在分波多工星狀光纖網路之資料封包排程方法
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(2) 摘要 在分波多工光纖網路的環境下，使用者各自藉由光纖為媒介連結到一個耦合 器，透過其傳輸資料封包，而一條光纖的頻寬又可依據波長被分成多個資料頻 道，提供給多組使用者同時接收與傳輸資料封包之用。為了同時處理多個使用者 的資料頻道分配問題；避免兩組以上的使用者資料封包同時在同一個資料頻道傳 輸而發生衝突，系統需要協定一種資料頻道分配方式來有效的分配頻道給使用 者。 除了資料頻道分配方式之外，我們認為決定各個使用者資料封包的傳輸順序 也是一個值得研究的方向。例如避免兩個以上的相同目的端資料封包同時被傳送 造成碰撞，將其傳送時間錯開，或者優先排程長度短的資料封包，以降低系統整 體平均的封包延遲時間。在本論文中，我們主要討論使用者資料封包的傳輸順序 方法，我們基本上根據最短資料封包優先 (Shortest Message First)，以及考慮各個 使用者接收器的最早可用時間 (Receiver Available Time) 的概念，設計了兩種資 料封包排列順序方式，我們發現將之與資料頻道分配方式結合的排程方法，可以 使平均的封包延遲時間減少。. i.
(3) ABSTRACT A distributed packet scheduling scheme is essential for optical star coupler WDM networks, in order to avoid packet collisions that may occur when two or more packets are transmitted over the same wavelength channel at the same time or sent to the same destination node over different wavelengths simultaneously. Besides, it is important that the scheme is able to achieve high efficiency of throughput. In the thesis, we investigate the effect of packet transmission ordering with some well-known channel assignment schemes on packet delay-throughput characteristics. We assume that each node has a fixed transceiver over one wavelength for access and control and a pair of transmitter and receiver that are fully tunable over all wavelengths for payload. Our scheme involves the method of Earliest Available Time Scheduling (EATS) for channel access that of contiguous destination and receiver available time scheduling for reducing receiver tuning time, and that of our transmission ordering that takes short message first and with grouping and spreading that disperses the schedule of packets of the same length in different algorithm execution cycles achieves the best delay-throughput characteristics.. ii.
(4) 請獻給我最親愛的父母親. iii.
(5) 誌謝. 首先，我要感謝我的家人，尤其是父母親，有你們給我溫暖的家庭，讓我無 後顧之憂的讀書於學業上，並能用盡全力在研究上，才能讓我順利完成碩士學位。 再來，我要感謝我的指導教授 蔡榮宗 老師，在我的碩士生涯中，由於老師 的耐心且拘謹的指導，讓我獲益良多；而且老師對於研究的嚴謹態度，更是為我 在學術研究上豎立良好的榜樣。這篇論文也要感謝老師費盡苦心幫我字句斟酌和 細心修改，才能有如此結果的呈現。同時也要感謝口試委員國立台灣科技大學電 機工程學系 陳俊良 教授及中央研究院資訊科學研究所 陳伶志 教授，在百忙中 撥冗審查本論文，並惠賜許多寶貴意見，讓這篇論文成果更加充實與完整。 此外，感謝網路實驗室的所有成員，感謝哲志學長和佩詩學姐給我許多研究 上的指導與建議；感謝景輝和祚瑋平時對我的幫助及照顧；感謝耀鴻、昇倫及新 進的學弟妹們幫忙平日的瑣事。最後也要感謝系辦的姿婷和宣志，平日有你們的 相伴，讓我在這些日子裡都不孤單，謝謝你們。. iv.
(6) 目錄 附表目錄........................................................................................................................ vi 附圖目錄.......................................................................................................................vii 第一章 緒論................................................................................................................... 1 第一節 研究背景................................................................................................... 1 第二節 研究目標................................................................................................... 4 第三節 論文架構................................................................................................... 8 第二章 系統模型........................................................................................................... 9 第一節 網路架構與系統假設............................................................................... 9 第二節 一般傳送和接收程序............................................................................. 11 第三章 排程方法......................................................................................................... 14 第一節 全域資訊................................................................................................. 16 第二節 Earliest Available Time Scheduling (EATS)........................................... 17 第三節 Contiguous Destination Scheduling (CDS) ............................................ 20 第四節 Earlier Available Receiver Scheduling with Priority (EARSP) .............. 24 第五節 Earlier Available Receiver Scheduling with Group (EARSG) ............... 29 第四章 模擬與討論..................................................................................................... 34 第一節 模擬設定................................................................................................. 34 第二節 模擬結果討論......................................................................................... 35 第五章 結論及未來研究方向..................................................................................... 47 參考文獻....................................................................................................................... 48. v.
(7) 附表目錄 表 3-1 系統各名稱說明 ........................................................................................... 14 表 4-1 模擬實驗中各參數之設定值 ....................................................................... 34. vi.
(8) 附圖目錄 圖 圖 圖 圖 圖 圖. 1-1 2-1 2-2 3-1 3-2 3-3. 網路架構 ......................................................................................................... 2 節點的傳送接收器 ....................................................................................... 10 資料頻道和控制頻道之結構 ....................................................................... 11 排程方法的資料頻道分配以EATS為主之流程圖...................................... 19 排程方法的資料頻道分配以CDS為主之流程圖 ....................................... 23 排程時資料頻道及接收器之情況 (a) 資料頻道產生閒置時間 (b) 資料 頻道無閒置時間............................................................................................ 25. 圖 3-4 資料頻道閒置之情況 ................................................................................... 26 圖 3-5 排程方法的資料封包順序方式以我們所提的EARSP為主之流程圖....... 28 圖 3-6 EARSP之圖例 (a) 原始順序 (b) 根據RAT的值做排序，並使用優先權分 開相同目的端的資料封包 (c) 根據優先權做排序形成最終順序 ........... 29 圖 3-7 排程方法的資料封包順序方式以我們所提的EARSG為主之流程圖 ...... 32 圖 3-8 EARSG之圖例 (a) 原始順序 (b) 根據RAT的值做排序，且將相同目的端 節點的資料封包根據SMF連續排序再一起，形成的最終順序................ 32 圖 4-1 Arrival Rate vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 4，各個資料封包順 序方式與資料頻道分配為EATS結合的排程方法之比較 .......................... 37 圖 4-2 Arrival Rate vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 8，各個資料封包順 序方式與資料頻道分配為EATS結合的排程方法之比較 .......................... 37 圖 4-3 Arrival Rate vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 12，各個資料封包 順序方式與資料頻道分配為EATS結合的排程方法之比較 ...................... 38 圖 4-4. Arrival Rate vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 16，各個資料封包 順序方式與資料頻道分配為EATS結合的排程方法之比較 ...................... 38. 圖 4-5. Arrival Rate vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 4，各個資料封包順 序方式與資料頻道分配為CDS結合的排程方法之比較............................ 40. 圖 4-6 Arrival Rate vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 8，各個資料封包順 序方式與資料頻道分配為CDS結合的排程方法之比較............................ 40 圖 4-7 Arrival Rate vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 12，各個資料封包 順序方式與資料頻道分配為CDS結合的排程方法之比較........................ 41 圖 4-8. Arrival Rate vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 16，各個資料封包 順序方式與資料頻道分配為CDS結合的排程方法之比較........................ 41. 圖 4-9. Tuning Time vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 4，Arrival Rate為 0.00044 且排程方法的資料頻道分配為EATS之比較 ................................ 43. 圖 4-10. Tuning Time vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 8，Arrival Rate為 0.00085 且排程方法的資料頻道分配為EATS之比較 ................................ 43. 圖 4-11. Tuning Time vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 12，Arrival Rate為 0.0012 且排程方法的資料頻道分配為EATS之比較 .................................. 44. vii.
(9) 圖 4-12. Tuning Time vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 16，Arrival Rate為 0.00151 且排程方法的資料頻道分配為EATS之比較 ................................ 44. 圖 4-13. Tuning Time vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 4，Arrival Rate為 0.00047 且排程方法的資料頻道分配為CDS之比較.................................. 45. 圖 4-14. Tuning Time vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 8，Arrival Rate為 0.00097 且排程方法的資料頻道分配為CDS之比較.................................. 45. 圖 4-15. Tuning Time vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 12，Arrival Rate為 0.00144 且排程方法的資料頻道分配為CDS之比較.................................. 46. 圖 4-16. Tuning Time vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 16，Arrival Rate為 0.00192 且排程方法的資料頻道分配為CDS之比較.................................. 46. viii.
(10) 第一章. 緒論. 第一節 研究背景 近年來網路不斷的成長發展，由於網路上的服務和應用愈來愈多，所以對頻 寬的需求也愈來愈大。這些服務和應用像是多媒體系統、網路視訊、網路購物和 線上遊戲，大量地使用影像、聲音和圖片。相關研究 [1, 2] 指出，為了滿足使用 者的使用此類服務或應用的需求，每個使用者大約會使用 1Gb/s 的頻寬。由於同 軸電纜無法如此大量的頻寬需求，所以採用光纖當作傳輸的媒介，且在光纖網路 上的研究也愈來愈多。 一條光纖擁有 30THz 以上的頻寬 [3, 4]，且光纖使用光傳遞資料，訊號衰減 程度比同軸電纜來的低，為了讓許多使用者同時使用同一條光纖進行傳輸，所以 使用分波多工 (WDM: Wavelength Division Multiplexing) 的技術，讓同一條光纖 內同時有多個不同波長的頻道在傳遞資訊，以達到增加容量或頻寬的多工效果。 本論文我們考慮在一個分波多工被動星狀耦合器 (WDM passive star coupler) 光 纖網路的環境 [5]，且此網路有多個節點 (node)，且所有節點透過光纖連接到一 個被動星狀耦合器，如圖 1-1。各個節點為了透過頻道傳送資訊，所以都裝置一 到多個可調的 (tunable) 或固定的 (fixed) 傳送器 (transmitter)，使傳送器調整到 傳送資訊的頻道，且裝置一到多個可調的或固定的接收器 (receiver)，使接收器調 整到接收資訊的頻道。這裡的被動星狀耦合器主要做用是將所有輸入的頻道之光 訊號 (optical signal) 做結合，然後再將結合的訊號廣播輸出到所有節點，各個節 1.
(11) 圖 1-1. 網路架構. 點根據接收器所調到的頻道，擷取結合的訊號中所需要的資訊。 我 們 所 考 慮 的 光 纖 網 路 為 一 個 單 躍 分 波 多 工 網 路 (single-hop WDM networks)，所以一個來源端節點 (source node) 的傳送器，且其目的端節點 (destination node) 的接收器調到相同的頻道，則一個資料封包 (data packet) 可以 從來源端節點直接傳至目的端節點，即來源端節點傳送此資料封包至目的端節 點，其過程不會透過其它節點來間接傳送。以現在分波多工的技術，頻道的數量 會少於節點的數量，而且有兩個以上的節點同時要傳送資料封包到同一個目的端 節點的情況，所以各個節點之間需要透過溝通協調，使用頻道來傳送資訊並避免 上述情況。 為了要處理多個節點的傳送，此分波多工光纖網路需要一個媒介存取控制 (MAC: media access control) 協定，所以媒介存取控制協定目的就是有效的使用頻 道的資源來滿足資料封包的傳輸。媒介存取控制協定提出許多的排程 (scheduling) 2.
(12) 方法，將提出的排程方法分類可成三大類： (1). 隨機存取型的排程方法 (random access based scheduling) [6-9]. (2). 預先分配型的排程方法 (pre-allocation based scheduling) [10-13]. (3). 預約保留型的排程方法 (reservation based scheduling) [14-24]. 隨機存取型的排程方法是採用隨機存取協定 (random access protocol)，像是 ALOHA、slotted ALOHA 和 CSMA，將所有的頻道做為資料封包的傳輸，頻道的 使用依競爭 (contend) 的原則，如果發生碰撞 (collision) 的情況，則必須等待一 段時間後再重傳。預先分配型的排程方法也是將所有的頻道做為資料封包的傳 輸，利用預先定義好的靜態方式 (static manner)，讓資料封包使用特定的資料頻 道去做傳送。預約保留型的排程方法預置一個單獨的頻道為控制頻道 (control channel)，所有的節點透過此頻道傳送各自的資源資訊，所以各個節點需要使用控 制封包 (control packet) 來傳送各自的資源資訊，且控制封包包含目的端節點和資 料封包長度的資源資訊；而其剩餘的頻道為資料頻道 (data channels)，做為資料 封包的傳輸。所以各個節點的資料封包要傳送之前，必須先傳送一個控制封包至 控制頻道，讓所有節點透過控制頻道接收到各節點的控制封包，並瞭解這些欲傳 的資料封包的資訊，接著將這些資料封包根據排程方法依序的傳送，並保證傳送 時，來源端的傳送器、目的端的接收器和資料頻道都是可以使用的。 所以預約保留型的排程方法跟其它兩種類型排程方法相比，較為動態。本論 文我們焦點是預約保留型的排程方法。. 3.
(13) 第二節 研究目標 為了要處理多個節點的傳送，即多個資料封包欲傳輸，並且有效的分配使用 資料頻道的資源滿足多個資料封包的傳輸，所以我們考慮預約保留型的排程方 法，透過排程方法達到上述的目的，並降低網路的平均封包延遲時間 (average packet delay)。 排程方法要考慮到兩種的因素，即資料頻道分配 (data channel assignment) 和 資料封包順序 (data packet sequencing) 這兩種因素。資料頻道分配是為了避免兩 個以上的資料封包同時在同一個的資料頻道傳輸而發生衝突，所以當一個資料封 包分配一個資料頻道傳輸的這段時間，此資料頻道無法分配給其它資料封包傳 輸。有效分配資料頻道給資料封包傳輸，使資料頻道閒置 (idle) 時間減少，也是 資料頻道分配的目的。 資料封包順序是為了避免兩個以上的資料封包同時傳送至相同的目的端而 發生碰撞，所以當一個資料封包傳送至目的端時，其它傳送至相同的目的端的資 料封包則延遲傳送。上述之情況因為排程方法中的資料頻道分配因素，所以資料 封包分配一個資料頻道傳送至目的端，且其它傳送至相同的目的端的資料封包也 會各別地分配一個資料頻道，但是因為延遲傳送的關係，所以被分配的資料頻道 也因此而閒置。為了讓資料頻道的閒置時間避免或者減少，所以上述之情況的閒 置時間應該先排程給不是傳送至相同的目的端的資料封包做傳輸，使得閒置時間 也被使用，更有效的使用資料頻道的資源。所以資料封包順序為排程方法是否能. 4.
(14) 有效的分配使用資料頻道，並降低平均封包延遲時間的重要因素。所以針對排程 方法中的資料封包順序，我們提出幾種方式，使得排程方法能達到上述的目的。 在 [15] 中提出了一個 Earliest Available Time Scheduling (EATS) 的排程方 法，在資料頻道分配因素方面，根據所有資料頻道的使用情況，使用情況因所有 的資料頻道分別傳輸不同的資料封包，導致各個資料頻道傳輸完後，可再使用傳 輸的時間點不同。所以分配一個最早可以做傳輸的資料頻道給資料封包，即排程 方法排程一個資料封包傳輸，都分配一個最早可以使用的資料頻道給此資料封 包。但是 EATS 並有沒針對資料封包順序因素做傳輸順序的變動，即資料封包的 排程順序根據控制頻道所接收到的資訊依序做排程傳輸，使得有效分配使用資料 頻道減少。所以 EATS 的排程方法，我們可以簡化視為一種資料頻道分配的方式。 在 [15] 中又提出了一個 Contiguous Destination Scheduling (CDS) 的排程方 法，使資料頻道分配因素方面，資料封包除了像 EATS 考慮最早可以使用的資料 頻道外，還考慮其資料封包的目的端前一次接收所使用的資料頻道，因為目的端 做接收之前，其接收器需花時間調整到排程分配的資料頻道，所以如果目的端使 用相同的資料頻道接收此次的資料封包，可省掉調整至其它資料頻道所耗費的時 間，使資料頻道的使用比 EATS 更有效。而資料封包順序因素方面，跟 EATS 一 樣，並沒有針對資料封包順序做排程傳輸。所以 CDS 的排程方法，我們也可以簡 化視為一種資料頻道分配的方式。 為了與資料頻道分配的 EATS 方式結合成新的排程方法，所以提出一些資料. 5.
(15) 封包順序的方式的相關論文，以達到有效的分配使用資料頻道，並降低平均封包 延遲時間。 在 [16] 中提出最短資料封包長度優先挑選 (SMF: Shortest Message First) 的方式，多個欲傳送的資料封包依據長度由短至長的順序排列，並按此順序排程 資料封包，與 EATS 的資料頻道分配結合成 SMF-EATS 的排程方法，來達到上述 目的。 在 [18] 中提出 Scheduling Minimizing Idle Time (SMIT)，除了考慮資料封包 長度，也考慮目的端的使用情況，即目的端可以接收的時間點。利用 SMF 的方 式，先排序多個欲傳送的資料封包，依據 EATS 的方式分配一個最早可以使用的 資料頻道 k，再從最短長度的資料封包開始尋找一個資料封包做排程，尋找機制 是根據找到一個資料封包的目的端的使用情況，使資料頻道 k 可以使用並傳送 時，不會因為目的端正接收其它資料封包而無法立即傳送導致閒置，所以減少資 料頻道的閒置時間，即為 SMIT-EATS 的目的。 我們提出一種資料封包順序方式與 EATS 結合為新的排程方法，根據多個欲 傳送的資料封包之目的端使用情況，使資料頻道有效使用減少閒置。此使用情況 為各個目的端接收器因為接收不同的資料封包，導致可再接收其它資料封包的時 間點不同。所以將各個資料封包的目的端可以接收的時間點，由早到晚的順序排 列，使資料封包的目的端最早可以接收資料封包，先做排程傳輸，且 EATS 的方 式分配一個最早可以使用的資料頻道，所以資料封包以最早的時間，開始從來源. 6.
(16) 端傳送資料封包至目的端，使得分配資料頻道因為等待目的端接收完其它的資料 封包而閒置的時間，或者是目的端因為等待分配資料頻道接收完其它的資料封包 而閒置的時間，兩者閒置的時間都因而減少，使得資料頻道更有效的使用，並降 低平均封包延遲時間。 在 [16] 和 [18] 的 SMF 和 SMIT 並沒有針對資料頻道分配為 CDS 的情況下 討論，所以我們除了討論資料頻道分配為 EATS 的排程方法之外，也討論 CDS 方 式的排程方式，使排程方法更有效使用資料頻道，並降低更多平均封包延遲時間。 所以我們所提出的資料封包順序方式，與資料頻道分配為 EATS 結合的排程 方法，因為要將資料頻道分配方式考慮為 CDS，所以我們的資料封包順序的方式 必須改進，滿足 CDS 的目的，使目的端接收器儘可能使用同一個資料頻道的情 況。所以改良的方式則是保留“多個欲傳送的資料封包，依據各個資料封包的目 的端的可使用時間點由早到晚的順序排列＂的概念之外，還將有相同目的端的資 料封包連續排列在一起，使目的端接收器可使用同一個資料頻道，而形成新的一 種資料封包順序方式，並與 CDS 結合成排程方法，並達成上述的目的。 所以我們提出的兩種資料封包順序方式，並與不同資料頻道分配方式結合形 成多個不同排程方法，透過模擬實驗並討論，來證明我們是提出的資料封包順序 方式，能為排程方法達到有效的分配使用資料頻道，並降低平均封包延遲時間的 目的。. 7.
(17) 第三節 論文架構 本論文章節的架構組織如下所述。第二章，我們會詳細說明我們的系統模型 (system model) 和系統的一般傳送和接收程序。第三章，介紹排程方法中使用的 資料頻道分配方式和我們所提出的資料封包順序的方式。第四章，對系統做模擬 實驗並討論其產生之結果。最後第五章，我們會對此論文做出結論及未來研究的 方向。. 8.
(18) 第二章 第一節. 系統模型. 網路架構與系統假設. 我們考慮的系統是在單躍被動星狀耦合器 (Single-Hop Passive Star Coupler) 光纖網路的環境，且是採用了分波多工 (WDM: Wavelength Division Multiplexing) 的技術和預約保留型的協定 (reservation based protocol)。 在此光纖網路環境中包含 N 個節點 (node)，每一個節點利用雙向的光纖連結 到一個被動星狀耦合器如圖 1-1，因為分波多工的技術，使得每一個方向的光纖 都支援 W + 1 個一樣容量 (capacity) 的光波之頻道 (channel)；我們是考慮在預約 保留型協定，所以其中 W 個的頻道做為資料傳輸 (data transmission) 用，稱為資 料頻道 (data channel)，而剩餘的最後一個頻道則是所有節點共享之頻道，用來溝 通協調各個節點欲傳送的資料，稱為控制頻道 (control channel)。 此光纖網路裡的被動星狀耦合器主要作用是將所有輸入的頻道之光訊號 (optical signal) 做結合，然後再將結合的訊號廣播輸出到所有節點，各個節點根 據接收器所調到的頻道，擷取結合的訊號中所需要的資訊。每個節點會裝備一個 固定的傳送器 (fixed transmitter) 和一個固定的接收器 (fixed receiver)，皆用於控 制頻道，所以這兩個裝置都會調到控制頻道的位置且固定住，不再做頻道調校的 動作，以做為控制封包的傳送與接收之用。此外還會有一個可調的傳送器 (tunable transmitter) 和一個可調的接收器 (tunable receiver) ，皆用於資料頻道，並分別地 做資料封包的傳送與接收，在此假設這兩個裝置可調校到所有的 W 個資料頻道， 9.
(19) 圖 2-1. 節點的傳送接收器. 且調校到任意的資料頻道所需時間皆相等，如圖 2-1。以現在分波多工的技術， 頻道數量會少於節點數量。 在資料頻道中，將時間切割成資料時槽 (data slot)，並假設所有資料頻道的 資料時槽是同步的，且一個資料時槽相當於一個固定長度的資料封包的傳送時 間。假設系統節點所產生的資料封包是可變的長度，其長度恰可分為數個固定長 度的資料封包。在傳送可變長度的資料封包，會連續不間斷使用多個資料時槽在 同一個資料頻道，直到使用的資料時槽數量相等於資料封包長度即完成傳送。 在控制頻道中，將時間切割成控制訊框 (control frame)，而控制訊框再根據 系統的節點數量分成 N 個控制時槽 (control slot)。每個控制時槽可存放一個控制 封包 (control packet)，每個控制封包包含目的端節點的位址 (destination node address) 和資料封包的長度的資訊。控制頻道利用分時多工存取 (TDMA: Time Division Multiple Access) 的技術這可以避免控制封包的碰撞 (collision)，代表節 點 i 要傳送控制封包，只能存放在控制訊框中的第 i 個控制時槽內，其中. 10.
(20) 圖 2-2. 資料頻道和控制頻道之結構. i 1, 2,..., N ，如圖 2-2。資料時槽的單位長度跟控制訊框的單位長度可由系統自 行定義且不需要相同，在本論文中是假設資料時槽的長度跟控制訊框中的控制時 槽的長度是相同的。 此外，我們假設來回傳遞延遲時間 (round-trip propagation delay) 是 R 時間單 位，表示從節點送出資訊經過被動星狀耦合器，再到其它節點接收到的這段距離 所需花費的時間，而且假設每個節點都是相同的來回傳遞延遲時間。每個節點的 傳送接收裝置 (transceiver)，即可調的傳送器和可調的接收器，這兩個裝置整調 到分配的資料頻道所需花費的調校時間 (tuning time)，我們皆假設為 T 時間單位。. 第二節. 一般傳送和接收程序. 系統的各個節點分別隨時間產生資料封包至各自的節點佇列 (queue)，且只 有在各個節點佇列首 (head) 的資料封包才能做傳送，即後面進入佇列的資料封 包必須等待較先進入佇列的資料封包傳送完，變成佇列首才能傳送資料封包。各 個節點佇列首的資料封包在傳送前，會各自傳送控制封包至所預先分配的控制時 槽，且一個來回傳遞延遲時間後，各個控制封包到達控制時槽，經過一個控制訊. 11.
(21) 框後，根據各個控制時槽內的控制封包資訊，得知那些節點的資料封包欲傳送， 並根據所使用的排程方法，來決定各個資料封包分配的資料頻道以及開始傳送的 時間點，即完成這一次的排程程序，所以每次控制訊框不一定是所有節點的資料 封包欲傳送，且每次排程的資料封包數量也都不一定。假設是節點 i 要送資料封 包，節點 i 需要先傳送一個控制封包至控制頻道中的所分配好的控制時槽內。在 一個來回傳遞延遲時間後，節點 i 和其它所有的節點都會透過控制頻道接收這個 控制封包。接收到此控制封包後，根據所使用的排程方法來決定節點 i 要分配使 用那一個資料頻道以及何時將節點 i 的資料封包開始傳送。 排程方法的設計通常都會考慮以下三點： 1.. 避免目的端的接收器發生碰撞，也就是同一個時間不會有兩個以上的資 料封包要傳送到同一個目的端。. 2.. 避免資料頻道發生碰撞，也就是同一個時間不會有兩個以上的資料封包 使用同一個資料頻道來傳送。. 3.. 將節點的傳送器和接收器的調頻時間以及來回傳遞延遲時間都考慮到 排程方法中。. 一旦某一個資料封包被決定排程後，在還沒有到傳送時間點之前，欲傳送的 節點的傳送器會事先調到排程方法所分配的資料頻道，而傳送時間點到的時候， 則立即開始傳送資料封包，經過一個來回傳遞延遲時間後，目的端的接收器應該 事先調到排程方法所分配的資料頻道，使資料封包到達目的端時，接收器能順利. 12.
(22) 的接收。 以上為系統的一般傳送和接收程序，其中各個節點是各自獨立排程一樣的方 法，這樣在分散式環境中達到一樣的排程結果，而我們的重點就是排程方法中的 資料封包順序方式，所以不同的資料封包順序方式與不同的資料頻道分配方式所 結合的排程方法，是我們要討論研究。. 13.
(23) 第三章. 排程方法. 當一個控制訊框完後，根據控制時槽所存放的控制封包資訊，瞭解此次欲傳 送的資料封包數量，而排程程式會根據資料封包順序和資料頻道分配來決定資料 封包分配的資料頻道以及從來源端節點開始傳送的時間點。所以為了達到這個目 的，我們需要有關於各個節點的全域資訊 (global information)，而且需要一直維 持這些全域資訊。 系統中的資料封包長度是變動的，所以資料封包長度為 m，相當於 m 個資料 時槽的時間，而且排程此資料封包時，是一次將此資料封包連續不間斷的傳送到 目的端且使用同一個資料頻道。 接下來第一節會介紹全域資訊，第二節和第三節會介紹排程方法中的兩種資 料頻道分配方式，EATS 和 CDS，目的是分配資料頻道給一個資料封包來做排程， 第四節和第五節則是我們所提出的資料封包順序的方式，目的是決定多個欲傳送 的資料封包的排程順序，並與第二節和第三節的分配資料頻道的方式結合形成新 的排程方法。 我們將系統中所有的名稱整理成表格以方便瞭解其作用。 表 3-1. 系統各名稱說明. Name. Statement. 控制頻道. 一個所有節點共享之頻道，用來溝通協調多個欲. (control channel). 傳送的資料，且控制頻道依時間切割成控制訊 框。. 14.
(24) 控制訊框. 根據系統節點數分成 N 個控制時槽，每一個控制. (control frame). 訊框完後，開始排程此次多個欲傳送的資料封 包。. 控制時槽. 節點 i 要傳送控制封包，只能存放在控制訊框中. (control slot). 的第 i 個控制時槽內，其中 i 1, 2,..., N 。. 控制封包. 節點欲傳送一個資料封包前，會先傳送一個包含. (control packet). 資料封包的目的端位址及長度資訊的控制封包 至控制頻道。. 資料頻道. 作為資料封包傳輸之頻道，且資料頻道依時間切. (data channel). 割成資料時槽。. 資料時槽. 相等於一個固定長度的資料封包。我們系統設定. (data slot). 資料時槽的長度跟控制時槽的長度相等。. 調校時間. 每個節點的傳送接收裝置整調到分配的資料頻. (tuning time). 道所需花費的時間。. 來回傳遞延遲時間. 節點送出資訊經過被動星狀耦合器，再到其它節. (round-trip propagation delay). 點接收到的這段距離所需花費的時間，而且假設 每個節點都是相同的來回傳遞延遲時間。. 排程方法. 排程方法根據資料封包順序方式，依序挑選一個. (scheduling). 資料封包並依資料頻道分配方式，分配一個資料 頻道，計算傳送的時間點。. 資料頻道分配. 排程方法中需要分配一個資料頻道給一個資料. (channel assignment). 封包做傳輸。. EATS: Earliest Available Time 一種資料頻道分配的方式，排程時分配一個最早 Scheduling. 可以使用的資料頻道。. CDS: Contiguous Destination 一種資料頻道分配的方式，排程時考慮到目的端. 15.
(25) 的接收器，儘可能讓接收器使用同一個資料頻. Scheduling. 道，以減少調校時間，如果需使用別的資料頻道 則分配一個最早可使用的。 資料封包順序. 將多個欲傳送的資料封包做排程順序，依順序選. (packet sequencing). 擇一個資料封包來排程。. Available 我們所提出的資料封包順序的方式，使排程方法. EARSP:. Earlier. Receiver. Scheduling. 時間減少。. Priority. Available 為我們所提出的資料封包順序的方式，使排程方. EARSG:. Earlier. Receiver. Scheduling. Group. with 在資料頻道分配為 EATS 時，能使平均封包延遲. with 法在資料頻道分配為 CDS 時，能使平均封包延 遲時間減少。. 第一節 (1). 全域資訊. Receiver Available Time (RAT)：RAT 是一個 N 個欄位的陣列資訊， 每一個節點有一個欄位。例如： RAT [i ] n ，其中 i 1, 2,..., N ，代 表節點 i 的接收器在 n 個資料時槽的時間後將是可以使用的。假設 n 0 ，代表節點 i 的接收器現在是閒置的 (idle)。RAT 的存在是要. 避免節點的接收器發生碰撞，若 RAT 的值是大於零，則 RAT 的值 每經過一個資料時槽，會自動遞減 1。. (2). Channel Available Time (CAT)：CAT 是一個 W 個欄位的陣列資訊， 每一個資料頻道有一個欄位。例如：CAT [k ] m，其中 k 1, 2,...,W ， 代表 資料頻道 k 在 m 個資料時槽的時間後是可以使用。假設. CAT [k ] 0 ，代表資料頻 k 現在是可以使用的。CAT 的存在是要避 16.
(26) (3). Destination Channel (DC)：DC 是一個 N 個欄位的陣列，每一個節點 有一個欄位。例如： DC[ j ] k ，其中 j 1, 2,..., N 和 k 1, 2,...,W ， 代表到目前為止，節點 j 的接收器所接收的最後一個資料封包是在 資料頻道 k。DC 的存在是要有效避免目的端的接收器調整資料頻道 的調校時間，排程方法的資料頻道分配方法以 CDS 為主時，會使用 此陣列資訊。. 第二節. Earliest Available Time Scheduling (EATS). EATS [15] 提出排程方法中的一種資料頻道分配的方式，主要是分配一個最 早可以使用的資料頻道，給經排程方法而挑選出來的一個資料封包做傳輸之用。. EATS 需要用到全域資訊中的 RAT 和 CAT，而 DC 不需要，且因為沒有使用到 DC 陣列的資訊，所以接收器沒有辦法記錄上次接收資料封包所使用資料頻道， 使得接收器每次要接收一個資料封包，都必須花費調校時間調整到此次所分配的 資料頻道，排程方法的資料頻道分配以 EATS 為主，其概念如下：. (1). 一個控制訊框完後，假設有 n 個資料封包要傳送，然後從這 n 個資 料封包中挑選一個資料封包，而挑選的方法根據所使用的資料封包 順序方式，如資料封包長度最短的優先挑選 (SMF: Shortest Message. First) 的方式，或者其它所提出來的資料封包順序方式 (我們在後面. 17.
(27) (2). 根據資料封包順序從中選擇一個資料封包。. (3). 上一個步驟決定一個資料封包後，接下來要分配一個資料頻道來做 排程傳送，分配的方式就是以最早可以使用的資料頻道，假設我們 要分配一個最早可以使用的資料頻道 k ，則必須符合以下條件：. CAT [k ] CAT [n], n k , 1 k , n W ，也就是說資料頻道 k 剩最 少時間單位將可以被使用。如果多個資料頻道有相同的最少時間單 位，則根據資料頻道編號數最小的，分配其資料頻道。. (4). 當決定哪一個資料封包及資料頻道來做排程後，接下來要計算來源 點傳送時間點和目的端接收時間點。所以首先定義 r RAT [ j ] T ，. r 是時間代表目的端節點 j 可以準備接收此次的資料封包的時間，且 已經將目的端節點 j 的接收器調到剛分配的資料頻道，T 為調校時 間，目的端節點的接收器會花 T 時間單位調整到分配的資料頻道。. (5). 再來設定 t1 max(CAT [k ], T ) ，和 t2 max(t1 R, r ) ，其中 t1 代表 來源端節點 i 最早可以在資料頻道 k 傳送資料封包的時間點，而 t2 代 表目的端節點 j 的接收器已經準備在資料頻道 k 接收資料封包，這 兩個時間點都考慮到調校時間 T，且也考慮到來回傳遞延遲時間 R 和資料頻道可使用的時間。. 18.
(28) (6). 排程來源端節點 i 的開始傳送時間點在 t2 R 。. (7). 排程後即可更新 RAT 陣列跟 CAT 陣列，使得 RAT [ j ] t2 m ，且 CAT [k ] t2 R m ，其中 m 代表此次所選擇的資料封包的長度。. (8). 重覆步驟 2 到步驟 7，直到所有資料封包都已排程完畢即結束排程。. 將上述的概念，即排程方法的資料頻道分配為 EATS，以流程圖的方式表達， 如圖 3-1：. 圖 3-1 排程方法的資料頻道分配以 EATS 為主之流程圖. 19.
(29) 第三節. Contiguous Destination Scheduling (CDS). CDS [15] 提出排程方法中的一種資料頻道分配的方式，主要的設計目的就是 要避免或是減少目的端節點的接收器因調整資料頻道所耗費的調校時間，使目的 端節點儘可能使用同一個資料頻道，讓系統的整體平均封包延遲時間更為減少。 在前一節的 EATS，因為目的端的接收器沒有使用到 DC 陣列，所以接收器 沒有辦法記錄上次接收資料封包所使用資料頻道，使得每次目的端接收資料封包 時，目的端節點的接收器都必須花費調校時間調整到此次所分配的資料頻道，換 句話說目的端節點的接收器在連續接收兩個資料封包之間會花至少調校時間 T， 用在調整到所分配的資料頻道，即使這兩個資料封包被分配使用同一個資料頻 道，也是一樣要花費調校時間 T。 在系統負載 (load) 較低時，大部份的接收器都是處在閒置 (idle) 的情況， 所以當來源端的傳送器在調整到所分配的資料頻道時，目的端的接收器也正調整 到所分配的資料頻道，使得兩者的調校時間是重疊的。當系統的負載越來越大 時，在來源端的傳送器可以傳送資料封包之前，要考慮到調整到分配的資料頻道 所花費的調校時間，但目的端的接收器可能正接收之前排程的資料封包，或是所 有資料頻道都被使用傳輸之前排程的資料封包，使得資料封包無法傳送，且目的 端的接收器又需要調整到分配的資料頻道，使得來源端必須多等待這段調校時 間，所以讓目的端的接收器使用的前一次分配資料頻道，省掉調校時間，讓來源 端儘早傳送資料封包到目的端，即是 CDS 目的。. 20.
(30) 所以 CDS 跟 EATS 一樣需要用到 RAT 跟 CAT 這個全域資訊的陣列外，還需 要用到 DC 這個陣列。排程方法的資料頻道分配以 CDS 為主，其概念如下：. (1). 一個控制訊框完後，假設有 n 個資料封包要傳送，然後從這 n 個資 料封包中挑選一個資料封包，而挑選的方法根據所使用的資料封包 順序方式，如資料封包長度最短的優先挑選 (SMF: Shortest Message. First) 的方式，或者其它所提出來的資料封包順序方式 (我們在後面 本章第四節和第五節所提出的 EARSP 和 EARSG)，來排序這些資料 封包，並且決定挑選的順序。. (2). 根據資料封包順序從中選擇一個資料封包。. (3). 上一個步驟決定資料封包後，接下來要挑選一個資料頻道來做排 程，但跟 EATS 不同的是，除了考慮以最早可以被使用的資料頻道， 還要考慮被排程的資料封包的目的端上次使用的資料頻道，讓這兩 個資料頻道來比較，選擇較有利的資料頻道，符合避免或是減少目 的端節點的接收器因調整資料頻道所耗費的調校時間。所以設定 t1 max(CAT [k ], T ) 和 t2 max(CAT [ DC[ j ]], T ) ，其中 t1 代表來源端. 節點 i 最早可以在資料頻道 k 傳送資料封包的時間點， t2 代表來源 端節點 i 最早可以在資料頻道 DC[ j ] 傳送資料封包的時間點，其中. DC[ j ] 是目的端節點 j 的上一次使用的資料頻道，也考慮到來源端 節點的傳送器調整到資料頻道所花費的調校時間 T。. 21.
(31) (4). 假如我們分配資料頻道 DC[ j ] 來做傳輸，則來源端節點 i 將開始傳 輸在時間點 t2 ，而且資料封包到達目的端節點 j 在時間點 t2 R ，R 為來回傳遞延遲時間。假如 t2 R RAT [ j ] T ，代表目的端節點 j 根據 DC[ j ] 使用前一次資料頻道接收資料封包的時間點，比使用其 它資料頻道接收資料封包的時間來得早，因為目的端節點的接收器 不需要調整到其它資料頻道而花費調校時間，所以分配資料頻道. DC[ j ] 來做傳輸比較有利。其中 t2 R 等於 RAT [ j ] 時，代表目的端 節點接收完之前的資料封包，可立即接收此次排程的資料封包，避 免調校時間 T，而 t2 R 介於 RAT [ j ] 和 RAT [ j ] T 之間時，代表目 的端節點接收完之前的資料封包，但資料頻道 DC[ j ] 還被其它資料 封包使用，所以會閒置才開始接收此次排程的資料封包，但是比調 整到其它資料頻道才開始接收來得快，相對減少調校時間所耗費的 閒置時間。如果 t2 R RAT [ j ] T ，代表分配最早可使用的資料頻 道 k 來做傳輸的時間點比使用資料頻道 DC[ j ] 來做傳輸的時間點來 得早，所以分配最早可使用的資料頻道 k 比較有利。. (5). 排程來源端節點 i 的開始傳送時間，如果是分配資料頻道 DC[ j ] ， 時 間 點 為 t2 ， 否 則 分 配 最 早 可 使 用 的 資 料 頻 道 k ， 時 間 點 為 t3 max(t1 , RAT [ j ] T R) 。. (6). 排程後即可更新 RAT 陣列、CAT 陣列和 DC 陣列，如果是分配資料. 22.
(32) RAT [ j ] t2 R m ，且 CAT [ DC[ j ]] t2 m ，如果是. 分配最早可使用的資料頻道 k， DC[ j ] k ， RAT [ j ] t3 R m ， 且 CAT [k ] t3 m ，其中 m 代表此次所選擇的資料封包的長度。. (7). 重覆步驟 2 到步驟 6，直到所有資料封包都已排程完畢即結束排程。. 將上述的概念，即排程方法的資料頻道分配為 CDS，以流程圖的方式表達， 如圖 3-2：. 圖 3-2. 排程方法的資料頻道分配以 CDS 為主之流程圖. 23.
(33) 第四節. Earlier Available Receiver Scheduling with Priority (EARSP). EARSP 為一種我們所提出來的資料封包順序的方法，在前面的第一節和第二 節的方法，其主要目的是在分配一個資料頻道做排程，而我們所提出來的方法的 主要目的則是要排序多個欲傳送的資料封包。排程方法都必須考慮到資料頻道分 配和資料封包順序這兩種因素，所以我們提出的資料封包順序方式都要結合資料 頻道分配方式，形成新的排程方法。資料封包順序的重要性，主要是要能有效的 利用資料頻道，減少浪費的閒置時間。假設排程方法已經選擇一個資料封包和分 配一個資料頻道，如果所選擇的資料封包的目的端正在接收之前排程的其它資料 封包，則會浪費時間等待其它資料封包傳送，而且也浪費資料頻道在這段等待而 閒置的時間。 所以如何排序而減少資料頻道閒置時間，使平均封包延遲時間降低是我們資 料封包順序方式的目的，而我們的概念是將多個欲傳送的資料封包，依據各個資 料封包的目的端的可使用時間點由早到晚的順序排列。假設以 EATS 為資料頻道 分配的方式，且忽略調校時間 T 跟來回傳遞延遲時間 R，設定來源端節點 i 在最 早可使用的資料頻道 k 的傳送時間點為 t1 max(CAT [k ], T )，因為不考慮調校時間 所以可以將 T 忽略，所以簡化 t1 CAT [k ] ，而目的端節點 j 在資料頻道 k 準備接 收資料封包的時間點為 t2 max(t1 R, r ) ，同樣不考慮調校時間和來回傳遞延遲 時 間 ， 所 以 將 T 和 R 忽 略 ， 所 以 簡 化 r RAT [ j ] T r RAT [ j ] ， 且. 24.
(34) 圖 3-3. 排程時資料頻道及接收器之情況 (a) 資料頻道產生閒置時間 (b) 資 料頻道無閒置時間. t2 max(CAT [k ], RAT [ j ]) ，所以開始傳送時間點為 t2 ，經過簡化後可觀察出開始. 傳送時間點跟 CAT [k ] 和 RAT [ j ] 有關，因為資料頻道分配方式為 EATS ，所以. CAT [k ] 一直是找出最早可利用的資料頻道 k，而 RAT [ j ] 要儘量選擇較小的值，即 較早可以使用的接收器。當圖 3-3 (a) 情況發生，資料頻道 k 如果必須等待目的端 節點 j 的接收器能被使用，才能開始傳送而產生的閒置時間，也因 RAT [ j ] 為最早 可使用的接收器而使閒置時間減少，而 (b) 情況發生，則避免閒置時間。 所以我們的資料封包順序概念就是從多個欲傳送的資料封包中，根據各個資 料封包的目的端所對應的 RAT 陣列，儘可能選擇 RAT 值最小的資料封包，即選 擇最早可以使用的目的端節點的接收器，讓開始傳送時間點儘可能是最早的，使 得資料頻道的閒置時間減少或避免。此外為了使我們的資料封包順序方式結合資 料頻道分配方式所產生的排程方法能降低系統整體的平均封包延遲時間，所以上 述的概念會做修改，使排程方法達到最佳的效能。 資料頻道分配的方式為 EATS 時，假設有兩個相同的目的端節點的資料封包. DP1 和 DP2 要連續排程傳送，且有兩個資料頻道 w1 和 w2 都是可以使用，排程資料 25.
(35) 圖 3-4. 資料頻道閒置之情況. 封包 DP1 使用資料頻道 w1 傳送，而資料封包 DP2 使用資料頻道 w2 傳送，資料封包. DP2 會因為資料封包 DP1 正傳送給相同的目的端節點而無法傳送，要等待資料封 包 DP1 傳送完才能開始傳送，且這段等待的時間資料頻道 w2 也因為分配給資料封 包 DP2 使用必須閒置無法傳送，如圖 3-4，所以應該將資料頻道 w2 的閒置的時間 先排給其它的資料封包做傳送，讓閒置的時間減少達到降低平均封包延遲時間的 目的，所以透過此情況，產生 EARSP 資料封包順序方式，將到相同目的端節點 的資料封包利用優先權的方法分開而不連續的傳送，使得 EARSP 結合 EATS 的 排程方法能降低系統整體的平均封包延遲時間。 雖然 EARSP 是因為資料頻道分配是 EATS 而產生，但是也可以用到 CDS， 所以除了全域資訊中的 CAT 跟 RAT 陣列，如果資料頻道分配是考慮 CDS，還會 用到 DC 陣列。排程方法中的資料封包順序以我們所提的 EARSP 為主，其概念 如下：. (1). 一個控制訊框完後，假設有 n 個資料封包要傳送，所以必須將這 n 個資料封包做排序。. (2). 根據這 n 個資料封包的目的端所對應的 RAT 陣列的值，由小到大做 排序，所以資料封包所對應到的 RAT 陣列的值越小的越先被挑選做 26.
(36) 排程，即資料封包的目的端節點的接收器越早可以使用越優先做排 程。如果排序時有相同的 RAT 值時，再根據資料封包的長度排序， 長度越短的排序越前面。. (3). 設定所有資料封包的優先權 (Priority) 皆為 1，1 為最高，2 次之， 依此類推。. (4). 將相同目的端節點的資料封包利用優先權的方式分開而不連續的 傳，且利用資料封包長度來區分優先權，資料封包長度最短，其優 先權最高為 1，長度次短，其優先權則加 1 變成 2 為次高，依此來 設定優先權，使相同目的端節點的資料封包不會有相同的優先權。. (5). 當資料封包的優先權都設定完成後，再根據優先權做最後的排序。 排序的順序一定是 RAT 值最小且優先權最高為最優先，所以 EARSP 的資料封包順序方式到這已經完成。. (6). 根據 EARSP 所排序好的資料封包順序，依序選擇資料封包做排程。. (7). 選擇一個資料封包後，再根據系統的資料頻道分配是 EATS 方式或 是 CDS 方式，做資料頻道的分配和計算開始傳送的時間點以及全域 資訊的更新。. (8). 重覆步驟 6 到步驟 7，直到所有資料封包都已排程完畢即結束排程。. 將上述的概念，即排程方法的資料封包順序方法為我們所提的 EARSP，以流 程圖表達，如圖 3-5：. 27.
(37) 圖 3-5. 排程方法的資料封包順序方式以我們所提的 EARSP 為主之流程圖. 用一個簡單的圖例來表達 EARSP 資料封包順序方式的排序過程，如圖 3-6：. DP#代表資料封包的編號，S 代表來源端節點，D 代表目的端節點，Len 代表 資料封包的長度，圖 3-6 (a) 的 DP1 的來源端節點為 1，目的端節點為 7，資料封 包長度為 5，目的端節點所對應到的 RAT[7]為 1，(b) 根據 RAT 的值來排序，所 以值越小的順序越前面，DP8 和 DP5 及 DP1 到一樣的目的端節點 7，且資料封包. 28.
(38) 圖 3-6. EARSP 之圖例 (a) 原始順序 (b) 根據 RAT 的值做排序，並使用優先權 分開相同目的端的資料封包 (c) 根據優先權做排序形成最終順序. 長度越小的優先權越高，所以 DP8 有最高優先權為 1，DP5 則為次高優先權為 2，. DP1 的優先權為 3，最後在根據優先權來排序，形成 (c) 的結果，所以從最高優 先權開始挑選的資料封包即 DP8，再來是 DP10，依此順序挑選資料封包。. 第五節. Earlier Available Receiver Scheduling with Group (EARSG). EARSG 是我們提出來的另一種決定資料封包順序的方法，前一節的 EARSP 結合 EATS 所產生的排程方法，根據多個欲傳送的資料封包的目的端所對應的. RAT 值來做排序，又將到相同目的端的資料封包依長度給與不同的優先權，以確. 29.
(39) 保兩個以上相同目的端的資料封包不會有相同的優先權。 若將 EARSP 結合 CDS 所產生的排程方法，因為 CDS 使目的端儘量使用同 一個資料頻道，以避免或是減少目的端節點的接收器因調整資料頻道所耗費的調 校時間，所以相同目的端節點的資料封包利用優先權分開而不連續的傳送，且假 設目的端節點記錄上一次使用的資料頻道為 k，這些分開傳送的資料封包之間的 這幾段期間，若其它的資料封包排程分配到資料頻道 k，而且需要調校時間，使 得分開傳送，後面優先權較低的資料封包，要額外增加等待其它資料封包使用資 料頻道 k 的調校時間，或者其它的資料封包要長時間使用資料頻道 k，導致後面 優先權較低的資料封包排程時分配到非 k 的資料頻道，且需要調校時間，使得資 料頻道沒有效率的使用。 為了避免上述情況發生，所以我們提出一種資料封包順序方式，結合 CDS 產生的排程方法，能有效的使用資料頻道，降低平均封包延遲時間。我們將 EARSP 做改良，保留“多個欲傳送的資料封包，依據各個資料封包的目的端的可使用時 間點由早到晚的順序排列＂的概念，將優先權去掉，且相同目的端的資料封包分 群並連續排序，想像成連續到相同目的端的資料封包結合成一個資料封包透過一 個資料頻道，所以沒有調校時間而浪費資料頻道時間，使得資料頻道更有效的使 用，也是成為 EARSG 的想法。 雖然 EARSG 是因為資料頻道分配是 CDS 而產生，但是也可以用到 EATS， 所以除了全域資訊中的 CAT 跟 RAT 陣列，如果資料頻道分配是考慮 CDS，還會. 30.
(40) 用到 DC 陣列。排程方法中的資料封包順序以我們所提的 EARSG 為主，其概念 如下：. (1). 一個控制訊框完後，假設有 n 個資料封包要傳送，所以必須將這 n 個資料封包做排序。. (2). 根據這 n 個資料封包的目的端所對應的 RAT 陣列的值，由小到大做 排序，所以資料封包所對應到的 RAT 陣列的值越小的越先被挑選做 排程。. (3). 如果有資料封包是要送到相同的目的端，依照上一步驟，會是連續 在一起的順序，且資料封包長度越短的排序越優先即完成了 EARSG 的資料封包順序方法。. (4). 根據 EARSG 所排序好的資料封包順序從中選擇一個資料封包。. (5). 選擇一個資料封包後，再根據系統的資料頻道分配是 EATS 方式或 是 CDS 方式，做資料頻道的分配和計算開始傳送的時間點以及全域 資訊的更新。. (6). 重覆步驟 4 到步驟 5，直到所有資料封包都已排程完畢即結束排程。. 將上述的概念，即排程方法的資料封包順序方法為我們所提的 EARSG，以 流程圖表達，如圖 3-7：. 31.
(41) 圖 3-7. 排程方法的資料封包順序方式以我們所提的 EARSG 為主之流程圖. 用一個簡單的圖例來表達 EARSG 資料封包順序方法的排序過程，如圖 3-8：. DP#代表資料封包的編號，S 代表來源端節點，D 代表目的端節點，Len 代表. 圖 3-8 EARSG 之圖例 (a) 原始順序 (b) 根據 RAT 的值做排序，且將相同目 的端節點的資料封包根據 SMF 連續排序再一起，形成的最終順序. 32.
(42) 資料封包的長度，圖 3-2 中 (a) 的 DP1 的來源端節點為 1，目的端節點為 7，資 料封包長度為 5，目的端節點所對應到的 RAT[7]為 1，(b) 根據 RAT 的值，由小 到大排序，且將相同目的端節點的資料封包根據 SMF 連續排序再一起，即為. EARSG 的最終排序，其中 DP8 和 DP5 以及 DP1 有最小的 RAT 值，且到達相同 的目的端節點 7，所以連續排序在一起而且資料封包長度越小的順序越前面，因 此第一個挑選的資料封包為 DP8，再來是 DP5，依此順序挑選資料封包。. 33.
(43) 第四章. 模擬與討論. 本章節將詳細描述我們在模擬實驗中所考慮的模擬設定，並且討論資料封包 順序方式分別與資料頻道分配為 EATS 和 CDS 結合的排程方法，其模擬之結果。. 第一節 模擬設定 我們模擬實驗中的各種參數的設定值為以下所述，系統的節點 N 設定為 100 個，資料封包的長度變動是根據指數分佈 (exponential distribution)，其平均長度 是 80 資料時槽長度，各個節點分別產生資料封包，其是獨立且相同的卜松過程. (independent and identical Poisson processes)，來回傳遞延遲時間 R 為 100 資料時 槽長度，調校時間 T 預設為 50 資料時槽長度，設定控制訊框中的一個控制時槽 相等於一個資料時槽，資料封包根據均勻分佈 (uniform distribution) 產生目的端 節點，將各參數設定值整理在表 4-1，資料頻道我們分別考慮在 4、8、12 和 16 的數量時，各個資料封包順序方式分別與資料頻道分配為 EATS 和 CDS 結合的排 程方法做模擬實驗。 表 4-1. 模擬實驗中各參數之設定值. Parameters. Value. Number of nodes (N). 100. Packet lengths (exponential distribution). Mean 80 data slots. Round-trip propagation delay (R). 100 data slots. Tuning Time (T). Default 50 data slots 34.
(44) 第二節 模擬結果討論 SMF [16] 和 SMIT [18] 的資料封包順序方式是我們比較的對象，簡單說明這 兩種方式，SMF 的方式為多個資料封包，依據長度由短至長的順序排列，從資料 封包長度最短的開始排程。而 SMIT 的方式則是根據資料封包的目的端節點的資 訊，來決定挑選的資料封包做排程。SMIT 的方式步驟如下：. (1). 假設一個控制訊框完後有 n 個資料封包要做傳送，先將這 n 個資料 封包根據先 SMF 做排序。. (2). 選擇一個資料頻道 k，且滿足 CAT [k ] CAT [n], n k , 1 k , n W 的最早可使用的資料頻道。. (3). 找到一個資料封包 i 且此資料封包的目的端節點 j 的接收器的可使用 時間 RAT [ j ] 滿足 max(CAT [k ], T ) RAT [ j ] T ，如果有找到則選擇 此資料封包來做排程，如果沒有找到，則從 SMF 後的資料封包中 選擇最短長度的資料封包來做排程。. (4). 選擇一個資料封包後，再根據系統的資料頻道分配是 EATS 方式或 是 CDS 方式，做資料頻道的分配和計算開始傳送的時間點以及全域 資訊的更新。. (5). 重覆步驟 2 到步驟 4，直到所有資料封包都已排程完畢即結束排程。. 在模擬實驗中，我們考慮資料頻道的數量分別為 4、8、12 和 16，將各個資 料封包順序方式分別與資料頻道分配為 EATS 和 CDS 結合的排程方法做模擬實. 35.
(45) 驗。圖 4-1、圖 4-2、圖 4-3 和圖 4-4 為各個資料封包順序方式與資料頻道分配為. EATS 結合的排程方法，且資料頻道數量分別為 4、8、12 和 16 的平均封包延遲 時間 (average packet delay) 對 arrival rate 的結果，其中封包延遲時間是指資料封 包從一進入來源端節點的佇列開始，到目的端節點接收完畢的這段期間，而 arrival. rate 是指各個節點多久時間會有一個資料封包進入佇列要傳送。從這幾張圖的結 果來說，不論資料頻道數量為多少時，EARSP-EATS 排程方法的平均封包延遲時 間都比其它低，因為根據多個欲傳送的資料封包的目的端的接收器的最早可使用 時間的概念，並利用優先權將相同目的端節點的資料封包分開而不連續的傳送， 使得資料頻道將可能會閒置的時間先排給其它資料封包，減少閒置的時間讓平均 封包延遲時間降低，而且能承受的 arrival rate 比其它排程方法高。. EARSG-EATS 跟 EARSP-EATS 不同的是將相同目的端節點的資料封包連續 的排程傳送，而造成資料頻道閒置，但是還是有根據多個欲傳送的資料封包的目 的端的接收器的最早可使用時間的概念，所以平均封包延遲時間會略為提升。 從這些圖觀察出資料頻道數量越多，系統能承受的 arrival rate 也就越高，簡 單來說相同數量的資料封包給不同數量的資料頻道來傳送，資料頻道的數量越 多，各個資料頻道平均處理的資料封包數量則越少，代表平均封包延遲時間減 少，所以在可接受的平均封包延遲時間內，arrival rate 可以再提升。這些圖的結 果觀察出資料頻道數增加時，這些方法的曲線之間間隔差距會變長，代表隨著資 料頻道的增加，排程方法的好壞更能突顯的出來。. 36.
(46) 圖 4-1. Arrival Rate vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 4，各個資料封包順 序方式與資料頻道分配為 EATS 結合的排程方法之比較. 圖 4-2. Arrival Rate vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 8，各個資料封包順 序方式與資料頻道分配為 EATS 結合的排程方法之比較. 37.
(47) 圖 4-3. Arrival Rate vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 12，各個資料封包 順序方式與資料頻道分配為 EATS 結合的排程方法之比較. 圖 4-4. Arrival Rate vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 16，各個資料封包 順序方式與資料頻道分配為 EATS 結合的排程方法之比較. 38.
(48) 圖 4-5、圖 4-6、圖 4-7 和圖 4-8 為各個資料封包順序方式與資料頻道分配為. CDS 結合的排程方法，且資料頻道數量為別為 4、8、12 和 16，從這幾張圖的結 果來說，不論資料頻道的數量為多少時，EARSG-CDS 排程方法的平均封包延遲 時間都比其它低，CDS 目的就是希望避免或是減少目的端節點的接收器整調資料 頻道所花費的調校時間，使接收器儘可能使用同一個資料頻道，所以 EARSG 將 到相同目的端節點的資料封包形成一組連續順序的排程，使這些資料封包的目的 端節點的接收器會使用同一個資料頻道來傳送，以達到 CDS 的目的，使平均封包 延遲時間降低。. EARSP-CDS 跟 EARSG-CDS 不同的將相同目的端節點的資料封包分開而不 連續的傳送，使得平均封包延遲時間較高，甚至是比其它排程方法高，為了與 CDS 結合的排程方法有降低更多的平均封包延遲時間，所以我們將 EARSP 改良為. EARSG，使得 EARSG-CDS 排程方法符合降低更多的平均封包延遲時間的要求。 從圖 4-5 到圖 4-8 觀察到跟 EATS 方法有相似的結果，資料頻道數量越多， 系統能承受的 arrival rate 也就越高。從圖 4-1 到圖 4-8 觀察到，不論資料頻道數 量為多少時，在相同的平均封包延遲時間，各個資料封包順序方式與資料頻道分 配為 CDS 結合的排程方法的 arrival rate 比 EATS 高，代表能承受較高的 arrival. rate 。所以系統要有較低的平均封包延遲時間，則排程方法的資料頻道分配為 CDS，會對系統最有利，且在我們提出的 EARSG 資料封包順序方式，與 CDS 結 合的排程方法，能使系統平均封包延遲時間降低最多。. 39.
(49) 圖 4-5. Arrival Rate vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 4，各個資料封包順 序方式與資料頻道分配為 CDS 結合的排程方法之比較. 圖 4-6. Arrival Rate vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 8，各個資料封包順 序方式與資料頻道分配為 CDS 結合的排程方法之比較. 40.
(50) 圖 4-7. Arrival Rate vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 12，各個資料封包 順序方式與資料頻道分配為 CDS 結合的排程方法之比較. 圖 4-8. Arrival Rate vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 16，各個資料封包 順序方式與資料頻道分配為 CDS 結合的排程方法之比較. 41.
(51) 隨著科技的進步，硬體的設備也隨時間而改良效能，所以調校時間有可能花 費的時間是越來越少，如此一來對於系統的平均封包延遲時間變化，也是可以討 論，所以我們也進行模擬實驗。圖 4-9、圖 4-10、圖 4-11 和圖 4-12 為各個資料封 包順序方式與資料頻道分配為 EATS 結合的排程方法，且資料頻道數量分別為 4、. 8、12 和 16，平均封包延遲時間對調校時間的結果，這些圖的結果觀察到，不論 資料頻道的數量為多少時，各個排程方法的平均封包延遲時間因調校時間的增加 而增加，且優劣順序並沒有因為調校時間的增加而有所不同。 圖 4-13、圖 4-14、圖 4-15 和圖 4-16 為各個資料封包順序方式與資料頻道分 配為 CDS 結合的排程方法，且資料頻道數量分別為 4、8、12 和 16，從圖 4-13 到圖 4-16 觀察到，跟 EATS 方法相似，不論資料頻道的數量為多少時，各個排程 方法的平均封包延遲時間因調頻時間的增加而增加，EARSG-CDS 排程方法在調 校時間為零，其平均封包延遲時間會比 SMF 的方法高，因為調校時間為零，所 以調整到任何的資料頻道都不需要調校時間，傳送不需考慮調校時間而閒置的情 況，而多個欲傳送的資料封包根據長度排序傳送順序來做排程即可使平均封包延 遲時間降，所以 SMF-CDS 排程方法的平均封包延遲時間比 EARSG-CDS 排程方 法低。 透過模擬結果，觀察到 EARSP 與 EATS 結合的排程方式能減少平均封包延 遲時間，而 CDS 較 EATS 好，所以將 EARSP 改良為 EARSG 並與 CDS 結合，形 成的排程方法，能系統降低最多的平均封包延遲時間。. 42.
(52) 圖 4-9 Tuning Time vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 4，Arrival Rate 為 0.00044 且排程方法的資料頻道分配為 EATS 之比較. 圖 4-10. Tuning Time vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 8，Arrival Rate 為 0.00085 且排程方法的資料頻道分配為 EATS 之比較. 43.
(53) 圖 4-11 Tuning Time vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 12，Arrival Rate 為 0.0012 且排程方法的資料頻道分配為 EATS 之比較. 圖 4-12. Tuning Time vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 16，Arrival Rate 為 0.00151 且排程方法的資料頻道分配為 EATS 之比較. 44.
(54) 圖 4-13. Tuning Time vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 4，Arrival Rate 為 0.00047 且排程方法的資料頻道分配為 CDS 之比較. 圖 4-14. Tuning Time vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 8，Arrival Rate 為 0.00097 且排程方法的資料頻道分配為 CDS 之比較. 45.
(55) 圖 4-15. Tuning Time vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 12，Arrival Rate 為 0.00144 且排程方法的資料頻道分配為 CDS 之比較. 圖 4-16. Tuning Time vs. Average Packet Delay，資料頻道數為 16，Arrival Rate 為 0.00192 且排程方法的資料頻道分配為 CDS 之比較. 46.
(56) 第五章. 結論及未來研究方向. 在本論文中，我們考慮在單躍被動星狀耦合器光纖網路中，為了降低平均封 包延遲時間，需要排程方法達成此目的，而排程方法是由資料封包順序與資料頻 道分配結合而成，所以在已提出的 EATS 資料頻道分配方式，我們提出一種 EARSP 資料封包順序方式，根據“多個欲傳送的資料封包，依據各個資料封包的目的端 的可使用時間點由早到晚的順序排列＂的概念，並將目的端相同的資料封包利用 優先權分開而不連續的傳送，保證相同目的端的資料封包不會有相同的優先權， 將 EARSP 和 EATS 結合為 EARSP-EATS 排程方法。 因資料頻道分配方式 CDS 比 EATS 降低更多平均封包延遲時間，所以我們將. EARSP 改良為 EARSG，將優先權的方式去掉，且讓目的端相同的資料封包排序 在一起形成一組的連續傳送，最後將 EARSG 和 CDS 結合為 EARSG-CDS 排程方 法，使排程方法能降低最多平均封包延遲時間，並透過模擬實驗結果，討論 EARSP 跟 EARSG 的資料封包順序方式和 EATS 跟 CDS 資料頻道分配所有結合產生的排 程方法。 在未來可以研究的方向，如果將控制訊框裡的控制時槽減少，使節點用競爭 的方法來傳送控制封包，且控制訊框時間變少，這樣可減少排程前的閒置時間， 但是要考慮到競爭時所帶來的碰撞，及重傳的問題。另外各個節點都有獨立的佇 列來存放資料封包，且只有佇列頭的資料封包才能做傳送的要求，所以考慮在各 個節點佇列的多個資料封包，變動其資料封包順序。 47.
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