多媒體內容傳遞網路前瞻技術之研究-總計畫(1/2)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

總計畫(1/2)

中 華 民 國 93 年 6 月 1 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 多媒體內容傳遞網路前瞻技術之研究-總計畫(1/2) 計畫編號：NSC 93-2213-E-002-085 執行期限： 92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日 主持人：蔡志宏 國立台灣大學電機工程學系暨研究所教授 一、前言 隨著近年來多媒體應用及內容在 網際網路上的日益盛行，多媒體內容 傳 遞 服 務 (Multi-media Content Delivery)已經成為網際網路服務型態 最具成長潛力的服務之一，目前多媒 體內容的種類，已不再是以一般 Web 網頁內容為主，而以充滿了各種格式 的視訊(如 MPEG2，MPEG4，MJPEG) 以及各式音訊(如 MP3，etc.)等資訊量 龐大的數位內容，對網路頻寬及伺服 器處理容量需求均形成極大壓力。而 為配合使用者互動互換多媒體訊息的 風氣以及技術趨勢，多媒體內容傳遞 的方式不再是標準的 Server-Client 模 式，反之，每一個使用多媒體內容傳 遞服務的使用者，也常可以同時扮演 內 容 提 供 者 的 角 色 。 換 言 之 ， 每 個 Terminal 同 時可以是 Client 以及 Server，經由網路 的連絡，所有 Terminal 共同提供巨量 的內容，其總合可以遠超過任何單一 伺服器的內容提供能力(含內容種類、 總頻寬及總容量)。 若嚴格劃分，Multimedia Content Delivery 所發展形式可再細分為包含 Directory Service 的 P2P 對等網路架 構，以及不含 Directory Service 的非結 構式對等網路架構。前者最有名的案 例便是 Napster 提供 MP3 交換的服務 架構，後者則是近年網際網路學術研 究及技術研發的最新趨勢；而最受歡 迎的 Gnutella 就是採用非結構式之網 路 拓 樸 。 注 意 由 於 許 多 內 容 是 以 Streaming 方式傳遞，對於網路封包遺 失率、頻寬穩定度等 QoS 及內容可獲 得的難易度也就十分敏感。 本研究群了解多媒體內容傳遞技 術的成長仍有極大的空間，也預見此 一領域市場的需求殷切。因此決定基 於本研究團隊過去累積的研究及實作 經驗，投入多媒體內容傳遞網路關鍵 技術的研究。 二、背景、目的及研究方法 Internet 最初在設計只提供 best effort 服務時，最主要考量是終端系統 的連接性( host connectivity). 在此理 念下， Internet 所有的通訊協定、架 構皆是以「簡單」(simple) 與「堅固」 (robust)為原則。然而今天 Internet 的 使 用 者 已 經 跟 二 十 幾 年 前 完 全 不 一 樣；使用習性與要求也全然不同於以 往。 這些使用者最新的網路需求是 「有時間性」的網際網路傳輸 ( timely delivery)以符合新的應用之需要。 一 方面 Internet 已經轉型成今天最重要 的世界商業服務網路；可是另一方面 因為既有 IP 位址的架構、命名方式； IP 路由選擇方式、協定架構；以及各 種歷史的因素，目前的 Internet 已經無 法滿足以上所述之新內容傳輸服務品 質保證的要求。 因應這些新的挑戰，各種覆蓋網 路(overlay networks)在近一、二年被熱

烈 地 提 出 與 討 論 ； 也 有 幾 個 實 作 在 Internet 的系統與網路；例如，建構在 目 前 Internet 上 的 商 業 內 容 傳 輸 (content delivery) 服 務 業 者 之 私 有 (proprietary)服務網路，就是利用覆蓋 網路的觀念提供網路使用者更快速地 內 容 存 取 。 另 一 個 普 遍 的 例 子 是 peer-to-peer networks ─ 網路使用者 自動地將自有的內容在網際網路上提 供給所有其它的使用者下載。 在現今多變的網路環境裡，端點 之間可靠而動態的通訊需求將日益增 加，然而通訊型態卻愈來愈難以預 測。在許多狀況下，使用者無法描述 網路端點間的流量負載，更遑論點對 點(point-to-point)的服務品質(QoS)需 求；此外，目前對網路計價與計費模 式希望使用者只需對使用的頻寬支付 費用。這樣的模式下，新議題是：網 路管理者必須要能具有更積極地依據 流量負載與服務協定(service level agreement)介入網路頻寬的分配與管 理。在我們所欲研究的 Q-overlay network model,使用者不必再為沒有使 用到的頻寬付費，網路提供者也可以 更妥善地規劃網路資源及利用頻寬。 可擴充性(scalability)是在這個新的服 務模式下很重要的議題之一，尤其是 在有著成千上萬各有不同服務品質需 求的資料流(flow)的高速骨幹網路 上。因此，在下一代 IP 網路，彈性的 容量管理及資源分配將成為網路服務 提供者確保每個通道的服務協定的一 項挑戰。對等式網路不同於傳統主從 式觀念中伺服端及用戶端的架構，對 網路中的電腦一視同仁，可同時扮演 著伺服器及用戶端的角色。在這樣的 架構中，沒有主從角色的限制，同時 al 不存在熱門伺服器擁塞造成的網路 瓶頸，網路效能因此大幅提升。在資 訊分享交換的應用上，對等式網路架 構受到廣大使用者的歡迎。本計畫目 標即針對此對等式多媒體內容傳遞網 路的問題作研究，提出改善的具體方 案及創新關鍵技術，並對創新關鍵技 術方案作網路系統效能改善的評估/模 擬/實作。 此外，在多媒體內容傳輸網 （multimedia content delivery networks）, 經常一個傳輸連線 (session) 包含多個有不同的服務品質 需求的不同應用。例如一個醫學網路 會診傳輸連線 就裡有可能有一個視 訊資料流、一個聲音資料流以及一個 X 光影像資料流。若沒有服務品質控管 的支援，這些應用與即時連續媒體 (real-time continuous media)的表現將 很容易受到影響。如何保障虛擬私有 網路通道間的絕對服務品質變得非常 重要。 孫雅麗子計畫的目標是設計一個 創新的 Q-overlay network 以提供彈性 地、快速地有服務品質保證的內容傳 輸。詳細地說，我們將探討在既有的 Internet 架構下建置 Q-overly network. 我們將針對能支援動態路徑選擇、資 源 分 配 與 多 條 平 行 傳 輸 （ parallel download）新的路由選擇演算法 與通 訊協定進行新的研究。目的是達到提 供有效率與有彈性的多媒體內容傳輸 網之建置與服務的提供。這樣的目標 可能需要有在進入點 Q node，(又稱為 Overlay Node)之資料分流與出去點 Q node 之資料重組相關機制的配合。 我 們所設計與將實作的 Q nodes 系統將 同 時 支 援 點 對 點 與 一 點 對 多 點 的 通

訊。

今年的基礎研究方面，我們專注 於支援多媒體內容傳輸網的 Q-overlay network 之 設 計 。 這 包 含 初 始 Q-overlay network 的 拓 樸 (topology) 設計與容量規劃（capacity assignment）; 動態路徑選擇、資源分配與多條平行 傳輸新的路由選擇演算法 與通訊協 定之研究；Q node 系統架構之設計。 在本計畫的基礎研究方面，我們已經 探討以下幾個議題：a)如何規劃設計 Q-overlay network 以期能有效率、有彈 性地支援多媒體內容傳輸網所需的效 能目標 (如頻寬、延遲與封包遺失率); b) 如何進行在 Q nodes 間積極、主動 的網路傳輸品質狀態訊息的交換; c) 動態路徑選擇、資源分配與多條平行 傳輸新的路由選擇演算法。本計畫的 第二部份將以 Linux 為平台實作 Q nodes 的雛型系統(prototype)，我們預 計將第一年動態動態路徑選擇、資源 分配與多條平行傳輸新的路由選擇演 算法之研究成果實作在雛型系統上。 這部分已經部份實作在 Linux kernel。 在應用層協定方面之研究是由林 宗男教授負責。由於對等式網路依搜 尋及遞送的方式，可對中央伺服器存 在與否及網路拓樸結構化與否作不同 的分類。其中，網路的中央伺服器可 做為使用者搜尋檔案資料的詢問者， 達到網路搜尋的功能。若不使用中央 伺服器，可透過結構化的網路拓樸， 達到內容搜尋及遞送的功能。若亦不 使用結構化之網路拓樸，內容的搜尋 就須透過特定的演算法達成。目前最 受歡迎的 Gnutella 就是採用非結構式 之網路拓樸，並且使用「廣播」的方 式，作為搜尋的原則。這樣搜尋的方 式，會產生大量的搜尋訊息，佔用大 幅的頻寬，降低網路使用效能，而目 前主要有兩種改善效能的搜尋傳遞演 算法。一為環狀擴張(Expanding Ring)，另一為隨機漫步(Random Walk)，但兩者皆有其缺點，無法同時 到達高搜尋效率及低訊息產生量的目 標。另一方面，「廣播」式的搜尋法， 也容易造成類似網站會受到的拒絕服 務式的攻擊，對於使用者及整個網路 造成很大的安全問題。 因此林宗男教授對非結構式對等 網路搜尋之演算法已開始深入研究， 設計一搜尋法，能減少搜尋所需之訊 息量並維持快速的搜尋效能。同時考 慮提出具高效能之結構化網路架構， 加速搜尋效能，減低網路負擔並維持 系統的延展性。此部分已有部分論文 等級之成果。 多媒體內容傳遞網路的建構方式 本計畫所採用者稱為 overlay approach。 此架構中核心網路上的路 由器和交換機(Core Router / Core Switch)，本身並不一定扮演重要角 色、甚至連服務品質保證也不一定全 數提供。相對的，本計畫重點在於研 發 Edge Router 上的 Classification 及 Scheduling 演算法有效控制 由 P2P Multimedia User 至 Overlay network 間的網路封包遺失率、延遲、頻寬穩 定度等 QoS，並過濾不受歡迎封包。 由於這個架構不需要去更動現行的核 心網路架構，所以實作上較為容易； 對 ISP 業者或 Campus 網管人員來說 管理也比較方便，因為只要 Overlay Network 節點之間的核心網路頻寬暢 通，網管人員便只要專心設定 rule 的

收集，便可提供更好的 multimedia content delivery service。

在提出解決架構以前，蔡志宏教 授子計畫首先著手了解網路上的各種 資料流 traffic 的特性，以針對不同的 資料流做出不同的對策。一般而言， 我們對於多媒體內容傳遞的網路上之 封包流(Packet Stream)大致上可以分為 三類：具有即時性、對封包遺失率、 頻寬穩定度、延遲時間有所要求的多 媒 體 內 容 之 交 通 等 級 ， 稱 之 菁 英 級 (Premium class)、一般的傳統的 Web、 Email, 稱 之 普 通 級 (Best Effort Class)，以及令人討厭且具干擾性質的 封 包 流 ， 稱 之 不 歡 迎 級 (Unsolicited class)。

不過傳統分類演算法常以標準的 5-tuple match (source IP address, Destination IP address, Source port, destination port, Protocol)為基礎。傳統 分類演算法在面對以內容為基礎的分 類 時 ， 我 們 發 現 多 數 演 算 法 若 以 Multi-field Best Match 為目標，代價則 是高計算複雜度（Complexity），而且 計 算 量 即 使 在 標 準 的 5-tuple match (source IP address, Destination IP address, Source port, destination port, Protocol)時已經十分驚人，常超過 CPU Capacity 。 然 而 面 對 型 態 隨 時 變 化 Multimedia Content，病毒封包及潛在 攻擊，5-tuple match 是可能更是不足 的。 此外，若忽視 CPU 容量之上限即 使 Rule 完整，也會造成封包因分類不 足而遺失的現象，反而得不償失。如 何有效地將 Router CPU 處理能力分配 於交通量計算，封包分類及封包排程 三者之間，達成最佳 Trade-off，則是 此子計畫目前之重點。本計畫已完成 在視訊頭端負載平衡器，防火牆/匣道 器，等之可行封包分類規則簡化及處 理方法。 總 計 畫 則 負責 收 集 研讀 相 關 文 獻，收集產業資訊及 Freeware 並定期 討論；已著手整合測試平台規劃之設 計。 為完成整合測試架構，總計畫並 已開始利用台灣大學新設之「資訊電 子 科 技 整 合 研 究 中 心 」 所 設 實 驗 空 間，架設共同測試環境。本研究群將 沿用過去所累積之各項實驗設備，如 WLAN Analyzer（含應用層分析）、 Smartbit Protocol Tester /Analyzer 等協 助協定開發及整合測試。為了達到並 驗 證 無 線 使 用 的 情 境 ， 也 就 是 所 謂 Wireless Multimedia Content Delivery，我們也已經擴展至具有無線 功能的 Tablet PC、Notebook 上，以達 成本計畫關鍵技術的整合與展示。 本群體計畫的執行中，本研究群 已經開始共同研讀技術文獻一段時 間，共同規劃網路架構與未來應用， 加速對等式多媒體內容傳遞網路的問 題改善創新關鍵技術的研究進度。 三、完成中之工作項目及進度 孫雅麗子計畫工作項目及進度 第一年 1.多體內容傳遞技術及網路架構相關 文獻之收集與研讀 2.Overlay network 架構及交通工程文 獻收集研讀 3.路由訊息交換協定及演算法設計 4.完成其中 Q 節點(overlay node)軟體 架構之設計 5..實作 Q 節點之交通分流及重組功

能。 整體進度：42％。（以二年為期） 林宗男子計畫工作項目及進度 第一年 1.深入研究現有非結構式對等網路搜 尋及傳遞之演算法。 2.分析各演算法之特性及優劣得失，定 出改進目標。 3.設計一搜尋法，滿足設定目標，改進 搜尋及傳遞之效能。 4.基於非結構式網路的研究成果，提出 具高效能之結構化網路架構。 整體進度：42％。（以二年為期） 蔡志宏子計畫工作項目及進度 第一年 1.收集研讀相關文獻，並了解目前 Multimedia 對等應用之內容封包格式 與控制封包格式。 2.推導收集多媒體內容封包之 Classification Rule 3.收集分析病毒封包格式及其交通模 式，推導其 Classification Rule（同時含 封包及 Traffic Pattern matching Rule） 4.推導 Classification 及 Scheduling 演 算法預估其 Complexity，試作其中部 份程式。 整體進度：42％。（以二年為期） 總計畫工作項目及進度 第一年 1.收集研讀相關文獻，收集產業資訊及 Freeware 並定期討論 2.完成整合測試平台規劃設計、部分建 置及測試方法建立。 3.初步測試各子計畫界面互通性。 整體進度：35％。（以二年為期） 其中總計畫進度落後主要原因與 原申請之研究群中有一子計畫未獲通 過而需重新整合有關，今年內將加速 趕上進度。