計劃名稱:在差別式服務網路上針對多媒體流量具有優先權的動態頻寬調整機制&在差別式服務網路上的階層式封包分類與排程設計(工研院)

中文計畫摘要：

研究計畫(一)

由於目前差別性服務網路(Differentiated Services, Diffserv) 無法針對個別資料流提供端點對端點(End-to-End)的服務品質。因此本計畫中，我們提出一個在差別性服務網路上，能夠動態調整頻寬分配的機制。我們給予使用者不同的優先權，在頻寬不足的狀況下，讓高優先權的資料流能優先獲得其所需的服務品質，以改進目前差別性服務網路無法針對個別資料流提供服務品質保證的問題。我們以Linux為發展平台，設計一個新的動態頻寬調整機制(Dynamic Bandwidth Adjustment Mechanism, DBAM)架構，可以與使用者的協商根據其需要分配適當的頻寬，並可監控使用者分配到的頻寬是否符合其需求，自動調整頻寬分配。DBAM包含DBC(Dynamic Bandwidth Control)模組，可根據使用者的需求動態調整頻寬分配、RD(Rule Database)模組記錄使用者頻寬分配規則、AI(Application Interface) 模組提供API及Web控制介面給應用程式使用者、RM(Router Manager) 模組用來監控網路流量並丟棄低優先權的封包。

本計畫預計三年完成，第一年設計並建立DBAM的基本架構，第二年完成Traffic Monitoring機制與應用程式API，第三年測試修正完成DBAM系統，並與其他子計畫整合展示。本計畫完成後，將可提供多媒體應用較穩定的網路品質，使得多媒體應用在網路上可以廣泛的運用，並開發更多類型的多媒體應用。

研究計畫(二)
提供服務品質保證是下一代網際網路必須具備的功能，差別式服務網路(Differentiated-Service, Diffserv)即是針對此因素所提出的網路架構之一，該網路網域裡的路由器會利用封包分類(packet classification)決定選擇相對應的封包傳送方式並進行不同的排程(scheduling)處理，以提供不同服務品質的需求。目前可在該網路上提供動態調整頻寬的機制來增加服務的品質，然而，差別式服務路由器後端的動態調整頻寬機制，其實深受前端資料流分類與配置的情形所影響。

本研究主要為開發具有平行處理(Parallel Processing)能力的封包分類架構，使得差別式服務網路的不同資料流分類能更有效率的區分。Rule Table中具有Prefix特性的IPv4 addresses欄位將依其分佈特性將採取不同的處理方式：針對來源端/目的端 IP欄位切割並組合形成至多四組Prefix Segment Pairs記錄在不同的Searching Tables中，處理Query時則依其路徑的順序平行搜尋相對應的Tables，直到找出Prefix最大長度的Rules，整個比對的過程至多將需要4次的Table搜尋時間；當搜尋路徑發生重疊時則需使用Relational Table記錄彼此的相關特性。此外，針對傳統Trie架構以循序處理IP address欄位的方式做改良，以多個平行單元同時處理不同欄位的搜尋，搜尋的過程乃是依小至大的Prefix長度的Table entries做比對，直到找尋出最適當的Rule為止。

本研究大致分為三個階段來完成：第一階段先收集一些相關資訊，逐一比較與分析試圖找出最適合本研究架構的研究方法；第二階段乃是針對不同的欄位特性設計封包分類的平行處理架構；第三階段將進行數學分析與利用模擬器做系統測試與驗證。目前第一階段已完成，第二階段針對Prefix特性欄位的平行處理機制仍在進行中，在未來為期半年的時間內，本研究除了繼續進行更完整的以IP位址為主的Classification，將開始著手有關Storage與Time Complexity的數學分析比較以及最後的模擬驗證。

研究計畫(三)
泛亞研究計劃
早期無線通訊系統的開發，是為了使人們可以在任何地方、任何時間與他人互相通訊，但隨著網際網路（Internet）的普及與無線傳輸技術（Wireless Transmission Technique）的進步，使用者不僅希望在單純的通話及收發簡訊之餘，也能擷取網路上豐富的資源，如E-mail、FTP、多媒體影像資料等等。

就目前以GSM[1]為主的無線個人通訊系統，其資料傳輸速度為9.6Kbps或14.4Kbps，對於擷取多媒體資料時，可能得花上相當多的時間，造成使用者的不便；為了滿足使用者對多媒體資料的需求，GSM系統提出GPRS「整合封包無線服務」[2-4]。由於無線通訊網路的資源原本就有限，當GSM系統同時提供GPRS服務時，其有限的通道將更顯的不足。因此在整合GSM及GPRS系統網路之前，有許多研究報告都是為了解決無線資源不足的問題及改善無線通訊品質，而提出通道配置的方法。

在這些研究報告當中，大都是針對廣義的無線個人通訊系統或GSM系統作討論，鮮少談及GPRS的通道配置，縱使有，也都是將重點放在GPRS的架構及其應用服務範圍，真正在解決GPRS通道配置的問題則著墨很少，更遑論是在GSM與GPRS系統共存的架構下作通道配置了。除此之外，有些通道配置方法並沒有針對不同的服務需求來提供不同的等級服務，亦或者僅是將語音連線視為優先等級高於數據連線，欠缺考慮到數據資料中也有對無線服務品質要求較高的連線。

因此在本次的計畫報告，我們提出一套具有優先權機制的通道配置方法，能針對不同的服務類別提供適當的通道使用，讓優先等級較高的連線可以獲得較好的服務品質，以解決上述問題，並使得系統效能能獲得保障。

我們針對GSM/GPRS無線通訊網路設計一具有優先權（Priority）機制的通道配置（Channel Allocation）方法，對於不同的呼叫要求（GSM Requests及GPRS Requests）及不同的資料型態（即時性與非即時性），作有效率的通道分配，使得高優先等級的呼叫要求之中斷率（Call Blocking Probability）能有效的降低。

我們的方法是將每個Cells內的通道設置兩個臨界值（Threshold），分別為TGSM/GPRS及TGPRS_rt，前者是依據每次GSM及GPRS呼叫要求的多寡作動態調整，後者則是GPRS傳送即時性（real-time）資料所能使用的最大通道值。由於這兩個臨界值的計算都是依據每次呼叫要求的結果作調整，因此能針對不同的呼叫需求量，有效地配置其所需之通道個數，以提高通道使用率（Channel Utilization）。和其他通道配置方法最大的不同點是增加了侵佔性機制的設計，我們將呼叫要求及通道作不同等級的分類，讓高優先等級的呼叫要求（如GSM Handoff Calls）在其通道不足使用的情況下，可以侵佔低優先等級的通道（如GPRS non-real-time Calls）來使用，使得高優先等級的服務品質能獲得保障。

首先，在接收呼叫要求期間統計呼叫需求數量以計算臨界值，然後將通道分配給這次的呼叫要求。由於在GSM/GPRS系統架構下，會有GSM及GPRS的呼叫要求；每一個GSM的呼叫要求都佔用一個通道，而GPRS的呼叫要求則依其資料型態可與其他的GPRS呼叫要求共用通道。

在無線通訊系統當中最不希望發生連線中的呼叫被中斷，因此無論是GSM或GPRS，其交遞連線的呼叫要求（Handoff-Call Request）皆優先於新連線的呼叫要求（New-Call Request）。此外，GSM的呼叫要求和GPRS的即時性呼叫要求是屬於優先等級較高的，因此在我們的架構中設置臨界值的目的即是為了保障這兩種呼叫要求；至於GPRS的非即時性呼叫要求由於優先等級較低，所以其使用的通道將有可能被GSM的呼叫要求搶去使用。

接著我們採用馬可夫鏈（Markov Chain）來建立數學Model做系統的分析，針對不同類別的通道配置結果進行觀察其呼叫要求使用通道的情況，並從數學Model中的狀態機率來定義數值分析公式。此外，我們使用OPNET模擬器來建構我們的網路拓樸，設計各類別之呼叫要求的產生、通道使用狀態及統計分析各種網路的效能，以期驗證我們在數學Model的設計分析。

經由數學分析及OPNET模擬的結果，我們提出幾項建議。在GSM引進GPRS服務初期，由於使用者較少，可先配置較少的通道數予GPRS服務使用，當GPRS使用人數愈來愈多時，則可將通道數加以調整，以滿足其服務品質的要求；此外，GSM的簡訊服務可以GPRS_nrt通道傳送，使得GPRS_nrt的通道使用率增加並降低GSM的通話中斷率；至於服務類別的分類，除了GSM、GPRS_rt與GPRS_nrt之外，可以再增加其他類別的服務。

關鍵字 ：動態頻寬調整，差別式服務網路，多媒體流量，Linux平台，優先權 。