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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
ATM 網路的 VP 動態建立及回復之研究 計畫編號：NSC 89-2213-E-011-016 執行期限：88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日 主持人：黎碧煌 台灣科技大學電機系
計畫參與人員：施勢帆 楊文仁 趙英豪 台灣科技大學電機系
一、中文摘要
ATM 網路中，虛擬路徑的建構方式及 資源管理配置的策略關係著系統運作的效 能。本文利用動態繞徑及動態資源分配的 觀念，提以虛擬路徑為基礎的路徑選擇，
資源分配，最後利用程式模擬取得結果，
與分配固定頻寬虛擬路徑比較。
關鍵詞: 虛擬路徑、利用率、阻塞機率 Abstract
In ATM networks, several strategies in VP- based ATM networks are proposed in this paper, such as the VP routing rule, resources allocation and VP restoration. The concepts of dynamic routing and dynamic resource allocation are adopted to develop our strategies. At last, the comparison with the simulation results of the fixed bandwidth VP's and the analysis.
Key words: virtual path, utilization, blocking probability
二､簡介
在先前的文獻中[1-9]，就傳統的數個 虛擬電路集中加以控制的固定虛擬路徑的 方式，往往因多次呼叫使控制成本增加。
固定頻寬的虛擬路徑因不同的交通流量使 得某些虛擬路徑流量較高，甚至產生阻塞 (blocking)情形，而某些虛擬路徑卻無封胞 在傳遞，造成虛擬路徑利用率降低，整體 網路的阻塞率反而較高等不平衡的現象。
本研究主要的目的是以虛擬路徑之為 基礎，使用動態變動頻寬的方式，提出一 個繞徑及重新繞徑(rerouting)的策略，改善
交通分配不均的情形，減少虛擬電路呼叫 的次數，降低所需的控制成本，達成較高 的利用率及較低的阻塞機率，提升整體網 路的效能。
三､網路架構及策略描述 3.1 資源管理策略
傳統虛擬路徑為基礎的 ATM 網路採 用定論式的資源管理策略[2,4]。本研究採 用動態分配頻寬的資源管理策略，雖然需 要增加額外的控制成本，但可有效的提高 資源的利用率，以及進一步降低連結阻塞 的機率。為了減少在動態調整頻寬所增加 的額外控制成本，我們將分配頻寬以等級 調整，每次增加或減少固定大小之頻寬倍 數，降低資源變動的次數及機率。以下是 描述該策略增加資源及縮減資源的時機及 等級調整方法。
l 增加頻寬
時機：直接虛擬路徑上頻寬不足以提供 要求之服務品質時，即當(RB- rB(v) )>0 時。
調整規則：
if (RB- rB(v) )<= rB (p)
AB=(RB – rB(v) )/stage1 * stage if AB>rB (p)
AB= rB (p) endif
else /* (RB- rB(v) )> rB (p) */
execute rerouting strategy endif
其中:
AB 是增加分配給虛擬路徑的頻寬。
1
是上高斯(upper Gauss)符號。
2
RB 是呼叫建立要求的頻寬。
rB(v)為原 VP 剩餘的頻寬。
rB (p) 為 VP 上實體線路剩餘頻寬。
stage 是頻寬分配的等級。
l 釋出頻寬
時機：VP 之實體鏈路上有別的 VP 需要 提升頻寬，且分配之頻寬高於所需 等級，即當 AB(old)-AB(new)>0 時。
調整規則：將頻寬降低至適當等級。
AB(new)= (AB(old) - rB(v) )/stage *stage 其中
AB(old)為現有 VP 頻寬。
AB(new)為釋放後 VP 頻寬。
AB(old)-AB(new)為將釋出之頻寬大小。
l 釋放虛擬路徑
時機：當虛擬路徑未傳送任何細胞時，
且被要求釋出頻寬至零時。
調整規則：利用 LRU (least recently used) 策略來決定釋放虛擬路徑的順序。
3.2 最小連接成本的計算
在建立一條虛擬路徑時常須考慮其連 接的成本(connect cost)。因此，就連接成本 而言，我們考慮下列幾個因素[1,7,10]：
(i) 鏈路可用頻寬(link useable bandwidth)：
Cij(1) = ( f ( B ) )-β (1)
其中 Cij(1)表來源節點 i 到目的地節點 j
的連接成本[7]，B 為鏈路可用頻寬，β 為反比係數，ｆ( )為轉換成本的函數。
(ii) 實際鏈路的距離(physical link length)：
Cij(2) =η(dia+dab+dbc+...d(n) )
=Σ ｎ
ｋ＝ｉａηdk (2) 其中ηdia為實際鏈路 i-a 在距離為 dia時 的連接成本[7]，η為將實際距離轉為成 本的參數。
(iii) 經過的節點數(hop count)：
Cij(3) =γ( g(Ta)+g(Tb)+g(Tc)... +g(T(m)) )
=Σｍ
ｌ＝ａγg(Tl) (3) 其中γg(Ta)為經過節點 a 所花費的連接 成本[7]，γ為將時間轉換為連接成本的 參數，Ta為經過節點ａ所需增加的延遲 時間，g( )為轉換成本的函數。
(iv) 流量密度(traffic density)：
Cij(4) = αiaλia+αabλab+… +αnλ(n)
= Σ ｎ
ｋ＝ｉａαkλk (4) 其中αiaλia為鏈路 i-a 在流量密度為λia 時的連接成本，α為轉換參數。
綜合上述幾項因素，連接成本的計算方 式可推算為：
Cij = Cij(1) + Cij(2) + Cij(3) + Cij(4)
=Σ ｎ
ｋ＝ｉａ(αkλk +ηdk )+ ( f (B))-
β+γΣｍ
ｌ＝ａg(Tl) (5) 3.3 重新繞徑策略
當直接連接的傳輸路徑無法到達，或 是向系統要求增加頻寬失敗後，進入重新 繞徑程序。首先以最小負載路徑選擇(least loaded routing；LLR) [3,11]尋找替代路徑，
顧名思義即選擇負載最輕的路徑做為傳輸 線路。由本節點內所能掌控的虛擬路徑 中，以兩個虛擬路徑為一組，其終端節點 的虛擬路徑末端節點與目的地節點相同 者，依此方式可以取得幾組的繞路方式。
在這些組別中，每組以較少剩餘頻寬的虛 擬路徑來代表該組的剩餘頻寬。各組的剩 餘頻寬取其大者，當成是此次所決定的替 代路徑。如果剩餘頻寬相同者，則以所經 過最少節點為優先考慮。最後以虛擬通道 的方式建立連結。
3.4 虛擬路徑重整(VP rearrangement)策略 當 直 接 虛 擬 路 徑 無 法 提 供 所 需 之 QoS，且沒有適當的替代路徑時，則進行虛 擬路徑的重整，讓網路上 的資源平均 分 配。由於使用資源保留策略來降低變動頻 寬的次數，即是當資料傳送完成後虛擬通 道釋放，而虛擬路徑不釋放的原則。讓虛 擬路徑保留其頻寬，等待下次被使用。所 以當交通流量改變時，並不會立刻改變頻 寬資源的分佈，等到其它路徑資源不足 時，才使用虛擬路徑重整來取得所需的資 源。
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四､模擬結果分析及討論
系統使用交通模型依據帕松(Poisson) 分佈，也就是 VCCs 到達的機率是獨立事 件與以前發生的情況完全無關，並且為了 表示網路上流量的不平衡，網路上各節點 發出的交通流量並非均勻分佈，而是成一 定之比例產生事件。以下描述模擬系統中 使用的參數：
l 平均要求頻寬(request bandwidth)。
l 平均服務維持時間(service holding time)。
l 平均交通流量密度(arrival rate)。
以上三個參數皆使用 Weibull 分佈，做 為其數據出現的分佈情形。依模擬參數不 同，比較固定配置與動態配置頻寬使用不 同 調 整 等 級 之 結 果 ， 等 級 大 小 分 別 為 5Mbps、10Mbps、15Mbps 和 20Mbps，依 平均要求頻寬、平均服務維持時間和平均 交通流量密度三個不同參數，來分析呼叫 阻塞率、VP 利用率、實體鏈路頻寬佔用率 及 VP 頻寬調整率。為了顯示固定配置與動 態配置頻寬在資源利用上的優缺點，在此 節之參數中不做保留頻寬供回復策略使 用，即保留頻寬容量為零。
依平均要求頻寬變化比較時，在此使 用平均到達的交通流量=160units/sec、平均 服 務 維 持 時 間 =16sec ， 平 均 要 求 頻 寬 1.0Mbps 至 2.0Mbps 做為參數。我們從圖 1 中可看出，動態配置頻寬策略在重載時，
無論使用何種調整等級其呼叫阻塞率仍低 於固定配置頻寬策略，而較小的調整等級 可明顯的有較小之呼叫阻塞率。
0.00%
2.00%
4.00%
6.00%
8.00%
10.00%
12.00%
14.00%
16.00%
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
r equest bandwidth (Mbps)
call blocking rate
Fix Dynamic stage=5Mbps
Dynamic stage=10Mbps
Dynamic stage=15Mbps
Dynamic stage=20Mbps
圖 1 平均到達的交通流量= 160units/sec、
平均服務維持時間=16sec 時，固定與動態 頻寬分配法的呼叫阻塞 vs.平均要求頻寬
依平均服務維持時間變化比較時，使 用平均到達的交通流量=100units/sec、平均 要求頻寬=1.6Mbps，平均服務維持時間從 10sec 至 20sec 做為參數。平均服務維持時 間加長，使得同時在網路傳輸資料量增 大，進而造成如圖 2 中呼叫阻塞率的上昇，
但動態配置頻寬策略阻塞率仍低於固定配 置頻寬策略。
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2.00%
4.00%
6.00%
8.00%
10.00%
12.00%
14.00%
16.00%
10 12 14 16 18 20
holding time (sec)
call blocking rate
Fix Dynamic stage=5Mbps
Dynamic stage=10Mbps
Dynamic stage=15Mbps
Dynamic stage=20Mbps
圖 2 平均到達的交通流量=160units/sec、
平均要求頻寬=1.6Mbps 時，固定與動態頻 寬分配的呼叫阻塞率 vs.平均服務維持時間 依平均交通流量密度變化比較時，在 此使用平均要求頻寬=1.6Mbps、平均服務 維持時間=16sec 時，平均到達的交通流量 100units/sec 至 200units/sec 做為參數。由圖 3 顯示調整等級與呼叫阻塞率成正比，與頻 寬調整成本成反比。但 20Mbps 調整等級之 阻塞率仍小於固定配置頻寬策略。
0.00%
2.00%
4.00%
6.00%
8.00%
10.00%
12.00%
14.00%
16.00%
100 120 140 160 180 200
ar r ival r ate (unit/sec)
call blocking rate
Fixed Dynamic stage=5Mbps
Dynamic stage=10Mbps
Dynamic stage=15Mbps
Dynamic stage=20Mbps
圖 3 平均要求頻寬=1.6Mbps、平均服務維 持時間=16sec 時，固定與動態頻寬分配法 的呼叫阻塞率 vs.平均到達的交通流量
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五､結論
由結果可以看出使用動態頻寬調整策 略將優於固定頻寬，調整等級愈小可以讓 頻寬的使用更有效率，但這些種種的優點 都必需建立在交換機必須耗廢相當多時間 做頻寬調整。
本文雖提 出動態繞徑、動 態配置 頻 寬，對於其中最佳路徑的選擇、調整等級 大小規範、多處故障回復能力和多播回復 處理等值得深入探討的課題，希望能在未 來有更進一步的研究。
參考資料
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