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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※ 提供 IP 在全光密集分波多工環狀網路上的
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※ 載波先行存取協定之研究 ※
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The Study of Carrier Preemptive Access Protocol for Supporting
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IP over All Optical DWDM Ring Networks
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計畫類別：█ 個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：NSC 90 － 2213 －E － 151 － 014
執行期間：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日
計畫主持人： 黃 文 祥
共同主持人：
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位： 國立高雄應用科技大學電機工程系
中 華 民 國 91 年 10 月 23 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
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提供 IP 在全光密集分波多工環狀網路上的載波先行存取協定之研究
The Study of Carrier Preemptive Access Protocol for Supporting IP
over All Optical DWDM Ring Networks
計畫編號：NSC 90-2213-E-151-014
執行期限： 90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日
主持人：黃文祥 國立高雄應用科技大學電機系
計畫參與人員：何日新、李見春、宋相頌、黃圳柏
一、中文摘要 一、中文摘要一、中文摘要 一、中文摘要 本研究計畫目的在於提出一個將 IP 封 包直接對密集分波多工環狀網路送收的存 取協定，構思是以載波感測多重存取控制 的機制為基礎，再增加頻道上載波的傳送 等級優於節點上資料的傳送等級，並提供 封包可被搶先而分割的機制。本研究去除 傳統光纖網路光電轉換的延遲，充份地運 用頻道的頻寬。本計畫以排隊理論及網路 模擬軟體 Simscript 分析與模擬了多種系統 架構及機制，並與國內外相關研究成果比 較，由分析與模擬結果顯示，該協定的節 點傳輸量及封包平均延遲等效能有相檔不 錯的表現，本計畫成果發表在國際國內會 議己達八篇。 關鍵詞 關鍵詞關鍵詞 關鍵詞：密集分波多工、載波感測多重存 取/載波先行、全光式 Abstract
This project proposed a carrier preemption access control protocol based on carrier sense multiple access schemes to support IP packet over all optical DWDM ring networks. The intention of the protocol design is to reduce the communication overhead of IP packets over optical networks for local/metropolitan area. To facilitate spatial reuse on the bandwidth of all optical ring networks, a special design is made for the carrier preemption scheme. Analysis and simulation have been done to evaluate the node throughput and average packet delay. The analysis and simulation results display extraordinary good network efficiency.
Keywords: DWDM, Carrier Sense Multiple
Access/ Carrier Preemption, All-Optical 二、緣由與目的 二、緣由與目的二、緣由與目的 二、緣由與目的 網際網路為了滿足多媒體資料傳輸之 服務品質及應付指數成長的用戶數量，對 網路頻寬的需求日異迫切，在區域網路逐 步進展到 40G 以太網路後，高速網路的研 究課題已集中在廣域網路及都會網路上。 目前在高速網路的研究屬密集光波分工 (DWDM)傳輸系統最為熱絡，它每個資料 通道可以提供 40Gbp 的頻寬，整條光纖電 纜可分波成上千條的通道，提供的總頻寬 高達數個 TGbps，是個提供非常大量頻寬 的系統。但 DWDM 傳輸系統目前大多採用 點對點的直接連線傳輸，少部份有以交換 技術或環狀拓撲存取實現的產品，這是一 個值得探索的新課題。 在最近關於光學網路的研究中[1]，IP 封包直接在 DWDM 層傳輸已經成為研究 的主要課題之一[2-6]；而在 DWDM 研究領 域中，將 DWDM 視為環狀邏輯架構而提出 傳輸協定的相關研究中必須符合全光式 (all-optical)與頻寬充分利用（spatial reuse) 等兩個需求。本計劃即以這兩個需求來設 計 DWDM 環狀網路架構與存取協定。 三、網路架構與存取協定 三、網路架構與存取協定三、網路架構與存取協定 三、網路架構與存取協定 考慮一個單方向傳輸的光纖環狀網路。 在這環狀網路上有許多節點以及多個資料 通道，整個 DWDM 環狀網路的邏輯架構圖 如圖一所示。
圖二、 圖二、 圖二、 圖二、存取節點的硬體架構 在圖一中，每個資料通道對應一個特定 的波長，藉由光波可以在資料通道上傳送 資料信號。此 DWDM 環狀網路上任何一個 資料通道都視為獨立運作的傳輸媒介，亦 即將每個通道假設成獨立且單一。就整個 網路邏輯架構而言，此網路可以看成是一 個多重環狀的網路。 •••• 網路的系統架構網路的系統架構網路的系統架構網路的系統架構 每個節點的硬體架構如圖二所示。每個 節點有一個可調變傳輸器和 W 個連接於各 個資料通道的固定接收器。當光的信號藉 著光纖網路傳送到上游(upstream)節點， Splitter 會將光的一部份信號傳送到接收 器。此時每個接收器會偵測到相對應光的 信號中節點的位址識別。當信號中資料封 包的目的位址與此節點的位址相同時，此 資料封包會傳送到此節點;這時節點啟動多 重存取控制器，此控制器會將 on-off switch 所對應的資料通道打開，光纖網路經由固 定且小的延遲線，使得此資料封包有充份 時間由接收節點移去，防止資料封包再循 環，浪費資料通道的頻寬。當信號中資料 封包的目的位址不是此節點的位址時，此 資 料 封 包 經 過 延 遲 線 直 接 傳 送 到 下 游 (downstream)節點；這時控制器亦會繼續偵 測下一個此資料通道的封包。
在硬體架構中，延遲線的設計是重要 的。它可以延遲進來封包的光載波，有了 這段延遲時間，節點才可以進行位址的識 別、啟動 MAC 控制器與利用 on/off switch 來移除接收的封包。封包的光載波經由延 遲線，利用解多工器將光載波的信號依照 光的不同波長而傳送到 W 個資料通道。 on/off switch 由 Fiber Bragg Grating (FBG) 所構成，如同前面所敘述當 switch 通道為 on 時，表示這個資料通道上的封包將被濾 除以防止再循環；若 switch 通道為 off 時， 此通道的光載波會繼續傳送下去，將通道 的個別光載波匯入到光纖網路，進而傳送 到下一個節點。 節點封包由傳送器傳出之前會先放到 傳 送 佇 列 。 為 了 避 免 節 點 中 傳 送 佇 列 Head-of-Line (HOL)呆滯問題；已有許多研 究文獻提出對應的硬體架構及 MAC 策 略。在本計劃中，我們採用一個可調變傳 輸器及 W 個固定接收器；由於在此 DWDM 環狀網路上任何一個節點都具有相同的硬 體架構，因此節點在任何時間都可以接收 來自 W 個資料通道上的封包，但可調變傳 輸器則只能一次選擇一個閒置的資料通道 將封包傳送出去。 •••• CSMA/CP存取協定存取協定 存取協定存取協定 每個節點可利用載波偵測的機制來偵 測每個通道上是否有正在傳送封包的副載 波，當一個封包傳送出時，會另外產生副 載波的頻率。圖三為一個資料通道(波長為 λ1)，MAC 控制器感應通道上是否有封包的 sub-carrier 的示意圖。所以每個節點可以任 意選擇一個沒有偵測到載波的資料通道來 傳送封包；但是節點在連續傳送封包的過 程中，若遇到通道有載波到來 (目的位址 不是此節點)，就會發生碰撞的現象。圖四 為當 MAC 感應到通道上有 sub-carrier 而通 知調變傳輸器停止傳送封包。 每個節點在傳送資料前，MAC 控制器 會偵測資料通道上是否有載波存在，節點 會任意選擇一條可用的資料通道，利用調 圖一、 圖一、圖一、 圖一、DWDM 環狀網路邏輯架構圖
圖三、 圖三、 圖三、
圖三、CSMA(Carrier Sense Multiple Access) 圖五、 圖五、 圖五、 圖五、資料框架傳輸格式 圖 圖 圖 圖六六六六、、、資料框架的 fragmentation 、 變傳輸器將封包傳送出去；但是節點無法 判斷這條通道可用的時間足夠讓一完整的 IP 封包傳送出去，若是上游節點的封包(目 的位址不是此節點)進來，就會造成碰撞的 情形。 當節點的傳送封包與上游節點的封包 發生碰撞時，我們採用載波優先傳送的方 法，讓上游節點的封包優先使用資料通 道，此時節點傳送中的碰撞封包被分割成 兩個部份，一部份繼續傳送到通道上，另 一部份則佇列在節點的 buffer 中；如圖四 所示。對於已經傳送的一部份封包，節點 將此封包自成一框架；另一個尚未傳送出 去的部份封包，它會停留在佇列中並等待 任一個可用的資料通道(W 個)，再將封包傳 送出去。為了保證協定運作的正確性，延 遲線的延遲時間必須考慮進來封包的延遲 及碰撞封包重新組裝框架的時間。 •••• 資料框架格式資料框架格式資料框架格式資料框架格式 為了配合載波優先傳送的協定，有關資 料 框 架 格 式 的 訂 定 如 圖 五 所 示 。 Start Delimiter (SD)用來界定資料的框架，其中 Source Address (SA)與 Destination Address (DA)表示框架的來源與目的位址的訊息； Sequence Number (SN) 用 來 紀 錄 框 架 序 號，End Fragment (EF)用來指示最後的框 架，Flag (FG)的欄位保留給其它的功能使 用譬如服務類別等。圖六中表示碰撞的封 包分成兩個框架，前面為已傳送的部份框 架自成一完整的框架；後面在佇列的部份 框架則必須加上框頭(Frame Header)而形 成一完整的框架。 四、結果與討論 四、結果與討論四、結果與討論 四、結果與討論 本計畫的協定已利用排隊模型(Queuing Model)來分析封包平均延遲時間[7]，由於 本報告篇幅有限，詳細的分析過程與公式 推導請參考本計劃發表成果[11]，此外為了 驗證公式的正確性，我們使用 SIMSCRIPT II.5 語言來撰寫模擬程式；由模擬數據與分 析數據的結果顯示兩者之平均封包延遲時 間值非常的接近。分析與模擬的參數如下 所示： 節點的個數: 16 資料通道的個數: 1,2,4,8 環狀網路的距離: 30 km, 50 km, 100 km 通道的頻寬: 1.22, 2.5, 10 Gbps 延遲線的長度 800 bits 平均封包的大小 512 bytes 環狀網路的延遲時間 5 µs/km 此 DWDM 環狀網路分析與模擬的距離 假設為三種距離：30 km, 50 km, or 100 km. 分析與模擬的結果如圖七到圖十一所示。 圖七為在資料通道頻寬 10Gbps、距離為 150km 的網路架構下，節點封包產生速率 與不同資料通道個數之平均封包延遲時間 之 對 應 圖 ； 圖 八 為 在 資 料 通 道 頻 寬 10Gbps、四個資料通道的網路架構下，節
點封包產生速率與不同環狀網路距離之平 均 封 包 延 遲 時 間 之 對 應 圖 ； 圖 九 為 在 10Gbps 的網路架構下，節點封包產生速率 與不同資料通道個數與不同環狀網路距離 之平均封包延遲時間對應分析圖；圖十為 距離為 50km 的環狀網路架構下，節點封包 產生速率與不同資料通道個數與頻寬之對 應圖；圖十一為圖十中具相同資料通道累 積(aggregated)頻寬之部分詳細觀察圖。從 分析與模擬結果的數據獲得下列結論： 1. 在網路達到穩態的條件下，若 DWDM 環狀網路的資料通道個數愈多，則具較 高的節點傳輸量(Throughput)，如圖七 所示。這表示網路節點傳輸量的特徵與 資料通道個數累積(Aggregated)的頻寬 有關。例如具八個通道個數的環狀網路 架構比具四個通道個數之效能好。 2. 在網路達到穩態的條件下，平均封包延 遲時間的特徵似乎與環狀網路的距離 比較有關係；即環狀網路距離愈短，則 封包延遲時間愈低，如圖八所示。 3. 在網路達到穩態的條件下，若資料通道 之累積頻寬相同且具相同的環狀網路 距離，則平均封包延遲時間亦約相等， 如圖九與圖十所示。這表示封包延遲時 間的最重要因素不是封包的傳輸時間 也不是封包佇列等待時間；而是從節點 來源端到目的端的延遲時間，亦就是環 狀網路的距離。 4. 即使具相同的 DWDM 環狀網路距離與 相同的資料通道累積頻寬的條件下，其 平均封包延遲時間的對應曲線圖仍有 些微的差異處。（如圖十一所示，八個 資料通道與通道頻寬 1.22Gbps、四個資 料通道與通道頻寬 2.5Gbps 與一個資料 通道與通道頻寬 10Gbps）。從圖中可 以 發 現 八 個 資 料 通 道 與 通 道 頻 寬 1.22Gbps 的平均封包延遲時間比其他 兩個例子的效能差。而一個資料通道與 通道頻寬 10Gbps 及四個資料通道與通 道頻寬 2.5Gbps 之平均封包延遲時間具 有相同的效能，這是由於資料通道個數 與資料通道頻寬是影響網路效能的兩 個條件。而資料通道個數八個與通道 1.22Gbps 具較高的封包延遲時間是由 於網路硬體架構中，只有一個調變傳輸 器且採取隨機選擇可用通道的策略。 圖七 圖七 圖七 圖七、、、、不同通道個數的平均封包延遲時間 圖八 圖八圖八 圖八、、、、不同環狀網路距離的平均封包延遲時間 圖九 圖九圖九 圖九、、、、不同通道個數與狀網路距離的平均封包 延遲時間 圖十 圖十圖十 圖十、、、、不同通道個數與通道頻寬的平均封包延 遲時間
圖十一 圖十一圖十一 圖十一、、、與圖十具相同資料通道累積頻寬的平、 均封包延遲時間詳細觀察圖 五、計畫成果自評 五、計畫成果自評五、計畫成果自評 五、計畫成果自評 非常感謝國科會給本人順利完成這個 研究計畫機會。回顧本計畫的研究成果已 達到計畫申請書的目標，提出 WDM 環狀 網路，讓 IP 封包能以全光的傳送；此外我 們提出一個新 MAC 協定稱為 CSMA/CP， 這個協定可以解決目前相關 MAC 協定中 節點 HOL Blocking 與頻寬空間利用不足的 缺點；經由效能分析與程式模擬結果包括 節點傳輸量與平均封包延遲時間，可以驗 證我們所提出的網路架構與 MAC 協定是 個不錯的方法。主持人在 2001 年後發表與 本研究計畫相關的著作共計有八篇國內與 國際會議論文如參考文獻[8-15]。 六、參考文獻 六、參考文獻六、參考文獻 六、參考文獻
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