行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
子計畫三：支援多媒體內容傳遞的適應性 QoS 保證覆蓋網路
之研究(1/2)
計畫類別： 整合型計畫
計畫編號： NSC92-2213-E-002-088-
執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日
執行單位： 國立臺灣大學資訊管理學系暨研究所
計畫主持人： 孫雅麗
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： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 93 年 6 月 14 日
支援多媒體內容傳遞的適應性 QoS 保證覆蓋網路之研究
Multimedia Content Delivery across Adaptive QoS-guaranteed Overlay
Networks
計畫編號：NSC92-2213-E-002-088
執行期限：92/8/1-93/7/31
整合型計畫：總計畫主持人：蔡志宏教授
子計畫主持人：孫雅麗教授
執行單位：國立台灣大學資訊管理學系
一、 中文摘要（關鍵詞：虛擬私人網路， 軟管模式，流量工程，虛擬私人網路建置 演算法） 在這一年的計劃當中，我們主要發展 一個以軟管模式為基礎的虛擬私人網路建 置演算法稱為 MTRA。我們發展 MTRA 的 動機如下：虛擬私有網路服務提供給客戶 安全且成本低廉的通訊環境，如何滿足客 戶的頻寬需求保証乃是近來通訊網路領域 熱門的研究議題。一種被稱為軟管模式的 虛擬私人網路資源管理模式已經被發展出 來，它提供客戶指定頻寬需求時的彈性及 方便性，到目前為止已經有很多的文獻針 對軟管模式的虛擬私人網路的建置演算法 進行探討。然而這些文獻的主要討論重點 在於，當網路服務提供者使用建置演算法 建置一個軟管模式的虛擬私人網路時，如 何在滿足客戶所指定的頻寬需求的情形 下，達到頻寬資源的配置效率。但是當 (1) 網路骨幹上的頻寬資源有限，而且 (2)網 路服務提供者必須在網路骨幹上建置多個 軟管模式虛擬私人網路時，先前文獻所提 出的建置演算法並無法提供人滿意的建置 拒絕率。根據實驗的結果，MTRA 能有效 地降低建置拒絕率。英 文 摘 要 （keywords: Virtual Private Network, VPN hose-model, bandwidth guaranteed, VPN provisioning algorithms;）
In this year of the project, we developed a new hose-model VPNs provisioning algorithm called MTRA. The motivation for developing MTRA is stated as follow: Virtual private networks (VPNs) provide customers with secure and low-cost communication environment. One of the popular research issues in the field of communication networks is that how to achieve the bandwidth requirement specifying by customers. A new VPN resource provisioning model called “Hose
model” has been developed. It provides
customers with flexible and convenient ways for specifying bandwidth requirement of a VPN. Up to now, several hose-model VPNs provisioning algorithms have been proposed, however these algorithms focus only on achieving bandwidth allocation efficiency in the case of establishing single hose-mode VPN while meeting bandwidth requirement specifying by customers. But in the case where (1) the links of the network backbone have capacity constraints and (2) the service
provider needs to establish numerous
hose-model VPNs on the network backbone,
these provisioning algorithms are unable to provide satisfied rejection ratio Therefore, we propose a new hose-model VPNs provisioning algorithm called MTRA in this project. MTRA can not only deal with numerous VPN setup requests rapidly, but also according to the results of experimental simulations, can reduce rejection ratio effectively.
二、研究方法與結果
A. MTRA provisioning algorithm
MTRA 演算法的描述如下：Modified Tree Routing Algorithm (MTRA) Input: A Network graph G=(N,L), a set of
VPN access routers
AR=(ar1,ar2,…,arp)⊆ N, and residual
bandwidth constraints B of links on L. A VPN setup request vri
=(r1,r2,…,rp).
Output: A minimum cost VPN tree VTMC
corresponding to vri, on which all
leaf nodes are VPN access routers
arj with rj>0. Algorithm: 1. VTMC :=Ø; 2. For each v∈N 3. { 4. Tv:= BFS_Tree(G,v); 5. PTv:=Prune_Tree(Tv, vri); 6. Compute_Reserved_Bandwidth(PTv, vri); 7. if (Cost(PTv) < Cost(VTMC) ) VTMC:= PTv; 8. } 9. if (Cost(VTMc) = ∞) 10. {Reject vri; Return Ø;} 11. else {
12. For each link lx∈ VTMC
{ B(lx) = B(lx)-RS(lx);}
13. Accept vri;
14. Return(VTMC);
15. }
Function Prune_Tree(T, vri)
1. Return a subtree PT of T on which all
leaf nodes are VPN access routers arj
with rj>0;
Function Compute_Reserved_Bandwidth(T, vri)
//Assume k is the number of links on T, and let lx be the xth link of T.
//Let RS(lx) be the amount of reserved
bandwidth on lx with respect to the
bandwidth requirement specified in vri.
//Let Tx
a and T x
b be the two subtrees
obtained by remove lx from T.
1. for (each lx in T)
2. {
3. Initialize two variable BR_Tx
a, BR_T x
b
to value 0;
4. For (each element rj≠0 (1≤j≤p) of vri)
5. { 6. if(arj∈Tx a) then add r j to BR_Tx a else add rj to BR_Tx b 7. } 8. RS(lx) =min(BR_Tx a, BR_T x b); 9. } Function Cost(T)
//Assume k is the number of links on T, and let lx be the xth link of T.
bandwidth on lx computed by the function
Compute_Reserved_Bandwidth and B(lx)
be residual bandwidth on lx.
1. if (T= Ø) return ∞;
2. if (there exist any links lx (1≤x≤k)
such that B(lx) < RS(lx)) 3. Return (∞); 4. else Return
(
(
)
/
(
))
;
1≤∑
x≤k x xB
l
l
RS
B.1 Experimental Simulations 為了驗証 MTRA 的效能，我們架設了 一個實驗模擬器稱為 HVPAS，其架構圖 如圖一所示。HVPAS 包含了四個主要的元 件：(1)網路拓樸產生器 (2)網路拓樸解譯 器 (3)軟管模式虛擬私人網路的建置演算 法 (4)虛擬私人網路建置需求產生器。 圖一、HVPAS 架構圖 其中網路拓樸產生器是用來隨機產生 代表網路服務提供者所掌管的網路骨幹。 網路拓樸產生器所產生的輸出是一種以特 定格式的檔案用來描述網路骨幹，因此， 為了能解讀它，我們也設計了對應的網路 拓樸解譯器。我們在 HVPAS 中實作了三 軟管模式虛擬私人網路的建置演算法： (1)MTRA (2)Tree Routing (3)WSPProvider-pipe。其中 WSP Provider-pipes 即
[6]所提出的 Provider-pipes 建置演算法，但
對於 VPN 中每一對端點(u,v)所拉出來的 Provider-pipe，乃是採用 Widest Shortest
Path algorithm 來作路徑的選擇，以降低拒 絕率。虛擬私人網路建置需求產生器則依 據我們所給定的參數：1Maxr, p, K 來隨機 產生實驗所需的一組虛擬私人網路建置需 求。這一組虛擬私人網路建置需求總共包 含了 K 個 requests，而每一個 VPN setup request 所包含的 endpoints 個數是從[2,…,p] 之間隨機選出一個值，每一個 endpoint v 的 b(v)值則是從[1,…,Maxr] 之間隨機選 取。 圖一中標示著□乃是網路拓樸產生器 所產生特定格式檔案。□經過網路拓樸解 譯器的解讀後產生□。□是建置演算法所 能解讀的網路拓樸。□則是由虛擬私人網 路建置需求產生器根據我們所下的參數， 隨機產生出來的虛擬私人網路建置需求。 □和□同時作為建置演算法的輸入，並且 對應每一個被接受的虛擬私人網路建置， 建置演算法會輸出一個對應的虛擬私人網 路拓樸，如□所示。(註：對 MTRA 及 Tree routing 而言，對應每一個被接受的虛擬私 人網路建置需求，□為一顆樹) 。 註1: Maxr 值代表網路服務提供者對虛擬 私人網路端點所提供的最大頻寬保証。p 值則為網路骨幹上虛擬私人網路服務存取 點的個數。 B.2 Performance results 為了驗証 MTRA 的效能，以下我們展 示兩組實驗的實驗結果。其中第一組實驗 檢視了參數 Maxr 對於拒絕率的影響，而 第二組實驗則檢視參數 p 對拒絕率的影 響。 第一組實驗的參數配置如表一所示， 圖二則為其實驗結果。在圖二中橫軸為
Maxr 值，縱軸則為平均拒絕率。
如同預
期，三者的
平均拒絕率都隨著 Maxr 值
增大而升高，而且 MTRA 能達到的
平 均拒絕率都遠低於其它兩種建置演算
法(除了在 Maxr=40 的情況下，因為網
路 骨 幹 的 負 載 較 輕 三 者 的 Average
rejection ratio 都接近 0)。
表一、 第一組實驗的參數配置G
B(l
i)
p Maxr K
由
網路拓 樸產生器 隨機產生1500
單位
6
40~120
遞增
20
100
0 20 40 60 40 60 80 100 120 Maxr A ve ra ge r ejc tio n ra tio WSP provider-pipes Tree routing MTRS 圖二、第一組實的實驗結果 第二組實驗的參數配置如表二所示， 圖三則為其實驗結果。在圖三中橫軸為 p 值，縱軸則為平均拒絕率。 表一、 第一組實驗的參數配置G
B(l
i)
p Maxr K
由
網路拓 樸產生器 隨機產生1500
單位
6
40~120
遞增
20
100
由圖三可知，實驗結果和前一組實驗 的結果類似，MTRA 在所有 p 值的情況 下，所達到的平均拒絕率都是三種建置演 算法中最低的。 0 20 40 60 3 4 5 6 7 8 No. of VPN access routers A ver ag e r ej ec ti on r at io WSP provider-pipes Tree routing MTRS 圖三、第二組實的實驗結果 三、參考文獻10. 1. M. Kodialam and T. V. Lakshman, “Minimum Interference Routing with Applications to MPLS Traffic Engineering”, in Proceedings of IEEE INFOCOM ,2000.
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