新世代網際網路技術在遠距醫學資訊系統之研發與應用

行政院國家科學委員會專題研究計劃成果報告 新世代網際網路技術在遠距醫學資訊系統之研發與應用

Design and development of next generation Internet technologies for a tele-medicine system 計劃編號﹕NSC 88-2219-E-002-007 執行期限﹕87 年 8 月 1 日至 88 年 7 月 31 日 主持人﹕廖婉君 國立台灣大學電機工程學系 一、中文摘要 本計劃中，我們針對新世代網際網 路技術在遠距醫學資訊系統之研發與 應用，提出初步的實驗研究。初步研究 MBone(Multicast BackBone) 虛 擬 網 路 在遠距醫學資訊系統的使用性；Mbone 使用 IP Multicasting(多址傳播)技術的 多媒體軟體工具，提供了一個簡便的 Internet 視訊會議環境。雖然，在網際 網路多址傳播中，提供群組管理已有 IGMP (Internet Group Management Protocol)來進行，並已發展至第三版。 但在我們進行研究中，發現對於群組管 理問題上仍有改進的空間，因此我們針 對其協定的簡易性及減少控制訊息流 量來設計，並已發展一更簡單、更具彈 性之群組管理協定：RGMP (Receiver-initiated Group Management Protocol)。

本 篇 論 文 已 發 表 於 IEEE 1999 ICNP (International Conference on Network Protocols)。我們將對所提出之 協定機制及分析結果，作一簡略的說 明。 關鍵詞﹕網際網路、多址傳播、 群組管理 Abstract

The dominant mechanism for group management of IP multicasting is the Internet Group Management Protocol (IGMP). IGMP is based on a query/reply model and refreshes group membership periodically. IGMP has been evolving through three versions.

In this paper, a new group management protocol called Received-initiated Group

Membership Protocol (RGMP) is

proposed. As a result, the protocol overhead compared to IGMP v3 is significantly reduced, over a wide variety of service scenarios. In addition to reduced protocol overhead, RGMP is robust, scalable and adaptive to serve as a group management protocol.

Keywords: Multicast, IGMP, RGMP 二、緣由與目的 利用新世代網際網路技術在遠距 醫學資訊系統之研發與應用，並在應用 視訊會議方面以及多媒體播放服務，是 本計畫研究的主題。Mbone(Multicast BackBone)虛擬網路，乃是在 1992 年三 月 Steve Deering 於其博士論文中提出 IP Multicast Address(多址) 構想之後， 在 數 個 機 構 包 括 ： Xerox PARC 、

Lawrence Berkeley Labs(LBL) 、

Information Science Institute (ISI)等，研 究團隊的努力下，迅速發展。它提供了 一個簡便的 Internet 視訊會議環境，同 時因為多址傳播的特性，增加了視訊會 議 所 傳 送 多 媒 體 資 料 的 效 率 。 由 於 MBone 網路使用 Tunneling 技術，故參 加此網路的電腦並不需顧慮所在的網 路環境下硬體(如：Router 等)，是否支 援多址傳播。因此所構成的這個網路可 看作是一個在網際網路上的虛擬相連 網路。 目前 MBone 在台灣主要仍為學術 單位內實驗性質的網路，且尚未普及。 但由於網路使用人口之增加及多媒體 相關技術之迅速發展，使新世代網際網 路技術在遠距醫學資訊系統之研發

將有所應用。多址傳播技術，有別於傳 統之單址傳播或廣播技術，它可有效減 少多餘封包之傳遞及不必要之複製動 作，以降低網路資源之使用量。目前網 際網路上多址傳播傳送樹﹙multicast delivery tree﹚之建立，依據每一群組中 傳送樹建立的數目，可簡單將之區分為 source-based tree 及 center-based tree 兩 類。Source-based tree 是對群組中之每

一傳送者，建立一以其為根﹙root﹚、其

餘群組成員為節點之最小距離傳送樹 ﹙shortest path tree, SPT﹚。至於 center-based tree，則正好相反，它為每一群組 選取一中心點﹙不一定屬於此群組﹚， 而後以此中心點對其餘群組成員建立 一最小擴張樹，爾後重送至此群組之資 料便皆由此樹傳遞。 在網際網路多址傳播中，群組管理 是提供管理收聽者與傳送樹的維持的 重要資料來源。目前 IETF 提供 IGMP (Internet Group Management Protocol)來 進行管理，並已發展至第三版。 但在我們進行研究中，對於使用 IGMP V.1、V.2、V.3，發現對於群組管 理問題上仍有改進的空間。在 IGMP V.1 中 ， 提 供 了 基 本 的 詢 問 與 回 答 (query/reply)功能及抑制(suppression)功 能；在 IGMP V.2 中，對於前一版的離 開延遲(leave latency)做了改善；第三版 則增加了來源過濾(source filtering)功 能，但卻移除原來的抑制(suppression) 功能。 因此我們研究設計同時提供來源 過 濾 (source filtering) 功 能 及 抑 制 (suppression)功能的群組管理協定，並 著眼於協定的簡易性及減少控制訊息 流量。我們所發展提出群組管理協定： RGMP(Receiver-initiated Group Management Protocol) ， 比 最 新 版 IGMP V.3 具有更多的功能、更簡單、 更 具 彈 性 ， 也 享 有 更 低 的 控 制 負 擔 (control overhead)。 三、結果與討論 群組管理在網際網路多址傳播中， 提 供 管 理 收 聽 者 與 維 持 傳 送 樹 的 工 作。在 IGMP 協定中，區域網路(LAN) 中所有路由器利用協定自行推選出一 個詢問者(querier)，詢問者負責定期 詢問所有主機(host)參加群播群組的 情形；再將所有主機的參加報告整理， 並和其他區域網路的詢問者彼此交換 網域參加群組的情況。每個區域網路的 詢問者匯整從其他詢問者收到的訊息 之 後 ， 便 可 建 立 繞 路 表 (forwarding table)。 目前網際網路上實際之多址傳播 繞 送 演 算 法 ， 較 知 名 的 有 DVMRP ﹙ Distance Vector Multicast Routing

Protocol﹚、MOSPF﹙Multicast extensions

to Open Shortest Path First ﹚、 CBT ﹙Core-Based Tree﹚及 PIM﹙Protocol Independent Multicast﹚等，前兩者屬於 source-based tree 且分別使用 distance vector routing 及 link state routing 演算 法﹔CBT 屬於 center-based tree。 本計畫所研究提出之 RGMP 群組管 理協定，主要貢獻在於改進 IGMP。RGMP 主 要 提 供 兩 個 機 制 ： 參 加 者 發 起 (receiver-initiated) 與 訊 息 抑 制 (suppression)。 「參加者發起」，使得區域網路不 需要詢問者，路由器的設計可以較簡 單，且網路控制訊息可減少。RGMP 保 有 在 IGMP 第 三 版 的 「 來 源 過 濾 」 (source filtering)機制，使得主機有 權決定接收某些來源之群播資料，或者 不要接收某些來源之群播資料。但 IGMP 第三版認為新增「來源過濾」功能之 外，要同時提供「訊息抑制」機制便有 困難。本研究所提供的突破是，RGMP 可同時提供兩個機制。 「 訊 息 抑 制 」 利 用 廣 播 (broadcast)的特性，來減少重複的群 組報告控制訊息。當一個主機報告自己 參加之群播情形時，其他的主機同時可 收到此報告訊息。

因此其他主機將訊息與自己的參 加情形綜合比較之後，在輪到自己報告 時，便不報告其他主機已經報告之部 分，因此可以大幅減低網路的控制訊息 之數量。 RGMP 主要的設計是利用 IGMP 第三 版加上抑制旗標(suppression flag) 及更新定時器(refresh timer)，提供 一個十分簡單的方法來同時提供「來源 過濾」與「訊息抑制」機制。可以提供 兩 種 來 源 過 濾 模 式 ： 互 斥 及 包 含 (exclude mode ,include mode)，並同 時享有訊息抑制，因此網路的控制訊息 數量都明顯可以減少。 圖一及圖二，說明網路在不同的群 組數目及參加人數情況下，RGMP 的表 現都優於 IGMP 第三版，享有更低的協 定 負 擔 (protocol overhead) 。 由 圖 一，可以發現當區域網路所參加之群組 數目增加時，RGMP 所增加之控制訊息 約只有 IGMP 第三版之四分之一。圖二 表示，當網路的主機數目增加時，IGMP 第三版所產生的控制訊息會與主機數 目成正比，但是 RGMP 的控制訊息並不 隨主機數目遞增而加多。 0 500 1000 1500 2000 2500 0 10 20 30 40 50 Group number Protocol overhead(KByte) RGMP IGMPv3

圖一: Overhead v.s. Group number

0 1000 2000 3000 4000 5000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Host number Protocol overhead(KByte) RGMP IGMPv3

圖二: Overhead v.s. Host number

0 200 400 600 800 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Host number Protocol overhead(KByte) RGMP IGMPv3 with suppression

圖三: Overhead v.s. Host number

0 300 600 900 1200 1500 0 10 20 30 40 50 Group number Protocol overhead(KByte) RGMP IGMPv3 with suppression

圖四: Overhead v.s. Group number 圖三與圖四，是說明 RGMP 中之「參 加者發起(receiver-initiated)」的好 處。我們利用模擬，將 IGMP 第三版虛 擬加上「訊息抑制」機制，並與 RGMP 做比較；因此其和 RGMP 的主要不同僅 在於 RGMP 有「參加者發起」的機制。 由這兩張圖可發現 RGMP 在各種情況 下，「參加者發起」的好處。 圖五主要是說明 RGMP 由於「參加 者發起」的機制，因此可以將控制訊息 打散在時間軸上。IGMP 由於「詢問-回 應」(query-reply)架構，因此網路控 制訊息會集中在某些時段。由網路原理 得知，IGMP 這種集中控制訊息的方式 較易造成網路塞車，因此 RGMP 相較下 就具有較好的特性。 0 1200 2400 3600 4800 6000 0 2000 4000 6000 8000 10000 Time(second) Protocol overhead(Byte) IGMPv3 RGMP

因此，不論網路在各種情況下， RGMP 的控制訊息數量都遠低於 IGMP 第 三 版 ， 且 RGMP 的 離 開 延 遲 (leave latency)亦小於 IGMP，同時 RGMP 可將 控制訊息打散於時間軸上，因此亦可以 改善 IGMP 突發流量(burst traffic) 的情況。 四、計劃結果自評 本計劃執行期之初步成果為﹕ ﹙1﹚研究實驗多址傳播協定及 MBone ﹙2﹚研究分析 IGMP 群組管理 ﹙3﹚發展 RGMP 新的群組管理協定 ﹙4﹚模擬分析 RGMP 效能 ﹙5﹚RGMP 論文發表於 ICNP 利用新世代網際網路技術在遠距 醫學資訊系統之研發與應用，已經初步 完成實驗研究雛形。所提出之 RGMP 論 文 已 發 表 於 IEEE 1999 ICNP (International Conference on Network Protocols)。未來將繼續研究完成，新世 代網際網路上遠距醫學資訊系統。 五、參考文獻

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