摘要 :

　　由於光纖技術的成熟,使得通訊介質的傳輸速度不再是網路效率的瓶頸,如同 將多媒體的傳輸資料,如聲音,影像,文字,圖形,以及高速的分散式計算環境等整合於同一網路(寬頻整合式數位網路,BISDN) 已成為目前學術界和工業界最關心的課題,隨著非同步傳輸技術(Asynchronous Transfer Mode) 的提出,多媒體通訊服務更顯得可行和具昅引力。然而因為傳輸技術的不同以及多媒體資訊彼此不同的品質需求和交通特性,在ATM 網路上真正實現多媒體通訊應用之前,仍有相當多的問題有待克服。

　　本計畫是由陳文村教授領導,計畫的宗旨是要建立一個在由ATM 交換網路連結的FDDI LANs 上的多媒體應用環境,以利使用者在其上建立自己的多媒體通 訊網路服務。為了驗證並評估這個多媒體應用環境,我們並預定在其上提供 Computer Supported Cooperative Work (CSCW) 的通訊服務。鑒於 多媒體應用環境的成熟,為了增加多媒體應用的多樣性,在計畫的第三年我們擴充 原有的計畫內容,增加ATM 高速網路上的多媒體遠程教學環境與多媒體文件存取 協定等兩個研究子題。

　　為因應計畫目標的複雜性,我們利用模組化的設計方法,將計畫分成下列六個 子計畫：
子計畫(一)：多媒體應用環境與ATM 交換網硌研究與設計(陳文村教授主持)。本計畫將建構一個多媒體的應用環境,並探討ATM 網路的交換 架構設計和交通流量控制問題。
子計畫(二)：高效能傳輸層協定之設計與實作(黃能富教授主持)。 本計畫將提供一個適合多媒體的應用與高速網路環境。
子計畫(三)：網路模式建立與效率評估(林華君教授主持)。 本計畫將建立網路模式及效率評估,並製作網路管理系統。
子計畫(四)：適應網路環境之視訊壓縮技術研究(王家祥主持)。 本計畫將研究如何配合多媒體應用與高速網路環境,設計適當的 影像壓縮技術。
子計畫(五)：架構在ATM 高速網路上多媒體遠程教學環境之設計與建 立(劉德明教授主持)本計畫將研究在高速網路環境中架設遠程教 學系統。

　　在本年度中,我們預計完成下列工作： 我們將藉著本年度計畫結果,將CSCW的雛型移至ATM網路上,並且擴充其功能。 在第三年中,我們將執行系統的整合,測試,並完成下列工作：
(1) 在ATM網路上提供完整的多媒體應用環境並建立完整的CSCW多媒體應用服務。
(2) 實現以ATM 網路為基礎的高速通訊平台。
(3) 建立ATM 網路上的多媒體網路管理系統。
(4) 實現適用於ATM網路上多媒體傳輸的影像壓縮環境。
(5) 提出在ATM 網路上架設遠程教學系統的有效方案。
(6) 制定一套適用於ATM 網路的多媒體文件標準。

子計畫一 : 多媒體應用環境與ATM 交換網路研究與設計

　　如何在高速的ATM(Asynchronous Transfer Mode) 網路上提供多媒體 (Multimedia)資訊交換的應用服務,例如影像電話,視訊會議等,已成為學術界 和工業界最為關心的課題之一。為了使得交通特性(traffic characteristic), 品質要求(quality requirement)和通訊模式(communication mode) 迴異於以往的多媒體資訊交換應用能夠順利整合於單一網路上,傳統的網路架構 和通訊協定須做大幅度的修改。另外關於多媒體資訊特性的研究,視訊壓縮技術 的研究等均是重要的相關領域。國立清華大學資訊科學研究所擬結合多位教授和 博、碩士研究生將展開一為期三年的計劃,投入上述問題的研究和相關系統的建立。

　　本子計畫為整個計畫的第一子計畫,由陳文村教授所領導。我們的目標是要在 由 ATM交換網路所連結的 FDDI LAN 上建立多媒體的應用環境,以利使用者在 其上建立自己的多媒體通訊服務。為了驗證並評估這個多媒體應用環境,我們並 將在其上提供 “Cooperative Work ”的通訊服務。因為目前的ATM交換機 其價格太過昂貴,在計畫初期,我們將首先利用FDDI router 來連結FDDI LAN。 根據目前工業界的發展進度,我們預期明年16個port的155 Mbps ATM交換機 將可便宜問世,屆時失們將建立真正的 ATM 網路系統。

　　本子計畫的工作分為二個部份：第一個部份是規劃網路應用層的多媒體通訊 環境。第二部份,是在探討ATM網路上Cell Layer的定序問題和Adaption Layer 的連線建立問題。我們的工作時程將做如下的安排：

第一年：
(1)研究媒體資訊的連線建立模式。
(2)設計多媒體連線通訊協定。
(3)研究不同資訊的同步傳送和顯示問題。
(4)在FDDI 網路上,建立多媒體的應用環境,並設計其應用雛型。
(5)對ATM多工器提出有效率且能夠保證品質的分封排序演算法。
(6)當廣播式交換網路是由一個Copy網路和一個Knockout Switch組成時, 研究其輸入端之分封排序問題。
(7)提出一個新的 Self-Routing 的廣播式交換網路架構。
(8)評估並比較第(5)與第(6)項之研究成果。

第二年：
(1)探討 Computer Supported Cooperative Work (CSCW)的特性, 以及它對網路傳輸能力的特殊需求。建立CSCW的服務模式,並且在ATM 網路上,實現Cooperative Work 的多媒體應用服務雛型。
(2)除此之外,本子計畫有鑑於ATM網路架構尚處於研究發展之中,如何設計一個低成本、高效率以及適合現有VLSI技術的ATM交換網路系統,更是一個相當 富有挑戰性的基礎研究課題。在設計一個ATM交換網路時,有許多重要的課題 有待研究：
(a)ATM必須提供單點對多點的連線建立,如何建立可機動加入和離開的廣播 式樹狀連線演算法,以達到最佳的網路資源利用率。 (b)進行第一年所提出之廣播式ATM交換網路的效能評估。 (c)如何設計一個具有擴充能力(Scalability)的大型ATM交換網路,以 減少交換網路在擴充時之成本。

第三年：
(1)與傳輸層通訊協定(由第2子計畫負責)進行整合工作。 (2)與影像壓縮技術(由第4子計畫負責)進行整合工作。
(3)與服務品質評估略(由第3子計畫負責)進行整合工作。
(4)在ATM網路上建立多媒體應用環境。
(5)提供Cooperative Work的多媒體應用服務於ATM網路上。
(6)在ATM網路架構基礎研究部分.將針對第二年的研究課題進行評估如下： (a)對可機動地加入和離開的廣播式樹狀連線演算法進行效能的評估與分析。 (b)進行廣播式ATM交換網路之交通流量管制及通訊品質控制。 (c)對具有擴充能力的大型ATM交換網路進行效能的評估與分析。

子計畫二 :高效能傳輸層通訊協定之設計與實作

　　由於近年來光纖技術的成熟,高速網路的發展一日千里,使得每秒數億位元 (Gigabit)的傳輸服務得以實現[1][2][3],新的網路架構也不斷的被提出, 如：LAN/MAN之FDDI,FFOL(FDDI Follow On LAN),DQDB,FDDI-II, 以及以ATM (Asynchoronous Transfer Mode)為交換技術之寬頻整合 服務數位網路(B-SIDN)。而國外已有多項多媒體通訊的應用已經投入大量的 人力與財力,如：多媒體視訊會議,影像電話,以及分散式多媒體環境....等。 然而如果沒有適當的傳輸層通訊協定,(Transport Protocol)來提供多媒 體系統的需求,不但無法有效利用網路資源,甚而降低多媒體通訊的品質。

　　本計劃「高效能傳輸層通訊協定之設定與實作(III)」乃附屬在群體計劃 「適合多媒體應用之高速網路環境研究與設計(III)」之中。擬在高速網路上設 計適用於多媒體通訊系統之高效能傳輸層通訊協定。此通訊協定將提供各種不 同等級的通訊服務,可成為高速網路上發展多媒體系統之平台(Platform)。 本計劃已執行到第三年,前兩年的工作成果與第三年其主要工作內容如下：

第一年工作成果：
(一)研究多媒體通訊的各項服務需求(QoS),以及交通傳輸特性(Traffic Characteristics)。
(二)對於不同影像壓縮演算法的特性,如CBR(Constant Bit Rate)及 VBR(Variable Bit Rate)兩種資料流的同步問題,在高速網路的 傳輸上,已有進一步的考量與研究。
(三)研究多點傳輸通訊(Multicast Communication)在傳輸層上所引發的問題,以及在網路層(Network Layer)的定址(Addressing Problem)問題,提出一有效方法來解決這些問題。其在路徑選擇 (Multi Routing)上所引發的問題將由另一子計劃作通盤的研究與考量。
(四)以一模據程式來評估(三)所提之演算法之正確性與效率。
(五)研讀多國新的傳輸通訊協定(如XTP,HSTP....等),參考其特色,結合 我們的演算法,設計出新的多媒體傳輸協定。
(六)在FDDI工作站(Workatation)網路上實際製作此多媒體傳輸協定雛型。
(七)在FDDI路由器(Router)上實際製作此多媒體傳輸協定雛型。

第二年工作成果：
(一)針對高速網路的特性，研究其在錯誤處理(error control),流量控制 (flow control),速率控制(rate cintrol)以及在廣域網路 (WAN) 上的擁塞問題(congestion control),作一番全面的比較與整理。
(二)基於第一年的QoS分析結果,以BSD Socket Interface為基礎,增加 其控制QoS的功能,讓一般的網路應用程式能直接指定其所需網路提供 的傳輸品質。
(三)提供及時(Real Time)傳輸,及封包同步(Synchronization)控制, 即包含RTP (Real Time Transport Protocol)所提供的功能。
(四)研究新一代網路(如：ATM)的特性,並設計合適的傳輸層協定 演算法,來充分利用新一代網路架構的能力,及提供一個完整的品質服務 (QoS)給上層的多媒體應用系統。
(五)在ATM網路上,分析其交通管理(Traffic Control)方式,並在傳輸層 協定與Socket 界面上,設計交通控制的方法。
(六)在ATM交換層(ATM Switching Layer)上,設計一符合其上下層協定 特性的ATM適應層(ATM Adaption Layer)協定。
(七)基於(六)的ATM適應層協定,改進原有的IP協定,讓傳輸層能透過IP更 有效的在ATM上傳輸,同時避免相容性的問題。
(八)在ATM網路上的工作站,實際製作此多媒體傳輸層協定雛型。
(九)設計以工作站為基礎之ATM-FDDI 路由器上的多媒體傳輸層協定。

第三年工作項目與預期成果：
(一)評估現有的高速網路技術,包含Fast Ethernet,EtherSwitch,FDDI以及 ATM 網路。比較其在多媒體應用的需求下,各種網路的優缺點,提出 一份綜合的報告。
(二)為了提供高效能分散式的計算環境(PVM,MPI),在網路協定(Network Layer Protocol)上,必須考量其分散式的傳輸模式與特性,包括： 路徑選擇(Multicast Tree)、定址(Group Addressing)問題等, 使得其上的計算工作交換協定(Computer Exchange Protocol) 得以有效率的運行。本計劃據提出一份設計與分析的研究報告。 由於ATM網路的頻寬分為三大部分：CBR (Constant Bit Rate)、 VBR (Variable Bit Rate)以及ABR (Available Bit Rate)。 為了讓傳統的應用軟體能夠直接使用ATM網路(User Transparency)。 ATM Fourm定義了一些協定,如：IP over ATM,ATM LAN Emulation, 便是為了這個目的。然而這些協定全部都使用ABR頻寬,沒有善用ATM網路 的特性。一個高效率的傳層協定,除了要設計新的傳輸環境外,更要讓傳統的 應用軟體能直接(User Transparency)取用ATM網路的特性,獲得以往 沒有的品質保障。我們希望從傳輸層上著手,根據應用軟體(Telnet,FTP, RPC等)的特性,來分別使用不同的API做不同的傳輸控制。我們於是有了 如下的工作：
(三)對於ATM Fourm所提之IP over ATM 與ATM LAN Emulation 的標 準,分析應用程式透過ABR 頻寬來傳輸資料,將對ATM 網路造成任何影響。
(四)分析各種常用的傳輸軟體(Telnet,FTP,PRC等)的傳輸特性,並建立簡單 的傳輸模式與轉換模組(Transfor Moudle),並將此轉換模組植入現有的 傳輸層協定中,讓這些常用的傳輸軟體(Telnet,FTP,RPC等)直接透過VBR 或CBR頻寬來使用ATM網路,獲得傳輸品質的保障。 為了在現有的ATM與FDDI連結實驗網路(三個ATM網路,三個FDDI網路)上, 提供多媒體的傳輸環境。我們預計將第二年設計的路由器架構實際製作出來 ,使得多媒體通訊不會受到異質網路環境的影響。其工作如下：
(五)為了製作以工作站為基礎的ATM-FDDI路由器(接續第二年的工作),我們 分析其在ATM-FDDI路由器中可能的交通擁塞情形,並設計一擁塞控制 (Congestion Control)的方法,加入到現有的傳輸層與網路層協定中。
(六)為了使應用程式在ATM 與FDDI 連結網路上的通訊更有效率,我們將實 際在 ATM-FDDI路由器上製作此多媒體通訊傳輸協定,並評估其效能及其 應該改進的地方,作為未來進一步研究的基礎。 本群體計劃在第三年的規劃內,主要是結合其他教授的計劃成果,整合出一 個分散式多媒體的環境。其步驟如下：
(七)結合其他教授的計劃成果,並作細部的調整,達到最佳的績效。
(八)檢討整合的分散式多媒體環境,評估其效能及其應該改進的地方,作為未來 研究的基礎。

子計畫三 : 網路模式與效能分析

　　本計劃「網路模式效率評估」是整合型計劃「適合多媒體應用高速網硌環境 研究與設計中」的第三子計劃。高速網硌中,多媒體應用是最重要的應用之一, 而網路的效率則是影響多媒體傳輸品質的重要因素。本研究計劃之目的為建立 網硌模式及效率評估,以輔助網路規劃並提升網路效率。

　　本計劃考慮的是ATM高速網路多媒體應用環境。為有效建立網路模式,本計劃 將對高速網路的特性及多媒體的用戶需求,從效率評估的觀點加以考量,並據以 建立高速網路模據系統,做為規劃高速網路環境之輔助工具。同時為進行高速 網路效率分析,本計劃將規劃製作高速網路管理系統,收集並分析網路狀況,以提 供網路管理者監督網路系統並提升網路效率的有效工具。

　　本計劃將分三年進行,其主要工作內容如下：
第一年： 研究高速網路特性及用戶需求,並根據整體網路效率重新考量。 建立網路模式,發展ATM高速網路模擬系統。 規劃ATM高速網路管理系統。
第二年： 設計並測試ATM網路之網路管理功能。 設計ATM網路管理系統平台。製作ATM網路管理系統雛型。
第三年： 根據實際測量結果改進網路模式及網路模擬系統。 測試並改進ATM高速網路管理系統。 對高速網路環境效率評估,提出改善網路效能之可行方案。

子計畫四 :適應網路環境視訊壓縮技術研究

　　在過去幾年來,數位視訊與數位電腦的發展使多媒體的使用在今日越來越方便, 而其中最重要的關為數位視訊,一個標準的數位視訊的建立也便成首要的工作， 在今日,各式各樣的數位服務均可透過寬頻整體服務數位網硌(B-ISDN)架於ATM 的方式來傳送然而,ATM技術的複雜性與視訊天生具有的變化性資料量,端點對端 點之QoS的效能將很難估算,為了獲取端點對端點QoS的特性,我們利用前兩年的 時間在ATM與FDDI環境中作了一系統列的實驗,而由於視訊通信的QoS事實上有 賴於網路的效能與終端設備的容量,原始的視訊資料首先被編碼成標準的格式如 H.261,MPEG....等,在由發送端轉成傳輸訊號,接收端再從網路上接收編碼過 的訊號,而網路的傳輸效能便是極重要的因素.在這兩年間,ATM Fonum 與 ANSI XSL3(MPEG)建立ATM上的MPEG 標準,這意味著MPEG2的系統部分 即將成為標準。

　　在第三年的計劃中,我們將集中在編碼延遲(codec delay),packedization 延遲,累積性延遲(propagation delay),錯誤率(error rate)與error resilence....等,視訊方面將從兩方面研究,一為在Parallel Virtual Machine(PVM)環境上建立軟體壓縮/解壓縮,這可當做超高解析度(Super High Definition)的高效能多媒體伺服器,二為非常低資料量壓縮的研究,因 MPEG-4的標準一直要到1997才會有標準草稿提出,且由於ATM 網路經常架於主幹 上,終端常是速度較慢的網路,我們將研究利用object-based的壓縮技術來完成。 由於過去兩年來的研究,使我們獲得許多的成果並發表於國際著名的期刊上。

子計畫五 : 架構在ATM高速網路上多媒體遠程教學環境之設計與建立