資料流在差別性服務網路中之侵奪行為

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(1)資料流在差別服務網路中之資源侵奪行為 Interclass Resource Infringement in DiffServ Networks 李俊瑩. 連耀南. 國立政治大學資訊科學系. 國立政治大學資訊科學系. [email protected]. [email protected]. 摘要. opportunity to infringe the resources of lower. DiffServ 差別性服務對不同特性資料流. class services without incurring a significant. 的封包給予不同的處理方法以提供 QoS 服. performance impact to the lower class services.. 務。本研究藉由 NS-2 模擬器在 DiffServ 上模擬 UMTS 資料流中即時性服務與非即時性服. Key words: QoS, DiffServ. 務，以研究在 DiffServ Domain 下，不同優先等級的資料流之間的資源侵奪特性。. 1. 前言. 我們以較高等級之 VoIP 與較低等級之. 通訊與資訊科技的大幅進步，電信自由. Pareto 資料流在不同流量比例下研究彼此之. 化帶來的激烈競爭，以及網際網路的蓬勃發. 資源侵奪行為。實驗結果顯示，在 DiffServ. 展，刺激大量多媒體網路資訊的流通，為了. 中較高等級之服務(VoIP) 對非即時性服務之. 因應此種趨勢，網路提供者已趨向合併數據. 資源侵奪隨著流量比例之不同而有顯著之影. 及電信網路朝單一的 All-IP 網路方向發展，. 響。當 VoIP 所佔比例較小時，其有較大之資. 原本由 circuit switching 網路提供的服務將會. 源侵奪機會而能維持 QoS 而不致大幅影響. 被轉換成 IP 封包，由 All-IP 網路傳送。為了. 較低等級之非即時性服務的效能。. 保證時效性服務在 Alll-IP 網路上的品質，網路服務品質(QoS)已成為 All-IP 網路的主要研. 關鍵字：服務品質, 差別性服務網路. 究議題[1, 2]。因為不同的網路應用各有不同的特性與需求；對於那些比較不注重傳輸延. Abstract. 遲時間的應用，像是 e-mail、FTP 等，增加. DiffServ QoS mechanism gives packets. 網路頻寬或許就已足夠應付需求，但是對於. various forwarding treatments according to. 那些具有互動特性 (interactive)、重視傳輸延. different traffic classes to achieve the QoS. 遲時間的應用，像 VoIP，除了增加網路頻寬. goals. This research uses NS-2 simulator to. 外，All-IP 網路必須提供服務品質保證才能. study the resource infringement behavior. 獲得網路營運者的支持。IETF 組織提出以類. between higher class services (e.g. VoIP) and. 別等級區分服務品質的差別性服務網路. lower. domain.. （Differentiated Service, DiffServ）[3]，依據. Experiments show that resource infringement. 資料特性及服務等級需求將封包分為數個等. behavior is highly dependent on the ratio of. 級，提供給各個等級適當的服務品質。. services. under. DiffServ. higher and lower class services. When the. 我們在先前之研究中[4]發現在 DiffServ. higher class service (VoIP) occupies only a. Domain 中，高等級服務確實會侵奪低等級服. small portion of the traffic, it has a bigger. 務之資源，以獲得較高品質。本論文旨在研. 本文係國科會研究成果計畫編號 NSC 92-2219-E-004-002.

(2) 究不同等級服務在不同流量比例下之資源侵. 受封包遺失，如網頁瀏覽、遠端登入(telnet). 奪行為，供 QoS 設計者調整網路資源之參. 等。背景式跟互動式同屬資料通信，所以也. 考。研究中以 NS-2 網路模擬器[5, 6]設計不. 難以忍受封包遺失，但是多可以忍受較長之. 同的情境，進行實驗。本實驗將即時性及非. 延遲時間，如電子郵件、檔案傳輸(FTP)等。. 即時性資料流加入 DiffServ 觀察即時性資料. 圖 1.1 顯示各種類別對每個品質指標的容忍. 與非即時性資料之間的資源侵奪特性。. 度。. 1.1 相關研究及技術 1.1.1 UMTS 資料流分類. 1.1.2. DiffServ 簡介. 為了依照每一資料流的需求特性給予不. All-IP 網路受限於分封交換原有的特. 同的服務品質保證，IEFT 組織提出了差別性. 性，有三大問題待解決：延遲時間 (delay. 服務（Differentiated Services, DiffServ）QoS. time)、抖動(jitter)、封包遺失(packet loss)。. 機制。當封包進入邊境路由器時，邊境路由. DiffServ 針對不同的資料流類別給予不同的. 器便將封包分類，並標上類別碼 (DSCP,. 服務品質。 UMTS(Universal. Mobile. DiffServ Code Point)，當封包進入核心網路. Telecommunications System)系統將網路上風. 時，核心路由器依照其類別進行相對應服務. 行的應用依時效與品質需求概略分為四大類. 等級的排程，以提供承諾的服務品質。. [7] ：交談式 (conversational class) ，串流式. 圖 1.2 為一個典型的 DiffServ 架構，當. (streaming class)，互動式(interactive class)，. 發送端（Source）的 DiffServ 網域要發送封. 背景式(background class)。. 包到目的端（Destination）時，途中到達另一個 DiffServ 網域，當要進入口節點（Ingress）時，封包便被進行分類，進入核心網路後，便依照類別碼給予對應之服務，再從出口節點（Egress）送往目的端。. 圖 1.1、各種資料流對三大品質指標之容忍度. 交談式主要用來支援人類雙向溝通，根據人類感官之經驗歸納，此種服務對延遲時間與抖動相當敏感，使用者在延遲時間超過. 圖 1.2、DiffServ. 300ms 時，就難以忍受其通話品質。但對於封包遺失則較可忍受，例如網路電話、視訊. IETF 提出了幾個關於轉送封包的服務. 會議等。串流式則要求持續穩定的封包送. 等級：. 達，因此對抖動相當敏感，但對延遲時間的. 1. 快速轉送（EF, Expedited Forwarding）. 容忍度則稍高於交談式，在傳送影音資料. [8]：此類的封包擁有最高的轉送優先權，. 時，對封包遺失也稍可忍受。互動式多為資. 保證延遲時間(delay time)，通常用來傳遞. 料通信(data communication)，對於延遲時間. 重要訊息，例如路由器上的信號等。此種. 比前面兩樣類別容忍度更高，但是難以法忍. 服務等級只有一個類別碼，就是所謂的.

(3) Guaranteed Service。 2. 保證轉送（AF, Assured Forwarding）[9]：這個服務等級比 EF 低一點，但比 BE 高。 AF 又細分為四個等級，每個等級又分成三個不同的封包丟棄優先順序，若遇到網路擁塞現象，則依其優先順序丟棄封包。. ae − ax f X ( x) =   0. x > 0; a > 0. ， where. otherwise. E[X]=1/a and var[X]=1/ a 2 如此，處於”on” state 的比率會是. α α+β. 。根. 3. 盡力轉送（BE, Best-Effort Forwarding）. 據 ITU-T Recommendation P. 59[11]，本研究. [10]：即為傳統 IP 網路上所使用的 BE 封包. 將 1/β 和 1/α 分別設為 1.004 秒和 1.587 秒。. 轉送機制，封包一律排隊，頻寬夠時就繼續. 處於”on” state (活動期)時會傳送固定速率 R. 送，不夠時就隨機丟棄封包。如果沒有設轉. 的資料，”off” state (靜止期)時則不傳送資. 送規則時，封包之等級預設為 BE。原有的 IP. 料。這裡模擬的 VoIP codec 是使用 ITU-T. Precedence 仍被保留，將封包分為八個等級。. G.729 CS-ACELP[12]，所以 R 設為 8 Kbps，且每個封包的 voice data 大小為 64 bytes。. 1.1.3. NS-2. 基礎流量:. NS-2（Network Simulator Version 2）[5,6]. 用來做對照的基礎流量是拿來模擬除了. 是一個用來提供網路相關研究的物件導向模. 實驗觀察目標外的網路上其他非即使性的資. 擬器，可提供完整、趨於真實的網路模擬環. 料流。本研究是根據 NS-2 使用手冊[6]的建. 境，是個具有擴充性、可程式化事件驅動模. 議以 Pareto on/off 分配來做模型，Pareto 密度. 擬引擎、支援各種網路通訊協定與路由排程. 函數為：. 演算法的網路模擬器。發展至今，已經是一個很成熟的網路模擬環境。. ab a f ( x ) = a +1 x. for. x≥b，a為. shape parameter 在這裡設為 1.5， b 為 scale. 2. 實驗設計. parameter 則設為 5 ms。. 2.1 Traffic Workload Modeling. 2.2 實驗設計:傳統網路 VS. DiffServ. 在實驗中，我們為每種資料流選擇一種. 本實驗中，先加入一混有各種資料之基. 網路應用來代表：. 礎流量來做為非即時性資料，其次將 VoIP 放. ˙即時性服務：voice over IP. 入網路中，調整基礎流量大小以模擬基礎流. ˙非即時性服務：基礎流量. 量之負載輕重，比較 DiffServ 及傳統網路兩. 以下分別詳述之：. 種機制在各種負載輕重下，即時性資料對非. VoIP: 為了模擬即使性的資料流，本實驗選擇 VoIP 來代表即時性服務。人造的交談對話可以用一個 on/off Markov process 來做模型，活動期和靜止期分別以 1/β 和 1/α 的平均間格時間做指數分配，指數變數 X 有以下的密度函數：. 圖 2.1、實驗網路環境. 即時性資料的侵奪情況。.

(4) 3. 實驗結果. 圖 2.1 顯示本實驗的網路架構，圖中圓形為節點，橢圓形為在節點上的 agent。S1、 S2 與 R1 間的頻寬為 15Mbps，延遲時間為 2ms 的雙工連結（duplex link），R1 和 R2 間. DiffServ. 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 0. 的連結為頻寬 10Mbps，延遲時間 2ms 的雙工. 1. Pareto 模擬非即時性資料流的發送端 S2，發送資料給 dst 上的 sink agent，sink agent 則會. 7. 9. 傳統網路. 基礎流量延遲時間延遲時間 (秒 ). 收，並不做任何（如流量控制等）回應。以. 5. 圖 3.1、實驗一基礎流量之延遲時間. 延遲時間 2ms 的雙工連結。以 S1 為發送端 agent，在這裡 null agent 只做單純的資料接. 3. VoIP資料量(Mbps). 連結，R2 和 dst 間的連結則為頻寬 15Mbps，模擬即時性服務，發送資料給 dst 上的 null. 傳統網路. 基礎流量延遲時間延遲時間 (秒 ). 網路環境. DiffServ. 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 1. 回以 ACK。上面的網路設計刻意將 R1 及 R2. 3. 5. 7. 9. VoIP資料量(Mbps). 間之連結設計成上限為 10 mbps 之瓶頸。. 圖 3.2、實驗二基礎流量之延遲時間. 首先在這組網路拓樸加上傳統網路或 DiffServ QoS 機制模擬網路的運作，接著分. 9 mbps 的 VoIP，最候觀察 S1 及 S2 到 dst 的時間延遲及封包遺失量。在本實驗中，當 R1. 延遲時間 (秒 ). 別令基礎流量為 1、3、5、7、9 mbps（實驗一到五），每一組實驗中再加入 1、3、5、7、. 1. 奪空間比例對 VoIP 之品質所能提供之助益。. 5. 7. 9. 圖 3.3、實驗三基礎流量之延遲時間. 傳統網路. 基礎流量延遲時間. DiffServ 延遲時間 (秒 ). 頻寬之比例由小至大，藉以研究各種資源侵. 3. VoIP資料量(Mbps). 通知重送，並計算為封包遺失，但實驗仍需. 以上設計之目的在變化基礎流量與瓶頸. DiffServ. 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0. 的眝列已滿，接下來的封包就會被丟棄或被. 觀察其封包遺失量。. 傳統網路. 基礎流量延遲時間. 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 1. 表 2.1、實驗組別及變因. 基礎流量與瓶頸頻寬之比例. 實驗一. 1(mbps) ：10(mbps). 實驗二. 3(mbps) ：10(mbps). 實驗三. 5(mbps) ：10(mbps). 實驗四. 7(mbps) ：10(mbps). 實驗五. 9(mbps) ：10(mbps). 5. 7. 9. VoIP資料量(Mbps). 圖 3.4、實驗四基礎流量之延遲時間. 基礎流量延遲時間延遲時間 (秒 ). 實驗組別. 3. 傳統網路 DiffServ. 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 1. 3. 5. 7. 9. VoIP資料量(Mbps). 圖 3.5、實驗五基礎流量之延遲時間.

(5) 圖 3.1-3.5 分別顯示基礎流量為 1、3、5、7、. 基礎流量封包遺失量. 9 mbps 時，在不同 VoIP 流量時的延遲時間。提供的服務差不多；基礎流量在 3 mbps 以. DiffServ. 20000. 封包遺失量. 由圖顯示當基礎流量在 1 mbps 時，兩種網路. 傳統網路. 上，傳統網路提供給基礎流量的延遲時間服. 15000 10000 5000 0 1. 務比 DiffServ 好。. 3. 5. 7. 9. VoIP資料量(Mbps). 圖 3.6-3.10 分別顯示基礎流量為 1、3、. 圖 3.10、實驗五基礎流量之封包遺失量. 5、7、9 mbps 時，在不同 VoIP 流量時的封包遺失量。觀察圖 3.6-3.10，似乎看不出流量比. 圖 3.11-3.12 顯示 VoIP 在實驗一到五的. 例對基礎流量的影響，留待後文綜合觀察。. 延遲時間，由圖可觀察到在傳統網路 VoIP 隨著本身的流量增加而增加延遲時間，但是在. 傳統網路 DiffServ. 5000 4000. 2000. 3. 5. 7. 9. VoIP資料量(Mbps). 圖 3.6、實驗一基礎流量之封包遺失量. 延遲時間 (秒 ). 1. 0.008 0.006 0.004 0.002 1. DiffServ. 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0. DiffServ. 0.01. 0. 傳統網路. 基礎流量封包遺失量. 3. 5. 7. 9. VoIP資料量(Mbps). 圖 3.11、實驗一 VoIP 之延遲時間 Best Effort. VoIP延遲時間 1. 3. 5. 7. 9. VoIP資料量(Mbps). 圖 3.7、實驗二基礎流量之封包遺失量傳統網路. 基礎流量封包遺失量. 延遲時間 (秒 ). 封包遺失量. 傳統網路. VoIP延遲時間. 0. 封包遺失量. 示 VoIP 在 DiffServ 中品質的確受到保證。. 3000. 1000. DiffServ. 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 0. DiffServ. 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0. 1. 3. 5. 7. 9. VoIP資料量(Mbps). 圖 3.12、實驗二 VoIP 之延遲時間. 1. 3. 5. 7. 9. VoIP資料量(Mbps). 圖 3.8、實驗三基礎流量之封包遺失量傳統網路. 基礎流量封包遺失量封包遺失量. DiffServ 網路延遲時間則幾乎沒有增加。顯. DiffServ. 15000. 傳統網路. VoIP延遲時間. DiffServ. 0.01. 延遲時間 (秒 ). 封包遺失量. 基礎流量封包遺失量. 0.008 0.006 0.004 0.002 0 1. 3. 5. 7. 9. VoIP資料量(Mbps). 10000. 圖 3.13、實驗三 VoIP 之延遲時間. 5000 0 1. 3. 5. 7. 9. VoIP資料量(Mbps). 圖 3.9、實驗四基礎流量之封包遺失量.

(6) 延遲時間 (秒 ). DiffServ. 0.01 0.008 0.006 0.004. 0 3. 5. 7. DiffServ. 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0. 0.002 1. 傳統網路. VoIP封包遺失量封包遺失量. 傳統網路. VoIP延遲時間. 1. 9. 3. 5. VoIP資料量(Mbps). DiffServ. 0.008 0.006 0.004. 傳統網路. VoIP封包遺失量封包遺失量. 延遲時間 (秒 ). 圖 3.18、實驗三 VoIP 之封包遺失量. 傳統網路. 0.01. DiffServ. 100000 80000 60000 40000 20000. 0.002. 0. 0 1. 3. 5. 7. 1. 9. 3. 5. VoIP資料量(Mbps). 路的封包遺失狀況皆比其在 DiffServ 佳，實驗三到五則是 DiffServ 的表現漸漸較傳統網. 1. 封包遺失量. 5. 7. 9. 圖 3.20、實驗五 VoIP 之封包遺失量. 資源。. DiffServ. 3. VoIP資料量(Mbps). 越大，VoIP 越有空間侵奪低優先度資料流之. 8000. DiffServ. 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0. 路好，顯示在 DiffServ 中基礎流量所佔比例. 傳統網路. 傳統網路. VoIP封包遺失量封包遺失量. 封包遺失量，實驗一與實驗二 VoIP 在傳統網. 10000. 9. 圖 3.19、實驗四 VoIP 之封包遺失量. 圖 3.16-3.20 顯示 VoIP 在實驗一到五的. VoIP封包遺失量. 7. VoIP資料量(Mbps). 圖 3.15、實驗五 VoIP 之延遲時間. 綜合觀察為了觀察各種資料流在 DiffServ 中受影響的情況，我們定義兩個指標。. 6000 4000 2000. Parameter List. 0 1. 3. 5. 7. 9. VoIP資料量(Mbps). 圖 3.16、實驗一 VoIP 之封包遺失量. 傳統網路. VoIP封包遺失量封包遺失量. 9. VoIP資料量(Mbps). 圖 3.14、實驗四 VoIP 之延遲時間. VoIP延遲時間. 7. DiffServ. 25000. δT. delay time reduction by DiffServ. δL. packet loss reduction by DiffServ. δT：傳統網路中之延遲時間減掉 DiffServ 網路中之延遲時間(秒). 20000 15000. δL：在傳統網路中之封包遺失率減掉. 10000. 在 DiffServ 網路中封包遺失率(kbps). 5000 0 1. 3. 5. 7. 9. VoIP資料量(Mbps). 圖 3.17、實驗二 VoIP 之封包遺失量. 圖 3.21-3.25 是觀察在不同的 VoIP/基礎.

(7) 流量比例下，DiffServ 所提供的資源侵奪空間及 QoS 保證。圖 3.21 為 VoIP 之δT（在傳統網路及 DiffServ 之延遲時間差），當基礎流. 之絕對值逐漸減少（效能損失逐漸減少）。 δT 0.02. 量所佔頻寬比例越大時，可侵奪資源的空間也越大，也就越能保證 VoIP 延遲時間。. 1 mbps 3 mbps 5 mbps 7 mbps 9mbps. -0.04. 圖 3.22 為 VoIP 之δL （在傳統網路及. -0.06. DiffServ 的封包遺失差），當基礎流量比例越. 9mbps 7 mbps 5 mbps 3 mbps 1 mbps. -0.08. 大時 VoIP 封包遺失量方面的表現也越好。延遲時間差. δT. VoIP. 0 -0.02. -0.1 1 mbps 3 mbps 5 mbps 7 mbps 9 mbps VoIP 資料量. 基礎流量資料. 圖 3.23、基礎流量在兩種網路之延遲時間差 0.003. 基礎流量. 0.0025. 1 mbps 0.002. 3 mbps 5 mbps. 0.0015. 7 mbps 9mbps. 0.001. δL 800. VoIP. 600. 1 mbps. 400. 3 mbps 5 mbps. 200 0.0005. 9mbps 7 mbps. 0. 5 mbps -0.0005 1 mbps. 7 mbps 9mbps. 0 -200. 3 mbps 3 mbps. VoIP 資料量. 5 mbps. -400. 1 mbps 7 mbps. 基礎流量資料量. 9 mbps. 9mbps -600 5 mbps. 圖 3.21、VoIP 在兩種網路之延遲時間差. -800 1 mbps. 3 mbps. 5 mbps. 1 mbps 7 mbps. VoIP 資料量. δL. 700. 基礎流量. 600. 1 mbps 3 mbps. 500. 5 mbps. 400. 7 mbps. 300. 9mbps. 4. 結論及未來研究議題 4.1 結論. 200 100. 9mbps. 0. 資料量 3 mbps VoIP 資料量. 基礎流量資料. 圖 3.24、基礎流量在兩種網路之封包遺失差. 800. -100 1 VoIP mbps. 9 mbps. 5 mbps 1 mbps 5 mbps. 7 mbps. 9 mbps. 基礎流量資料量基礎流量資料量. 圖 3.22、VoIP 在兩種網路之封包遺失量差. 在 DiffServ 中，當基礎流量所佔流量比例較大時，較有空間提供 VoIP 侵奪，若基礎流量所佔流量比例較小時，對 VoIP 之助益也較小，顯示在 DiffServ 中較高等級之即時性服. 接下來觀察基礎流量受影響的程度。圖. 務對非即時性服務之資源侵奪行為會隨著兩. 3.23 、 3.24 為基礎流量之 δ T 及 δ L ，在. 者所佔之流量比例而有所不同而有顯著之影. DiffServ 機制下，當基礎流量之資源被 VoIP. 響。當 VoIP 所佔比例較小時，其有較大之資. 侵奪時，其效能會較傳統網路差，從圖 3.23、. 源侵奪機會而能維持 QoS 不致大幅影響較低. 3.24 中δT 及δL 都有負值出現可知。當基礎. 等級之非即時性服務的效能。. 流量佔瓶頸頻寬之 10 %（1 mbps）時，VoIP 與基礎流量總合未超過瓶頸頻寬，故 VoIP 不需侵奪基礎流量之頻寬。當基礎流量超過 3. 4.2 未來研究議題本研究尚有以下待改進之處：. mbps 時，VoIP 對基礎流量開始產生影響（δ. 網路拓樸極為簡單，並不足以代表真實. 及δL 出現負值），當基礎流量越大，越有空. 世界中的網路架構，但若加大拓樸的複. 間讓 VoIP 所侵奪，故基礎流量之δT 及δL. 雜度，實驗中的變因，以及需要觀察的. T.

(8) 項目也會大幅增加，實驗也會更複雜。. IEEE/ACM Transactions on Networking,. 資料流不是真實產生的，實驗中的資料. 6(4):364-373, August 1998.. 流都是用一些數學 model 所模擬產生. [11] International Telecommunication Union, Artificial Conversational Speech, ITU-T. 的，與真實網路應用仍有差距。. Recommendation P.59, March 1993.. 參考資料. [12] International Telecommunication Union, 8. [1] Xiao, X., L. -M. Ni, Internet QoS: A Big Picture,. IEEE. Network,. 13(2):8-18,. [2] Miras, D., Network QoS Needs of Advanced Internet Applications, Internet2 QoS Working Group, November 2002. [3] Blake, S, D. Black, M. Carlson, E. Davies, Z. Wang, W. Weiss, An Architecture for Services,. RFC. 2475,. December 1998. [4] 李俊瑩, 李杰翰, 連耀南, Behavior Study of UMTS QoS Classes on DiffServ Networks, 2003 Symposium on Digital Life and Internet Technologies [5] Fall, K., K. Varadhan, The ns Manual, http://www.isi.edu/nsnam/ns/, April 2002. [6] Pieda, P., J. Ethridge, M. Baines, F. Shallwani, Differentiated. A. Network. Services. Simulator. Implementation,. Open IP, Nortel Networks, 2000. [7] 許瑜森, 王讚彬, QoS Challenges in Third Generation. Mobile. Networks,. in:. Proceedings of 2001 National Computer Syposium, December 2001. [8] Jacobson, V., K. Nichols, K. Poduri, An Expedited Forwarding PHB, RFC 2598, June 1999. [9] Heinanen, J., F. Baker, W. Weiss, and J. Wroclawski, Assured Forwarding PHB Group, RFC 2597, June 1999. [10] Clark, D., W. Fang, Explicit Allocation of Best. Effort. Recommendation September 1998.. March-April 1999.. Differentiated. kbit/s CS-ACELP speech coder, ITU-T. packet. Delivery. Service,. G.729. Annex. C,.

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