All-IP 網路上服務品質管理之研究

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

All-IP

網路上服務品質管理之研究

Budget Based QoS for All-IP Communication Networks

計畫類別： ■ 個別型計畫

計畫編號：NSC 94 － 2213 －E － 004 － 007 －

執行期間：

94 年 8 月 1 日至 95 年 7 月 31 日

計畫主持人：連耀南

計畫參與人員：蕭和政、林宗銘、吳明翰

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 95 年 12 月 1 日

。

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

All-IP 網路上服務品質管理之研究

計畫編號：NSC 94-2213-E-004-007

執行期限：94 年 8 月 1 日至 95 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：

蕭和政、林宗銘、吳明翰

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, ar jitter 以及 high packet loss rate。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。本年度所完成之項目為「超額分配法提升 資源使用率」，「在無線隨建即連網路中利用Router協助 改進TCP的壅塞控制」以及「適用於P2P檔案分享系統傳 輸協定之設計」。 關鍵詞：All-IP 網路、服務品質、TCP、Routing Abstract:

All-IP network uses a single packet-switched network

to carry most services such as voice, video, and data, that were supported by today's separated circuit-switched and 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, large jitter, and high packet loss rate 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 bandwidth, response time, and loading characteristics. To maintain a high satisfactory level for diversified services on these heterogeneous networks becomes a great challenge to network operators. 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 systematic resource planning aiming to provide a high level confidence in maintaining end-to-end QoS commitments. Resource planning tools developed in this project will facilitate operators to maximize their satisfactory level under the resource availability constraints. The accomplishments of

this year are (1)proposed an over-admission method to improve resource utilization for BBQ based a All-IP core networks, (2)designed an enhanced TCP protocol for ad-hoc wireless network that uses router assistance to improve congestion control performance and (3) designed a UDP based transport protocol for distributed P2P file sharing .

二、緣由與目的

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, large jitter 以 及 high packet loss rate，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

A、以超額允入法提升資源使用率 因All-IP 網路是以封包交換網路承載各類服務，所以不 容易保證服務品質。一個經常被採用的方式是使用資源 保留（Resource Reservation）方式以保證服務品質，但 服務可能會因失約或未依約沒有充分運用所保留之資源 而導致資源閒置、降低網路資源使用率。為了要提高資 源使用率，營運者必須要有解決的方法，以提高整體資 源使用的效能。 本 研 究提出 一 個 有效使 用 資 源的概 念 – 超 額允 入 （Over-Admission），超額允入的意義是讓允入控制機 制允入比所擁有的資源量還要多的訊務量，以增加資源 使 用 的 效 能 。 但 是 超 額 允 入 訊 務 之 後 ，Admission Controller 可能會允入過多訊務造成溢流（Overflow）。 這會使系統效能下降，所以網路管理者必須要找出合適 的允入量以提高系統整體效能。 本研究建立分析模型係以供計算最佳允入量，並以模 擬進行模型驗證與效能評估，經由實驗結果可以驗證本 分析模型相當準確而超額允入的確可以大幅提高資源使 用率。 B、在無線隨建即連網路中利用 Router 協助改進 TCP 的壅塞控制 隨著網路訊務流量的快速成長和無線網路技術日漸成 熟，如何妥善的運用有限的網路資源是一個成功擁塞控 制機制要面對的根本問題。TCP 為現行網路上最廣為使 用的傳輸層協定，並且有許多的不同版本被提出來改進 其效能上的問題，例如TCP NewReno，TCP SACK 及 TCP Vegas 等。然而由於 TCP 傳送端並未具有網路內部 狀態的資訊，如可用頻寬等，大部份的TCP 擁塞控制機 制僅能依賴封包遺失做為觸發擁塞控制的指標。許多研 究指出在無線的環境下 TCP 無法有效使用有限的資源 並且分辨封包遺失的原因，因而造成整體的效能不佳。 本研究提出一個藉由路由器輔助的 TCP 擁塞控制協定 －TCP Muzha，仰賴路由器提供調速資訊，以幫助傳送 端能不依靠封包遺失進行傳輸速度控制，並可更快速的 達到最佳的傳輸速度。本研究同時提出模糊化的多層級 速率調整方法，藉由動態所獲得的細膩資訊做擁塞避免 及因應無線環境下因路由改變或傳輸介質不穩所產生的 不必要傳輸速度減低。最後我們在NS2 模擬器上對所提 出的協定做效能評估，實驗結果顯示本協定除了能有效 的避免擁塞外，並能減少不必要的降速及重傳封包的次 數。 C. 適用於 P2P 檔案分享系統傳輸協定之設計 Peer-to-Peer(P2P)架構讓社群內的使用者收集分散在網 路各處之資源，其中最為風行的P2P 系統當屬 P2P 檔案 分享系統。P2P 檔案分享系統之架構可分為集中式及分 散式，而分散式架構又可細分為結構化及非結構化兩 種。採用分散式且非結構化之BitTorrent-like 架構，因其 可擴張性較佳而廣為風行。在經驗中發現，BitTorrent-like 架構在非對稱網路之下雖擁有寬裕的下行頻寬，但是其 頻寬使用率卻不高，我們分析其成因如下：(1) Fractional Upward Bandwidth (FUB) 、 (2)Blockage of Acknowledgement (BoA) 與 (3)Long Physical Paths 等。而其中的Blockage of ACK 問題，現今尚未有研究 學者提出完整解決方案。本研究之目的，即要針對此 Blockage of ACK 的問題，改良網路協定中的傳輸層 (Transport Layer) 協定以提昇 P2P 檔案分享系統之效 能。我們改用UDP 作為傳輸層協定，並在應用層加入自 動重建遺失之封包、決定基本傳輸單位大小及決定資料 傳送速率等機制，以彌補UDP 之缺陷。我們並提供了傳 輸協定運作時所需參數的估計法，並且也與其它傳輸協 定做效能之比較。實驗結果發現，我們設計的傳輸協定 確可改善P2P 檔案共享系統的運作效能。

五、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。

六、本年度計畫所產出之論文

1. Yao-Nan Lien and Hong-Qi Xu, 2005, ``適用於 P2P 檔案分享系統傳輸協定之設計'', Proceedings of TANET 2005 , October 26-28, 2005, NSC 93-2213-E-004-010.

2. Yao-Nan Lien and Yung-Bin Chung, 2006, ``Design of TCP Congestion Control Techniques by

Router-Assisted Approach '', Proceedings of The 12th Mobile Computing Workshop, March 31, 2006, NSC 94-2213-E-004-007.

3. Yao-Nan Lien, Yi-Min Chen and Kuo-Chan Huang, 2006, ``Improving Resource Utilization for All-IP Networks By Over Commitment '', Proc. of International Conference on Next Generation Networks, July 9-13, 2006, pp. 259-262, NSC 94-2213-E-004-007.

七、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.

10. 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.

11. 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.

12. Yao-Nan Lien, Chien-Tung Chen, Ming-Chih Chen, Tsung-Hsung Li and Yi-Min Chen, ``QoS Management for All-IP Core Networks '',

Proceedings of The 11-th Mobile Computing Workshop, March 31, 2005.

13. Yao-Nan Lien and Yi-Min Chen, ``Forecasting Error Tolerable Resource Allocation for All-IP Networks'', Proceedings of the 3rd International

Conference on Information Technology: Research and Education , June 27-30, 2005.