（通信与信息系统专业论文）atm网中流量分配与路由选择的最大流势策略.pdf

浙江大学硕士论文 弋q 弓2 摘要 a t m 网中，流量控制与路由选择，传统做法是将两 者孤五起来，分别单独加以考虑，且流量控制是面向用 户型的。本论文引入了最大流效这个概念，提出了面向 节点的流量控制策略，将a t m 网中流量分配与路由选择 有机地结合起来，并且提出等效链路的概念，使网络用 于额外开销的计算及传输降到一个很低的水平。该种策 略最主要的特性是其高效性及简单性，并且，这种方法 可以用于处理a t m 网中所有类服务，即c b r 、v b r 、a b r 及u b r 。 美；芝i 司：以th 纠，j 者拳才多j ”，；匆恃议峰，稿t 曩。k a b s t r a c t t r a d i t i o n a l l y , r o u t i n ga n df l o wc o n t r o l a r ec a r r i e do u t r e l a t i v e l yi n d e p e n d e n t l yo fe a c ho t h e ri na t m n e t w o r k i n t h i s a r t i c l e ，t h e a u t h o r p r o p o s e an o v e ln o d e o r i e n t e d a p p r o a c hf o rf l o wc o n t r o lb a s e do nad e f i n i t i o no fp o w e r i n t h i s a p p r o a c h ，b a n d w i d t ha l l o c a t i o n a n de n f o r c e m e n ta r e c a r r i e do u tf o rg r o u p so fu s e r sm u l t i p l e x e da tn o d e sr a t h e r t h a nf o re a c hi n d i v i d u a l u s e ra si n p r e v i o u sd e s i g n a n i n t e g r a t e da p p r o a c h t o r o u t i n g a n df l o wc o n t r o li na t m n e t w o r k si sp r o p o s e db a s e d0 nt h ep o w e r f u r t h e r m o r e ，t h e a u t h o rp r o p o s et h ec o n c e p to fe q u i v a l e n tl i n k t h u st h e a m o u n to fc a l c u l a t i o na n dt r a n s m i s s i o nt h a tm u s tb ed e a l e d w j t hi nn e t w o r kw i l 】b ed e c r e a s e dt oav e r y 】o ws t a n d a r d h i g he f f i c i e n c ya n de a s eo fi m p l e m e n t a t i o na r ea m o n gt h e k e y f e a t u r e so ft h i s a p p r o a c h ，a n d t h e m e t h o d o l o g yc a n h a n d l ea l lt h es e r v i c e si na t mn e t w o r k n a m e l yc b r 、 v b r 、a b ra n du b r 浙江大学硕士论文 第一章综述 1 、概述 当今世界正经历着一场信息革命。从信息的产生、存储、传输到处理等各 方面都发生了巨大的变化。要想充分利用这一场革命所带来的科技成果，就需 要我们不断地了解和掌握新系统中有关基础设旋方面的知识。 高速通信网络在这场信息革命中充分体现了其重要性，它不仅主宰着广域 网市场，而且还主宰着局域网市场。公用的和专用的数据网络从以每秒数十k 比 特速率和数百k 比特速率运行的分组交换网络向以高达每秒2 兆比特速率的帧 中继网络发展，现在又向1 5 5 m b p s 或更高速率运行的异步传输方式( a t m ) 网 络发展。 a t m 本质上是一种高带宽、低延迟的交换和多路复用技术，正在被公用的 和专用的网络广泛采用。a t m 同时支持语音、视频和数据。虽然严格地讲，a t m 只是一种数据链路级协议，但由它产生的a t m 技术和网络平台已经成为多种高 速数据通信服务的基础。a t m 既支持交换的连接( 交换虚电路) ，也支持非交 换的连接( 永久虚电路) ，适用于同时需要电路方式和分组方式信息传输能力的 服务。 与先前的通信技术不同的是，a t m 不仅支持像信元中继这样的本征服务， 而且也支持帧中继服务、l a n 仿真服务、i n t e r n e t 协议联网和视频多媒体服务。 可以预计，a t m 服务将把企业网络从纯粹的数据网络转变成一个集数据、语音、 视频和多媒体为一体的企业基础设施。由此可见，a t m 作为信息高速公路的主 要技术将发挥越来越重要的作用。高速网络，特别是代表未来通信发展方向的 必将是a t m 技术。 2 、a t m 网络 a t m 是新一代的网络，是种网络传输协议。也就是说，它是将数据、话 音、视频信号从甲地传送到乙地的一种方式。但a t m 提供的不仅仅是那些基本 的传输能力，它可以： ( 1 ) 、支持专用和公用网络： f 2 ) 、对广域网与局域网采用相同的技术： f 3 1 、在普通线路上传送视频、话音和数据： f 4 1 、按需分配带宽： f 5 1 、提供低成本网络并使用低成本技术： ( 6 ) 、提供一个简化的网络结构： a t m 是信元中继技术( 一种快速分组交换技术) 的国际标准。传统上讲，绝 大多数网络或者是面向电路交换的，适于发送延迟敏感型数据( 如视频和话音) ； 或者是面向分组交换的，用于高速数据传输。电路交换确保端到端传送和应答 时间，但是分组传送时间不同。分组之间不同的延时会导致传输抖动，因此不 适宜同步通信。 a t m 将电路交换的可靠性与分组交换的高效性结合起来，提供了传送各种 类型数据的最好方式。通过简化分组交换技术，a t m 将分组分段为5 3 字节的 信元。这些分组经过转换后，能够以高达每秒g 比特的速度进行传输。这种技 术既能用于校园网，又能用于广域网。 a t m 技术提供一种用一个无缝网络连接从电话到计算机等广泛设备的方 浙江大学顾土论文 法。它消除了局域网与广域网之间的差别，将它们综合为一个统一的网络。该 种技术是以所谓的信元为基础的，而信元是相对较短但长度固定的数据单元。 采用信元将简化a t m 交换机在具有不同传输要求的网络用户之间均匀地共享网 络容量( 带宽) 。相比之下，其它组网技术使用称之为帧的可变长度数据单元。 这些帧的可变长度会导致带宽共享更加复杂，通常也会带来更加昂贵的开销。 在办公室或部门之类的局域网中，a t m 可用于替换或扩大诸如以太网、令 牌环网和f d d i 等l a n 技术。在广域网环境中，a t m 可作为帧中继、x 2 5 或 统计复用器的替代品使用。 在目前，无论在局域网还是广域网，高速以太网得到普遍应用。但a t m 网络是一种比高速以太网更加优越的网络，具体表现在以下7 个方面。 ( 1 ) 、a t m 是面向连接的 以太网是一种在无连接方式下工作的传统技术。无连接意味着从a 到b 的 每一步都必须依靠路由选择来决定。就好像驱车从朝阳区到西城区，路途中的 每个路口都必须停车，每次都买一张相同的地图( 在大多数情况下网络拓扑结 构并不发生变化) ，然后开到下一个路口，重复做同样的事情。同样，从a 到 b 通信的每个分组也是如此。因此，假如从a 到b 发送1 0 0 0 个分组，网络要经 过1 0 跳，最终在这个网络中要做一万次选择! 这简直是浪费。相比之下，一个 端到端a t m 网络是面向连接的，无论通信的长度如何( 1 0 0 0 个分组或1 0 万个 分组) ，每次通信只需一次决定，而这个决定称之为呼叫建立。一旦呼叫在端到 瑞建立，分组( 信元) 就能在不作其它决定的前提下进行流动。就好像在朝阳 区和西城区之间专门开设了一个四车道高速公路一样。如果网路由任何桌面以 太网和骨干网路由器组成，那么上述情况成立。 如果a t m 适于骨干网，那么理想情况当然就是在所有地方都使用一种技 术，不要再想n 跳、下一跳之类的事情，最好采用零跳路由选择，即没有路由 选择。零跳路由选择就是m p o a ( m u l t i p l e p r o t o c o lo v e ra t m ) 。 ( 2 1 a t m 提供更大的m t u ( m a x i m u m t r a n s m i tu n i t ) 以太网m t u 是1 5 1 6 字节。这种m t u 不适合需要更大m t u 的高性能传 送。对i p 业务而盲，a t mm t u 为9 0 0 0 字节以上( 恰好是1 9 2 个a a l 5 信元) 。 ( 3 、a t m 将高性能带到桌面 多种性能评测表明采用a t m l 5 5 的p c 到p c 传送可以高达1 2 0 m b p s 。因此， 这种能力在技术上是可行的。 为了利用这种能力，应用将随时间逐步适应，而a t m 已经为此种应用准备 就绪。相比之下，没有任何快速以太网的标准评估达到4 0 m b p s 以上的速率。 因此我们这里谈论的是对末端用户的一个大骗局：快速以太网比a t m l 5 5 慢1 2 。 在等价端口价格的情况下，这实际上是指a t m 比快速以太网的价格性能比高两 倍。 f 4 1 a t m 提供较低延迟 在交换领域中，延迟是一个主要评判准则，因为交换机的目标并不是一个 处理机，因此它们必须集中精力交换业务量，并且完成得尽可能快。采用f o r e 系统公司的交换机，a t m 交换机的延迟可小至1 2 微秒，而以太网交换的延迟 至少是这个数字的4 倍。为什么a t m 如此快捷? 主要原因是它采用了短固定长 度数据分组( 信元，一种5 3 字节的数据结构) 。比较而言，所有以大网技术( 慢 速、快速、巨速) 均使用从6 4 1 5 1 6 字节的可变长度数据分组。这是交换机自 身的观点，对网络延迟而言( 两个节点之间的端到端通信) ，延迟性能主要取决 浙江大学硕 论文 于a t m 是一种面向连接的技术这一事实。 ( 5 ) a t m 保证服务质量( q o s ) a t m 是为多种服务业务量设计的：原始数据、l a n 、话音、视频和实时业 务量等，总之它是你想要的各种东西。原因是a t m 技术正是为以一种标准方式 囊括它们而设计的。由于在同一种设备中混合不同l a n 业务量会导致设备的处 理器工作更加困难和缓慢，所以以太网技术是为l a n 业务量，而且是为了同类 l a n 业务量( 如i p ) 设计的。这里也没有对任何业务量分配真实的服务质量， 因此需要更大业务量的业务可能会干扰其它表现很好的业务。 f 6 ) a t m 也在l a n 之外工作 a t m 的魅力是其向末端用户提供一种端到瑞的单一技术，从l a n 校园 到该单位的其它端甚至公共w a n ，无论用户采用的是何种以太网，末端用户都 必须能使l a n 和w a n 技术差异的变化协调。这类差异会产生不协调，增加延 迟，并在l a n 边界产生拥塞，与服务提供者的通信不协调( 末端用户与以太网 通话，运营公司与帧中继或a t m 通话) 。 ( 7 ) a t m 扩展企业天地 作为上述论点的展开，企业可考虑建立一个网络，把l a n 和w a n 包含在 一个单一的设计之中。它们的企业设计可以任意延伸。这是一种扩展的企业。 这也是联网应用的基础。例如，一个客户可以实现多媒体应用，该应用可以由 l a n 本地连接客户接入，也可被w a n 远程连接客户接入，所有这些都是透明 的。扩展企业模型也允许客户在不考虑l a n 和w a n 边界的情况下，在全企业 范围内建立虚拟组织机构。当前的网络也允许在一定程度上实现这一点，但代 价是复杂的设计、不一致的技术以及各种长期技术专长等。没有一项单纯统一 的技术，扩展企业简直是太复杂，以致根本无法实现。 因此，a t m 和千兆以太网正在为成为l a n 骨干网征战，我们相信，a t m 将在该网中占主导地位。 1 、a t m 网中连接准许控制的必要性。 a t m 网络必须为每条连接分配适当数量的资源( 例如提供带宽或得到限制 的传输延迟) 。这种分配是在连接建立时进行的，如果连接所需要的资源得不到 满足，a t m 网络将不会接受该连接请求。事实上，只有当a t m 网络具有足够 的资源支持用户所请求的端到端地通过网络的服务质量时，连接才能够被准许 建立。这一点是很重要的。如果在网络的发送端的本地节点有资源，在网络的 接收端的节点也有资源，但通过内部或主干节点的通路不能够提供所请求的服 务质量( q o s ) ，那么陔连接也不会被接受。 服务质量( q o s ) 最关键的方面是确定源节点的交通特征。这个源特征可 以用四个参数特征化。第一个参数是源节点的平均位速率。第二个参数是源节 点能够发送的峰值位速率。这两个参数结合在一起形成a t m 网络中的一个重要 概念：突发性或突性率。术语突发性用以表示峰值比特率跟平均速率的比率。 从语音到压缩视频到局域网数据，突发率可以从1 变到1 0 0 再变到1 0 0 0 ，因而 事先知道突发率的大小是很关键的。对于突发率尚无标准的定义，因为当前对 计算平均位速率的时间跨度还没有标准定义。很显然，在一分钟内对一条连接 计算的平均网络交通率跟在一整天内计算的平均交通率会有很大的差别。 第三个参数是从用户到本地a t m 网络节点的链路的物理位速率。一个用户 作为服务质量参数向网络提出的平均的、峰值的和物理的位速率可以都相同， 部不相同或者都是零。在它们都是零的情况下a t m 论坛定义这种类型的连接 浙江犬学硕上论文 是可提供的位速率( a b r ) 服务。这就意味着在一个特别的时候连接准许过程 确定可以提供什么样的速率，这类连接就能够被分配什么样的速率。 最后一个参数是峰值持续时间。峰值持续时间是源节点能够维持峰值位速 率多长时间的一种度量，这也是在一条连接被接受之前需要知道的一个参数。 知道峰值持续时间连同其他参数使得a t m 网络节点能够确定在任一段时间可以 从一条给定的连接进入网络的信元的最大数量。a t m 论坛提出了峰值持续时f 司 的标准值。当前的建议有0 5 秒、o 7 5 秒、1 2 5 秒或1 5 秒。这些值取自当前的 帧中继网络值。 给出上述四个参数的值和用户的服务类型，a t m 网络就具备了决定是否应 该准许一条连接所需要的所有信息。a t m 论坛的提议允许这些值在连接建立 时，在用户和本地网络节点之间协商。也就是说，请求1 0 m b p s 峰值位速率被 拒绝的连接可以再用修改的峰值位速率5 m b p s 试一试。所有上述参数都是连接 建立时协商的候选项目。 在低速网络中，通常可以等到拥挤发生时再对它进行反应，告诉源节点放 慢发送分组的速度。在高速网络中这个方法常常不顶用，因为在发送通告和通 告到达源节点之间的这段时间内可能又有数以千计的分组到达。 而且，许多a t m 网络具有实时的交通源，它以一种本征的速率产生数据。 告诉这样的数据源放慢速度可能不会有效果，比如让一部正在使用中的以 6 4 k b p s 速率产生数据的数字电话，放慢对网络的输入速度是做不到的。 因此，a t m 网络首先强调预防拥挤的发生。特别是对于c b r ，v b r 和u b r 交通，根本没有动态拥挤控制，预防手段就显得更为重要。防止拥挤的主要工 具是连接准许控制。当一个主机要建立一条新的虚电路时，它必须描述要提供 的交通流和所期望的服务。然后网络检查看是否可能在对现有的连接没有负面 影响的条件下处理这一连接。可能需要查看多条潜在的路由，才能找到能胜任 这一连接的通路。如果找不到路由，呼叫将被拒绝。 对连接请求的否定应当比较公平地进行。如果不加控制，少量的高带宽用 户可能严重地影响许多低带宽用户。为了防止这种情况的发生，用户应当根据 其使用特征划分成类别。服务否定的概率对于所有用户类别应该大体上相同。 与连接准许控制紧密相关的是预先( 通常是在呼叫建立时) 保留资源的技 术。由于交通流描述给出了峰值信元速率，网络有可能要沿通路保留足够的带 宽，以处理那样的速率。带宽保留可以通过让建立连接的s e t u p 报文标记所经 过的每条线路的带宽来实现，当然要保证沿着一条线路所标记的总带宽小于那 条线路的容量。如果s e t u p 报文碰到一条已经满负荷了的线路，那么它必须沿 原路返回，寻找另一条通路。 交通流描述可以不仅包含峰值带宽，而且还包含平均带宽。作为例子，如 果一个主机要求一个1 0 0 0 0 0 信元秒的峰值带宽，但平均带宽仅2 0 0 0 0 信元 秒，那么在原则上5 条这样的电路可以复用到同一条物理干线上。潜在的问题 是如果所有5 条连接空闲半小时，然后开始以峰值速率进发，引起大量信元丢 失。由于v b r 交通流可以统计复用，对于这一服务类型可能发生这样的问题。 2 、a t m 网中流量控制的必要性及措施。 为一条连接保留的带宽数量的下界是连接的平均位速率，上界是连接的峰 值位速率。对于大多数的可变位速率源，它们在活动期内以峰值速率产生信元， 而在静止期内不发送任何信元。利用这种源特性，我们可以在信元被送入网络 之前对它们进行缓存，使得信元离开队列的速率小于它们到达队列的速率，从 浙江火学顾l 论文 而减少源提供到网络的峰值速率( 注意，离开位速率必须大于平均位速率，否 则队列会变得不稳定) 。对连接的峰值速率的修整可以在源设备处进行，也可以 在网络访问点进行。 为了说明整形的效果，考虑连到一个1 6 m b p s 的令牌环的源计算机产生分 组的情况。假定平均分组尺寸是1 0 0 0 字节( 等于8 0 0 0 比特) ，环的带宽利用率 是1 0 ：再假定一次突发由一个分组构成。在这种条件下的活动期和静止期分 别等于0 5 毫秒和4 5 毫秒，即在0 5 毫秒活动期内的峰值位速率是1 6 m b p s ， 平均位速率是1 6 m b p s 。现在我们再考察一种整形后的交通状况。由于交通量 在进入网络之前被缓存，现在的活动期和静止期分别等于2 毫秒和3 毫秒。此 时在2 毫秒活动期内计算的峰值速率是4 m b p s ，平均位速率仍然是1 6 m b p s ( 还 是5 毫秒发一个分组的交通量) ，但峰值位速率跟平均位速率的比由1 0 变成了 2 5 。 因此，交通量在进入网络前整形可以产生明显的减少峰值速率的效果，从 而节省带宽的分配，特别是对于具有高突发性的交通源就更是如此。然而，这 是以延迟用户交通为代价取得的，所以对于时延敏感的交通不适用。在许多情 况下，整形的程度( 减少峰值速率的量) 都受到能够允许的时延量限制。 仅仅有连接准许控制还不足以阻止拥挤，主要原因是用户可能超出在呼叫 建立阶段商定的连接参数范围，因为： 用户可能不知道或低估连接需求。 用户设备可能出现故障。 用户为了少付款可能放意低估他们的带宽需求。 用户可能放意超载网络。 因此，网络必须采取措施，保证源计算机维持在连接建立阶段商定的连接 参数范围内。这一功能称作交通管制或使用参数控制( u p c ) ，驻留在网络访问 点( 即u n i 用户到网络接口) 。管制功能应该尽可能快地检测到违约的源， 并采取适当的动作把过量交通可能引起的危害减至最小。这对于守约的用户应 该是透明的，守约用户产生的交通在其接口处不应被人为地延时。 当一个源被检测到违约时，交通管制功能可以采取的行动包括： 丢弃违约的信元。 将违约的信元放在一个队列中加以延时，使得从队列离开的方式遵从协定。 标正违约的信无，使它们区别于保持在协定的参数范围内的信元，然后在 传输的过程中当发生拥挤时，网络可以区别对待加标记和未加标记的信元 当源开始违反协定时，网络通过通知源违约事实并让其调节发送参数来自 适应地控制交通。 被控制的一套参数是用以特征化一个源的参数。已经提出了多种不同的管 制方法，在多数情况下，所控制的参数包括峰值和平均位速率以及活动期长度。 在u n i 中对各用户的流量控制大致采取两种技术，即漏桶算法和基于窗口 的技术。 漏桶算法的基本思想是一个信元在进入网络之前必须从令牌池得到一个令 牌。一个到达的信元将消耗一个令牌，如果令牌池中至少有一个可用的令牌， 那么到达的信元会立即离开漏桶。令牌以恒定的速率产生并不断放入漏桶。 可以在池中等待的令牌的数目有一个上限，并且在令牌地满的时候到达的令牌 被丢弃。令牌池的尺寸规定了突发长度的上限，并确定可以发送的信元的数目， 从而控制突发长度。可以离开漏桶的信元的最大数目大于池的尺寸，因为在信 6 浙江人学硕1 论文 元到达和消耗令牌的同时，又有新的令牌产生并被放入池中。 除了漏桶机制，还有多种基于窗口的管制机制，用以调节递交给网络的交 通流。下面我们将考察其中的四种，即跳变窗口、触发式跳变窗口、移动窗口 和指数加权式移动平均。 跳变窗口机制在称为窗口的一个固定间隔时间内，对于从一个源接受的信 元数目规定一个上限值r n ，在前一个间隔时间结束之后，新的间隔时间立即开 始。一旦已经接收并传输了m 个信元，所有相继到达的信元都要被丢弃，不允 许它们进入网络。就像漏桶机制那样，在具体的实施中这些额外的信元也可以 被接受，但要加上标记，使用c l p ( 信元丢失优先级) 位使其具有低的优先级。 在跳变窗口机制中，窗口跽源的活动不同步。触发式跳变窗口则不同，它 的窗口由第一个到达的信元触发。因此，在这种机制中相继窗口在时间上不必 连续，而是被到达的信元触发。 触发式跳变窗口和跳变窗口的主要差别是在跳变窗口中一个窗口的开始不 对应一次信元到达，而在触发式跳变窗口中窗口总是以一次信元到达起始。 在移动窗口机制中，跟跳变窗口一样，在一个预定的间隔时间内允许的信 元最大数目是一个常量。两种机制之间的主要差别是在移动窗口中每个信元精 确地占用一个窗口( t 个时间单位) 。因此，移动窗口机制可以解释成沿时间轴稳 定移动的一种窗口。 为了得到违反概率，该机制可以模拟成一个1 t i 服务器队列，服务时间等于 窗口长度。当在系统中有m 个信元时，一个到达的信元将被丢弃。因此，信元 丢失概率等于违反概率。 指数加权式移动平均机制以与跳变机制类似的方式运行。窗口t 的大小是 常量，新的窗口在前窗口结束后立即被触发。两种机制之间的差别是在指数 加权式移动平均机制中，在第i 个窗口期间接受的信元数目m 。从一个窗口到下 一个窗口有所变化。特别是，m i 是在前一窗口中接受的信元数x 一和平均信元 数m 的指数加权和。 3 、a t m 网络中传统的路由选择技术 传统的通信网络结构支持具有同类的简单的服务质量( q o s ) 需求的用户。 a t m 网络必须面向具有不同的、细致的主观q o s 需求的用户。这是通过运行 在各种时间标尺土广泛的网络控制机制得以实现的。在一个面向连接的通信网 络中，在两个端点的用户可以通过网络进行信息传送之前，网络必须沿着条 可接受的通路选择和分配网络资源。在这两个通信的端点用户之间的逻辑联系 称作呼叫。支持一个呼叫的网络资源“链”就是条连接。路由选择是一种呼 叫级的网络控制机制，它在网络中的一个源和一个目的地之间为建立通信确立 一条通路。a t m 网络的路由选择策略不仅要自适应网络拓扑和交通条件的变 化，还要能够提供一个灵活的平台，满足具有多种多样的服务质量的交通需求， 在受到性能、资源和优先级限制的情况下仍然能够有效地进行路由选择。 现有的网络大多数都是存储转发型的分组交换网，报文分组在网络中沿着 它们的通路，在每个节点上被缓存和处理。这些网络的链路速度是每秒若干k 位的数量级。对于这样的慢速链路，主要的设计目标是有效地使用网络带宽。 一般说来，在这些网络中实现的路由选择算法都是某个变种的最短通路算 法，为分组选择一条从源到目的地的最小代价通路。不同变种之间的差别在于 所使用的代价标准。些网络对网络中的每条链路都使用固定的代价，另一些 则采用诸如拥挤、平均时延和链路利用率这样的度量规则。 浙江大学硕l 论文 给出性能标准，路由选择技术可以根据作路由决定的时间和地点来分类。 特别是，路由决定可以按分组进行，也可以按虚电路进行。在数据报网络中， 路由选择是在每个节点为所有到达的分组一个一个地单独进行。虚电路是在两 个要通信的用户之间的一条逻辑连接，它在每个连接请求的基础上建立和释放。 在虚电路网络中路由选择在电路建立阶段完成，属于一条虚电路的所有分组 在网络中走同样的路径。作路由决定的地点在不同的网络中是不同的。在一些 网络中，每个节点都有责任为到达的分组选择一条外出链路；通常人们把这样 的路由选择称为分布式路由选择。而在另一方面，在集中式路由选择中，一个 中心节点负责作所有的路由决定。还有一种不同的路由选择方式，叫做源路由 选择，源节点确定全部通路。 关于网络拓扑所需要的信息数量，比如链路利用率、队列长度和平均延迟 值等，取决于所使用的性能标准和作路由决定的时间和地点。为了选择路由， 一些技术可能根本不使用信息( 即静态路由选择) ，一些技术可能使用本地信息 ( 每个输出链路的队列长度) ，还有一些技术可能需要关于网络的全局信息。 在虚电路网络中，典型的路由选择信息是作为在网络中为每条虚电路唯一 定义的逐条链路的逻辑通道号( l c n ) 给出的。在这种方案中，逻辑通道号为 每条链路独立确定。因此，当逻辑通道号被用作通路标识符时，节点执行表查 询确定输出端口，并把逻辑通道号标记更新成在输出端口中使用的那个值。作 为另一种替代方案，逻辑通道号可以从源到目的地都是唯一的；这样在中间节 点就不需要更新它的值。这两种方案之间的主要差别是逻辑通道号的大小以及 每个逻辑通道号所需要的处理时间。局部定义的逻辑通道号通常较短，因此产 生高的传输效率。这种方案在每条连接的建立阶段都需要在每个中间节点设置 路由选择表。全局逻辑通道号消除了这个问题。然而，这一方案在中间节点需 要大的路由选择表，并且随着网络中连接数量的增加，查表操作可能是非常耗 时的。 就路由选择而论，a t m 可以被看作是一个分组交换的面向连接的网络。也 就是浣，为了建立端到端的连接，需要给用户分配虚通道，需要在每个中闻节 点把逻辑通道号从在输入链路中使用的值交换到在输出链路中使用的值。为了 在a t m 网络中为信元选择路径，使用了两个级别的标识符：v p i ( 虚通路标 识符) 和v c i ( 虚通道标识符) 。 3 、a t m 网络的发展前景 目前的网络环境可以从拓扑结构、地理位置、服务载体、设备、接口以及 物理媒介等方面加以描述。借助于a t m 技术，可以节省带宽，实现多媒体应用 并向用户提供更多的服务。使用a t m 用户的网络可以： ( 1 ) 、最大限度地提供局域网与广域网的动态、透明的连接，同时集成专用 与公用子网。 f 2 ) 、为那些需要较高传输速率、较大传输容量、按需分配带宽和有效网络 管理的应用提供支持。 f 3 ) 、提供低成本、具有较高性能价格比的解决方案。 对于局域网用户来说，a t m 所提供的带宽比现在各种局域网要多得多。用 户可以使用新的应用程序，并改进现有应用程序的性能。a t m 还能为广域网提 供更加灵活的带宽，广域网用户可以增强对带宽的管理，并能按需分配带宽， 从而降低费用。无论对于何种行业( 银行、保险公司、服务行业等) 来说，a t m 浙江大学坝十论文 都是既节省投资叉面向未来的技术。用户可以利用帧中继技术向a t m 过渡，又 可以马上着手在现有网络中实施a t m 。利用有效的按需分配带宽功能，让用户 的应用程序有充足的带宽来运行。通过a t m 固有的同步能力，用户可以快速传 输多媒体数据。作为一种高可靠的技术，a t m 带给您的是向客户提供服务的新 途径。 a t m 是新一代的网络。它必将极大地推动网络在科学、医药和教育等领域 的应用。例如在医学图像应用中，可以对x 光片、c a t 扫描以及m r i 图像进 行转换并用数字格式存储。这些图像经常要由几个医生在同一时刻访问。通过 网络向这些医生传送数字图像需要很高的带宽，若要支持这些应用，网络必须 能够提供高速可靠的数据传输服务。对于大学来晚，借助于a t m 的帮助，将“教 室”这一定义的外延扩展到远远超出了它的地理上的界限。通过“远程学习” 等应用程序，即使你远在千里之外，也可以成为班级的一学生。另外，a t m 可 应用于多媒体、视频会议以及视频点播( v o d ) 等。a t m 同样可以将不同的局 域网互连。a t m 最主要的益处还在于，它只分配网络应用所需的有效带宽，可 以完全避免对带宽的浪费，这样就能显著地节约费用。借助于a t m ，只需使用 满足应用需要所必须的带宽，就可以使这种网络应用变得有效和可靠。 i b m 的a t m 策略着重于提供基于整个系统的解决方案，力求做到： ( 1 ) 、开发投资效益大、领导潮流的技术，以提供最好的a t m 产品。 ( 2 ) 、为桌面系统、校园网、广域网提供a t m 方案。 ( 3 ) 、提供既能保留现有网络布线系统和网络应用程序，同时又有助于网络 更新和发展的a t m 解决方案。 ( 4 ) 、积极参与a t m 论坛和其它标准化组织的工作，帮助制订和完善a t m 标准。 ( 5 ) 、提供一种新型、高速的完整a t m 体系结构，这种结构具有功能和经 济上的优势。 总之，选择a t m 是因为它能适应未来通信服务的要求。正如i n t e r n e t 是世 界范围内信息交流的一场革命一样，a t m 也为高速网络的发展提供了新的途 径。 4 、a t m 网络面临的问题 随着a t m 产品的不断成熟，许多国家都在积极地进行a t m 网的试验，一 方面只对a t m 技术和各种a t m 产品进行试验，另一方面是为了探索如何利用 a t m 网发掘出更吸引人的新业务。我国也正在积极地进行a t m 试验网的工作， 广州、上海和北京都建立了a t m 试验网，并开展了一些宽带业务的试验。尽管 a t m 网是针对传统网络的缺点而加以根本性改变的新系统，但这并不是说a t m 技术已经十分完美，事实上a t m 网络仍面临许多问题需要我们去解决。 一、a t m 技术上存在的问题 目前，a t m 标准还在不断完善和发展之中，特别是在信令、网络管理的标 准方面仍有许多工作要做。 从a t m 技术发展的现状来看，应该说a t m 技术在支持各种业务方面并没 有开始时人们所想像的那样完美。在局域网业务方面，现有的各种技术并不能 很好地体现a t m 的性能；在低速话音业务方面，长距离传输的时延问题也有待 解决：在可变速率的图像通信方面，目前的进展也不能令人满意。另外，还应 研究各种业务的统计特性以及各业务对服务质量的不同要求，以实现更合理的 浙江人学硕t 论文 统计复用。归纳起来，a t m 技术至少要解决以下几方面的问题。 ( 1 ) 统计复用带来的信元丢失问题： ( 2 ) 分组交换网的流量控制问题： ( 3 ) 时延偏差( c d v ) 对信元丢失率的影响： ( 4 ) 信元固定长引起的信元到达相关性使得话务理论复杂化问题； ( 5 ) 不同业务( 数据、话音、视频) 增加系统的复杂性问题。 二、a t m 网络的互连和互操作问题 a t m 网的建设不可能完全脱离现有的网络，所以还必须很好地解决a t m 网与现有网络的互操作问题，包括现有的各种业务和终端如何接人a t m 网以及 有效的网间互连技术。这个问题对于我国尤为重要。我国的许多新业务和网络 技术尚处在刚运营不久或正在建设之中，如全国范围的信令网和管理网都已开 始建设，因此应该研究a t m 技术的发展方向、a t m 网与现有网络的互连技术， 以更好地进行现有网络的规划，使网络能有较长的技术寿命。 另外，选用a t m 交换机首先要考虑互操作性，尽管a t m 论坛已制定了一 套互操作的标准( l a n 仿真、s v c 信令、专用网络节点接口) 。但也有一些制造 厂未按标准设计a t m 产品，几乎各个厂家的产品都不能完全互通，其原因是多 方面的，如标准不完善、各厂商都或多或少地采用了自己的专业技术。当用户 使用这些产品时，就无法解决互操作的问题。 三、a t m 网的流量控制问题 当用户的数据率超过所申请的带宽时，通常采用“漏斗”机制来处理，这 种处理造成了用户信息的丢失或者时延超过要求。要保证信息的安全传输，必 须申请更好的宽带，这样既增加了不必要的费用，而且网络的资源也没有得到 充分的利用。 关于a t m 网的流量控制问题 有的组织提出建立简单的流量控制 四、a t m 网络的路由选择问题 i t u t 提出不需要进行逐段的流量控制 这个问题还有待进一步探讨后才能解决。 在构造大规模的a t m 网时，既要考虑网络的拓扑结构，又要考虑整个网络 内的路由选择算法等。目前对a t m 网络中的路由还缺乏足够的研究，由于a t m 网中传输的信息种类繁多( 数据、话音、动态图像信息、多媒体信息) ，这就决 定了不能直接采用计算机网和电信网中的路由选择方法，有待进一步探讨后加 以解决。 五、对a t m 网络的适应性问题 a t h 技术无疑是新一代的通信技术，但要全面实现a t m 网，仍需相当长的 一段时间，仍有许多技术和经济问题需要解决。由于a t m 的价格目前还比较昂 贵，这是发展a t m 的一个障碍。从a t m 网络技术的角度讲，a t m 技术包括三 个方面：网络交换技术、网络连接技术和网络管理技术。尽管网络交换技术有 了相当大的发展，但网络的互连、互操作技术和网络的管理技术还存在相当大 的问题需要解决。 所以，我们认为a t m 至少还要解决以下几个问题才能使a t m 网络有大的 发展。 ( 1 ) 解决多标准模糊不清问题。 ( 2 ) 降低产品价格，使产品价格能在用户的可接受范围内。 ( 3 ) 完善解决网络的互连和互操作中出现的技术问题。 ( 4 ) 有个可以信赖且公认的机构来保证a t m 产品的质量。 浙江大学硕t 论文 5 、本论文的宗旨及主要内容 众所周知，作为网络的两个主要的性能：流量和时延，是一对不可调和的 矛盾体，两者相互作用、相互影响。当改善其中某一个的性能时，势必将影响 另一个的性能。本论文将以a t m 网为基础，提出关于网络流效的概念，将这一 对矛盾体有机的结合起来。据此来探讨a t m 网中关于连接请求的预防式控制的 方法和a t m 网络中的通道选择问题，将改善网络性能的大流量、小时延问题转 换成一个怎样使网络流效达到最大的问题。并以此为宗旨，实现网络的动态路 由选择及链路的动态带宽分配问题。本论文将以此为宗旨进行深入探索。 本论文中将要讲述的n o b e l 理论比传统的网络设计有着许多新颖的地方， 具体表现在以下5 个方面： 1 、提出了一个全新的概念，即通过网络流效的定义，成功地将网络设计的两个 重要内容：路由选择与流量控制很好地结合了起来，解决了传统网络设计中 将两者分立起来单独加以考虑，或者考虑的因素过于烦琐。 2 、提出了等效链路的概念，大大地减少了在计算过程中节点间需要传输的信息 量，从而提高了网络的反应速度与性能。 3 、解决了在网络运行过程中路由的动态选择，从而将路由选择从传统做法上的 固定路由选择提高到一个新的境界。 4 、该方法灵活、方便，具有健壮性与良好的可扩展性。 5 、本论文中所讲述的n o b e l 计算方法应用范围广泛，不仅可用于网络的流量 控制与路由选择，而且还可用于网络拓扑的设计，根据各地之间的业务量的 大小，通过网络流效最大原则，计算确定网络各链路的拓扑容量。 本论文主要内容包括三部分：第一部分提出基于等效链路的面向节点的最 大流效原则。通过n o b e l 计算，可求得各链路的最佳流量值，并据此实现最 佳路由的选择。第二部分将第一部分的理论用程序进行模拟。首先建立一个随 机网，然后进行路由表的计算和建立，最后对各种呼叫情况进行计算机模拟。 第三部分讲述该方法能处理a t m 网上的所有类服务，即c b r 、v b r 、a b r 和 u b r 类服务。 6 、本人所做的工作 在该文中，本人所做的工作主要包括以下四个方面： ( 1 ) 、在前人的基础上，将原有理论与实际网络联系起来，使原有理论更加 具体化、系统化。 f 2 ) 、提出共用链路的分流问题，对原有理论作了很好地补充和深化，使 n o b e l 计算方法成为一种实用的网络拓扑设计手段成为可能。 ( 3 ) 、根据n o b e l 的计算方法，进行d e l p h i 语言进行计算机呼叫模拟： a 、编程实现建立随机网络； b 、编程实现建立各节点的路由表； c 、编程实现网络各种情形的呼叫模拟： c 1 、空闲网络节点的呼叫模拟； c 2 、工作网络空闲节点的呼叫模拟； c 3 、工作网络工作节点的呼叫模拟： f 4 1 、结合n o b e l 的计算方法，探讨该方法在a t m 网中的具体应用。 浙江人学硕士论文 第二章原理介绍： 1 提出关于网络流势与等效链路的概念 通信网络，其最主要的目的是让网络用户能共享网络资源，而这些网络资 源可能分布在不同地方，或者让处于不同地方的用户能共享集中资源。为了使 共享技术高效有序，必须对网络采取一些必要的控制手段。大家都熟悉的有路 由选择方法、流量( 拥塞) 控制协议等。 通常，在网络中路由选择与流量控制被当成是两个相互独立的问题，但它 们的关系其实十分密切。路由选择总是设法平衡整个网络的交通，而流量控制 则是预先设置交通使之运行平稳，从而使网络运行更加高效。 对于a t m 网络，路由选择是指网内两个节点之间确定路径的问题，路由是 在虚通道建好以后就确定了，假如需要考虑流量这个因素的话，路由问题将变 得非常复杂。通常路由选择是基于一些准则，如大家熟知的最短路径原则、最 小费用原则等等。众所周知，流量与时延是一对矛盾体，他们彼此相互制约， 当改善其中一个特性时，另一个必将受到影响，因此g i e s s l e re ta 1 与k l e i n r o c k 早在八十年代就提出了关于“网络流势”这个概念，它定义为吞吐量与时延的 比值。从而将网络中两个最主要的性能流量与时延综合成为一个新的网络 参数网络效能，从而为处理好这一对矛盾体，提高网络整体性能奠定了基 础。这样在网络中，我们可以利用网络流势这个概念来确定各链路的吞吐量， 通过使该值达到最大即认为是整个网络运行在最佳状态，进而来选择呼叫路由 及链路流量。因此，用此种方法来处理网络问题，其优越性是显而易见的。 在上述方法中，一个需要解决的关键问题就是怎样减少在计算过程中各网 络节点之间需要传送的信息量。因为在a t m 环境中，网络拓扑必须考虑十分复 杂，而且网络节点数量将非常庞大，因此计算将十分耗时，而且网络节点间有 大量的数据需要传输，计算及传输量将随着节点的增加以几何级的速度增加。 c h a n g s g 曾在1 9 9 2 年的1 e e et r a n s 中发表了一篇文章，提出了在流量控 制运算时实行重新选择路由的方法，这样就将原来的静止路由变成了变化的动 态路由问题。但该方法没有解决怎样减少各网络节点之间需要传送的信息量这 个问题，因此使该方法变得非常复杂而难以实现。 d e y s 与m a z u m d a r 等也在九十年代初先后提出过解决网络最佳性问题 的方法。在他们的方法中，其基本的指导思想是面向终端用户的网络流量计算 控制，如图2l 所示。给出存在的交通状况后，分别独自进行运算来决定各自 所需的带宽，然后由网络负责各个用户吞吐量的分配。当交通状况发生变化时， 将重复上述过程。这种方法有两个主要的缺点：首先，当一些用户空闲或以远 低于所分带宽的速率传输信元时，由于各用户之间不能进行带宽共享，因此将 使带宽没有充分利用而造成浪费。其次，是没有考虑到处理器资源的限制，在 每个节点中处理器容量是一个有限的资源，既然每个v c 都有它自己的一个控 制器，想象一下，数百个v c 集中在u n i 节点中联合请求处理，而且这些v c 控制器中的最佳运算为了寻求汇聚通常将进行反复计算，执行难度可想而知。 鉴于此，本论文在前人的基础上，提出了一个全新的概念，即基于等效链 路的面向节点的计算方法( n o d e - 0 r i e n t e da p p r o a c hb a s e d0 1 1e q u i v a l e n tl i n k ) ， 以下简称n o b e l 。该方法根据流势的定义，提出了等效链路容量的概念，不仅 简化了计算，而且大大地减少了各网络节点之间需要传送的信息量，完全克服 了面向用户方式中流量计算控制的缺点，而且提出了面向节点( 而不是面向用 1 2 坠旦立_ 兰坠l 堕一皇 岩的流钢i璺翌璺：是一种理论与实践均可行的新颖方法。下面将详细介b 绍o b e l 及其计算方法。 。 交通状况变化 v c i 控制器 最佳化计算 土! v c 2 控制器 最佳化计算 图2 ，1 v c l 带宽分配 v c 2 带宽分配 v c n 带宽分配 用户1 分配完毕 用户2 分配完毕 用户n 分配完毕 墅八a t m 链路 复用 竺” 至1 ；未蓼：f r 蹩弓a 、。所需是j 3 宴士个节点组成的网。我们把目的节点相同的一组 璧望道g 曼) 耋苎望= 岔謇望警群( g v c ) 。因此，图2 2 a 中有三个g 0 d 。；苗2 磊 嚣委_ 坠兰尊方薷耄2 耄毫毫紫优越性，我们