen,
and Tsung-Hsung Li, , ``Performance Evaluation over GPRS Networks'', Proc. of the 2nd Workshop on Digital Life and Internet, June 2003.
4. Yao-Nan Lien and Chun-Ying Lee, ``Interclass Resource Infringement in DiffServ Networks'', Submitted to the National Computer Symposium (NCS2003), Dec. 2003.
