（通信与信息系统专业论文）atm广义预测控制的研究.pdf

摘要 a t m 是一种面向连接的、分绢交换和统计复用技术。然而，当多个突发业务 同时到达。个节点时，或高速链路介入慢速网络时，则导致拥塞。因此，有效地 控制网络拥塞，是提高网络资源利用率和改善网络服务质量的首要任务。 a t m 论坛采用基于速率的反馈控制方法作为实现拥塞控制的标准算法，但论 坛只给出该算法设计的指导性建议并未明确规定具体实施方案。目前经验设计的 缺点是不能保证资源分配的公平性，易使源端的发送速率产生不稳定的振荡，而 基于线性控制理论的方法几乎都没有考虑传输延时n 勺随机时变特性、饱和非线性 和用户数的动念变化等不确定性。这些因素的存在，导致用常规的控制理论进行 拥塞控制是不行的。 本文针对l 述问题，建立了单瓶颈节点的网络流模型，该方法只需考虑网络 链路延时，将其它延时( 如排队和交换延时) 和不确定性看作系统的扰动。由此 设计了广义预测拥塞控制算法，保证了闭环系统的全局稳定性和稳态公平性，并 设计了自适应预测拥塞控制算法，提高了系统对用户数动态变化的鲁棒性。最后， 采用离散时间仿真软件o p n e t 对d p d c 、e r i c a 、g p c c 算法进行仿真，仿真结 果表明，本文所提算法在性能上优于已有算法：改善了系统的暂态性能，增强了 对不确定性的鲁棒性，提高了网络利用率，实现厂带宽分配的公平性。 关键词：显示速率；| ：j 塞控制：7 义预测控制； a b s t r a c t a i 、mi sac o n n e c t l 。n o “e n t e d ，p a c l ( e ts w n c h i n g a n ds f a 2 ；s t l c a ji ym t l j t j p l e x i n g t e c h n o l o g y h o w e v e r w i t hm a l l yh l r s lc r a m cs i n n l l l a n e o l l s i ya r “v i n ga tan o d e ，o r h i g h s p e e dl i n ki se m e r g e dj n t os 】o w e ro n e ，t h e r ew “lb ei nc 。n g e s t i o n i naw o r d ，i ti s 出ef j r s t a s kt oc o n t r o lc o n g e s t l o ne f 矗c i e n t l yt oi n c r e a s er e s o u r c eu t j l i z a t i o na n d i 啪p r o v et h eq u a l i t yo fs e r v i c e s a t mf o r u ms e l e c t sr a t e _ b a s e df e e d b a c kc o n t l 0 1a st h es t a n d a r da l g o r i t l l m i t m e r e l yp m v i d e ss o m ec o n s t r u c t i v es k e t c hw i t h o u d e t a i l e dp l a n t h ed i s a d v a n t a g e 。f t h ee x p e r i m e n t a la l g o r i t h m si st h a tt h e ya l ld o n tg u a r a n t e et h ef 撕m e s sa 1 1 dc a u s et h e o s c i l l “o ni nq u e u eo fn o d eo ra i i o w e dc e l ir a t eo f u s e r s ，l i n c a rc o n t r o l t h e o r yb a s e d d e s i g nd o e s n tc o m p l e t e l yc o n s i d e rt 1 1 eu n c e l t a i n t i e sc a l 【s e db yt i m e v a r y i n gt r a n s f e r d e l a y ，s a t u r a t e dn o n - l i n e a r i t ya n dd y n a m i c a lv a l l e 【yof l l s e r s 、a 王1t h e s ef a c t o i sr e s u l ti t h a r dt oc o n t r o lt h es y s t c m t h et h e s i sf i r s tb u i l d su pt h en e t w 。r kn l l i di n o d e lo fs i n g l eb o t t l e n e c kn o d e i to n l y t a k e st h el i n kd e l a yi m oa c c o u n t ，a n dt h i n k so t h e r s ( q u e u i n ga n ds w i t c h i n gd e l a y ) a n d u n c e r t a i n t i e sa sd i s t u r b a n c e a n dg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n g e s t i o nc o l l t r o la l g o r i t l l r ni s p r e s e n t e d ，w h i c he n s u r e s9 1 0 b a ls t a b i l i t yo fc l o s e d l o o ps y s t e m ，a n dt h e na d a p t i v e g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n g e s t i o nc o n t r o la 】g o “t h mi sp r o p o s e d ，w h i c hi mp l 。v e st h e r o b u s t n e s st od y n a m i c a lv a r i e t yo fu s e r s l a s t ，w i t h0 p e n t w a r e o d e r a t et os i m i l a t e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h m se n l l a n c et h et r a n s i e n td e r 如n n a n c e a n d i n c r e a s er o b u sc n e s sa g a i n s tu n c e r t a i n l y ，a 1 1 di m p r o v en e t w 町k su t i l i z a t i o n ，a n dr e a l i z e f a i m e s so fb a n d w i d t ha o c a t i o ni ns t e a d 、rs t a t e k e y w o r d s ：e x p l i c i tr a t e ( e r j ；c o n g e s t i o nc o n t r 0 1 ； g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l 第1 章绪论 1 1a t m 的发展 随着信息社会的发展，早期的电话电报业务已经不能满足人们对各种信息 的需求，于是便m 现了许多新型的电信业务，其中最重要的是大量用户终端业 务，这些用户终端业务具有不同的，有时甚至是未知的要求。目前出现的主要 用户终端、址务是点播电视、可视电话会议、高迷数掘传输、可视电话、图像库、 家庭教育、购物、远程丁作和h d t v ( 高清晰度电视) 。形形色色的要求会在一 起构成了一个需求：就是建立一个通用的网络，这个网络十分灵活，能以同样 的方式来提供所有这些不同的业务。对一个灵活网络的要求以及技术的进步和 系统概念的变化，导致了综合业务数字网( i s d n ) 的产生。引入i s d n 后，用 户只需提出一次申请，仅用一条用户线就可将多种业务终端接入网络并按照统 一的规程进行通信。 i s d n 具有如下的特点：( 】)。线多能：利用i s d n 可实现数据、语言、视 频或传真等多利 业务通信。一条j _ | j 厂l i 1 岳线可以提供两路6 4 i ( b i t s 的信息信道 及一路1 6k b i t s 的控制信道，我们称为2 b + d 信道。一个b c h a n l l e l 信道就像 是一根“管道”，两个b c h a n n e l 信道可以捆绑在一起以非常快的速度下载文件。 当外部呼叫进入时，则可以暂时中止其中一个信道的文件下载，让给新的呼叫 清求，而不需要终止整个下载过程：在新的呼叫请求通信结束后可以选择恢复 下载。这个通信过程完全是由另个分开的d c h a l l n e l 来控制的，d c h a n n e l 通 信主要用于传输控制信号，使用包交换连接方式，这使得它非常适用于间歇性 的数据传输，同时这种传输方式使得建立连接所需的时间大大缩短，i d - c h a n n e l 的传输速率为1 6k p s ( 纂木速率【s d n ) ! 戈6 4 k b p s ( 基班j 出率i s d n ) 。 ( 2 ) 实现高速二网：利用i s d n 町以提供6 4 k b p s 速率为基础的并可达到 1 2 8 k b p s 的j 二网速度的数据连接。 ( 3 ) 经济实用：l s d n 是通过通信网的数字化而发展的，因此只需在原有的 通信网中增添或更改部分设备即可构成i s d n 通信网。i s d n 用户的信息传递能 力比普通电话信息传递能力增加数倍以上，因而可节省通信费用和提高效率。 ( 4 ) 支持多个设备：i s d n 可将各种不同的数字数据源混合在一起，并将每 种信息传送到正确的目的地。由于线路上传送的是数字信号，在混合信号时就 不会受到噪声的干扰。 ( 5 ) 终端移动性：i s d n 的终端可以在通信过程中暂停正在进行的通信，并 在允许的时间内重新恢复通信；这一特点给用户带来了很大的方便。 ( 6 ) i s d n 通信网的功能分散性：i s d n 将整个通信网按功能划成数字信息传 输网、通信处理中心、信息处理中心等几个部分，这样使得通信网各部分的功 能单一化了，从而提高了通信网的透明性。 ( 7 ) 应用广泛：i s d n 可应用于企业、金融、保险机构、股票交易所、医院、 学校和家庭电脑用户。 然而，i s d n 还存在一定的缺陷，首先，一些最吸引用户的业务( 如视频业 务) 其速率往往超过一。次群速率：此外，i s d n 在网络结构方面存在者分离性， 它注重的仅是在u n i ( 用户网络接口) 上的业务综合，而在其交换网内仍然是 由电路交换和分组交换等若干分离的网络实体提供业务服务。显然，这种业务 综合是不完全的，并且影响到系统的可靠性、运行成本及系统的维护。 为了克服i s d n 的局限性，又发展出宽带i s d n ( b i s d n ) ，b i s d n 能够 提供超过一次群速率的信道，能够满足全部现有和未来r ，能出现的业务需求， 这些业务都以相同 ，0 方式在网络巾传输和交换，共享网络资源。b 1 s d n 具有 良好的灵活性、高效性和经济性，并且能够适应新技术和新业务的需要，例络 资源能够得到充分有效的利用。1 9 9 3 年，国际电信联盟电信标准化分会 ( i t u t ) 选择a t m 技术作为b i s d n 的交换方式。在a t m 论坛上，a t m 也 被计算机工业界接受，作为a t m 局域网上连接计算机的技术。 1 2 拥塞控制的原因 在a t m 网络中，当多个突发业务同时到达_ 个节点时，队列长度迅速增加， 导致缓冲区溢出而不能保证服务质量( q o s ) ：或当漫速网络引入更高速率链路， 造成输入链路速率人于输出键路速率叫就产。1 ：了拥塞问题。由于a t m 传输速 率高和业务种类多，网络流量具有突发性和波动性，即使在殴计很好的网络中， 也是经常发生j 口塞的。 _ f j 塞一旦发生，传输延时增大，信元丢弃率迅速上升， ， 拥塞时间过长，还会导致整个网络崩溃。因此必须进行拥塞控制以保： 户网络， 降低拥塞的严重性和持续时间，使网络性能不至于严重下降或使网络免于崩溃。 拥塞控制是a t m 删络中的项灭键技术。 121 拥塞的概念 a l t m 网络拥塞可以定义为下列一种状态，用户对网络提出的负荷要求接近 或超过了保证通信规约所规定的q o s 的网络资源设计极限。负荷要求超出设计 极限的原因是：资源被过度的预订了，或是因为网络内部发生了故障。在a t m 网络中可能发生拥塞的资源有交换机端口、缓冲区、传输链路、a t m 适配层 ( a a l ) 和连接准许控制( c a c ) 处理器。资源要求超出了网络能力也称为瓶 颈或约束。拥塞发生的时间可以是：信元级、突发级和呼叫级。拥塞发生的宅 闯可以是柱单个资源内部，也可以铅二多个资溅! 内部。应用特点如连接模式、重 传策略、确认策略和流量控制等，都可以影响捌塞的状态。而网络特点也决定 对捌塞的反应，如排队策略、服务调度策略、丢弃策略、路由选择、传播延时、 处理延时和连接模式等。此外，对硼塞的反应也可能发生在时间和空间上。由 于应用特点、网络特点、拥塞监测和反应的组合数量巨人，j j 塞控制问题的定 义是困难的。一种拥塞控制方案在某种应用、网络特点和一定级别中工作良好， 而对不同特点或不同级别的拥塞可能表现很差。本文主要研究信元级的、交换 机输出端口缓冲区和单瓶颈节点捌塞控制问题。 1 2 2 拥塞控制的方法 拥塞控制可分为拥塞管理、拥塞避免和捌塞恢复三种类型。 拥塞管理是指尽可能地使网络不进入捌壅状态，缺点是可能导致网络链 路利用率降低。 拥塞恢复是在网络进入严重捌塞区时，必须丢弃违约的信元，立即中止 一些低优先级的业务，使网络从严重的拥塞中得以恢复，这种方法的缺 点是不能保证a b r 流的数据完整性。 拥塞避免是避免严重的拥塞，使网络进入轻度揣塞区而又不必丢弃信 元，还可以保持较高的网络资源利用率。 本文所研究的拥塞控制算法采用的就是拥塞避免机制。 1 1 3 拥塞控制算法的发展 性能管理、拥塞控制和资源分配方案是相互关联的主题，当输入源开始超 过其协商的速率时就产生了拥塞。通常设计刚络时将有一些备用容量，所以如 果在有限的时间内，有限数量的信源超过了其预定的p c r ( 峰值信元速率) 或 s c r ( 可维持信j i 速牢) ，不应该有很大的问题。这是因为来自每个信源的通信 量的到达过程是随机的，而：! 司能足独i z 的，因此所有信源同时超过其所分配 的带宽的可能性很小，j 此布- 某一点h 为信源分配较高带宽而不会超过交换 机容量是可能的。尽管如此，如果网络拥塞还是有办法控制的，一个明显的方 法是采用监管机制一如果一个v c 正以比所允许的速率还高的速率发送，可请求 或强迫其降低速率，直到网络清理了捌塞状况。在这种方法中，网络本质上是 为v c 重新分配了带宽。 带宽分配可以是静态的或是动态的。静态分配在整个呼叫期间是固定的， 当流入的通信量总量改变时也不改变。另一方面，在动态分配中，网络实时监 视流入的通信量，或恨据不同n 勺连接重新分配粥。宽。例如当网络捌塞时，它可 以降低一个或多个连接的信i 速率，或肖当柯空闲带宽时增加速率。因此动态 分配方案本质上是自适应的，具有更有效利用删络资源的固确能力。 广而言之，a t m 网络使用两种类型的拥塞控制：预防式控制和反应式控制。 利用预防式控制，网络使用呼叫受理控制( c a c ) 方案和用法参数控制( u p c ) ， 根据其可用资源限制连接的数量，防止网络在运行时资源被过度的预定。利用 反应式控制，网络监视通信量指示符，然后为信源提供反馈，以便调整其发送 速率。 若干年来，为捌塞控制和带宽分配提出了很多算法，1 9 9 6 年a t m 论坛将基 于速率反馈的拥塞控制算法作为标准算法。 基于速率反馈的棚塞控制方法有_ 值【引j 算浊和显示速率( e r ) 算法两 种方法。b i 算法使用r m 信元中的c i 位或n i 位来反馈网络状念信息：_ 二值算法 的缺点是反馈信息仅能通知信源是增加或是减少速率。更重要的是二值算法是 基于窗口流控制设计的，反应时问太慢，要很多个往返延时才能使嘲络达到优 化运行点，因此易引起网络振荡；间时，二值算法也没有充分地利用1 w 信元中 4 丰富的网络：状态信息，所以又发展出了基于速率流的控制的显示速率( e r ) 算 法。 e r 算法通过r m 信元域在交换机和信源之问双向交流网络状态信息。e r 算 法需要交换机为每个连接计算e r 值，实现起来要比b i 算法复杂，但算法性能 好于b i 算法。a t m 推荐的拥塞控制算法是e r i c a ( 显示速率指示拥塞避免算法) 。 e r i c a 算法：交换机测量两个参数：活动信源数和可用带宽，并计算负载系数 z 。公平分享( f s ) 为目标信元速率( t c r ) 除以活动信源数。信源发送的f r m 信元含有期望的显示速率( e r ) 和当前信元速率( c c r ) ，交换机将信源的当前 速率除以负载系数，将此值与f s 比较，选择最大值再与b 信元的e r 值比较， 选择最小值设臂卧值。，这种算法的缺点是每个信源收到的是”一个均分的目标速 率，这导致交换机队列k 度下降缓慢。再有，叫使交换机处于拥塞状态，信源 速率还是有可能超过e r 值。 b i 和e r 算法的优点是算法简单，响应快，但是存在难以克服的缺陷，即源 端发送速率存在较大的跳越现象，并且由于v b r 业务具有突发性和波动性，使 算法不可避免地出现振荡，并且两种算法都没有考虑网络带宽延时积的影响， 使网络速率、利用率、交换机缓冲区队列呈现强烈的振荡现象，因此，这两种 算法都不具有稳定性，不能满足高速网络的需要。同时，这些算法都是基于经 验逻辑的算法。没有系统的性能分析和评价的系统理论。最近，人们利用网络 流理沦，建立了信息流在交换机缓冲区的队列模型；在此理论基础上，基于控 制理论方法，设计了不同的可保证性能的拥塞控制算法。基于控制理沦的拥塞 控制算法能够考虑网络带宽延时积的影响，并能利用成熟的控制理论对算法进 行理沦性分析，实现算法的稳定性，且保证公平性。因为基于控制理论的拥塞 控制算法能够直接控制交换机缓冲区队列长度，所以这类算法往往能够实现很 高的网络利用率。常用的控制算法有： 1 p d 控制器：算法运行于交换机，交换机测量缓冲区队列长度爿，则有模 型为： 月( n + i ) = 胁( r ( h ) 一口d ( 一，) 一x 。卜鼠尺( 月一纠 则有拥塞控制器算法为： 石( h + 1 ) = 。 x ( h ) + ，( 九) 月( m + 1 一i ) + ，。( 月) 一c ，设x 。为期望的队列长度， j = 0 其中r ”( n ) 表示不受控的流量。为确定控制增益a 和b 值，发控制增荔为 k = ( 口。，a i ，风矽【，。) 7 ，l = ( f 。，“f 。) 。，为被瓶颈的链路数量，则有一个 d + 3 维的控制系统，捌塞控制器设计的核心的问题是控制增益k 的选择问题。该 算法采用极点配置法设计控制器增益。该算法是一种比较好的拥塞控制算法， 对后续的拥塞控制研究产生了很大的影u 向。从其模型可以看出，算法考虑了网 络往返延时和v b r 流的影响。但是简单的极点配置设计不适合非最小相位系统， 而拥塞控制系统有可能是非最小相位系统。该算法的最大缺点是把量化往返延 时所产生的测量误差看作是不可控流。交换机能够测量不可控流所占有的带宽， 但是不能测量这种量化误差；而且，该算法计算的e r 值有可能小于零或大于p c r 使算法运行在非线性区，降低了暂态响应的速度。 2 d p d c 算法：为j 7 克服单控制器暂念响应慢的缺点，此算法采用双p d 控制器设汁。算法所采j _ i 例络模型和j 塞控制器发计力法同上一算法。第一个 p d 控制器是低增益p d 控制器( l g c ) ，用于在输出端口口被瓶颈的信源数很大的 情况下。第二个控制器，称为高增益p d 控制器( h g c ) ，选择的控制增益较大。 实际上该算法还有第三个控制器即初始恢复速率选择( i r r s ) 控制器，i r r s 控 制器的设计采用e r p c a 算法计算平均允许速率( m a c r ) 的设计方法。交换机根 据队列长度来判断网络负荷处于何种状态，如果是轻载，则h g c 会很快地增加 信元速率，使队列长度接近期望值；如果是过载，则i r r s 会很快减少信元速率， 使队列清空，然后h g c 使队列接近期望值：如果是正常状态，队列k ：度在期望 值州近时，则l ( r c 会他队列眨度稳定扯期望值。【，( ，c 在三个控制器中是主要的控 制器。该算法只是克服了单p d 控制算法暂态响应幔、算法可能进入非线性区的 缺点，单p d 控制算法其他的缺点仍然存在。 1 4 本文的工作 上述算法都是采用离散时间的数学模型进行椭塞控制器设计的，没有考虑交 换机交换、排队等延时，并且把量化延时引起的测量误差作为不可控流，由于 这部分误差是不可测量和预估的，而不可控流是可以测量的，将测量误差看作 不可控流是不恰当的，因此这种设计方法影响了控制算法的有效性和可靠性。 针对这一点，本文作了一些改进，将量化延时和可变延时引起的测量误差看作 是系统的扰动，这样网络模型只需考虑网络的链路延时，旦网络拓扑结构确 定下来，其系统阶次和结构就确定了，如果系统没有新用户的接入或退出，系 统模型是不变的：但实际网络的用户数是动态变化的，系统可能是非最小相位 的，因此采用广义预测控制算法，同时采用自适塘的控制方法，增强系统的实 时性和鲁棒性：又由于网络存在非线性环节，为了保证系统工作在线性区，又 增加了两个控制器，高增益控制器和初始速率恢复控制器，这样就能够保证系 统的稳定性，达到捌塞避免的目的。最后，通过仿真软件验证设计方法的f 确 性，仿真结果表明了算法的正确性。 总之，利用广义预测的自适应控制系统，采用多步预测的方法，对a t m 网 络中a b r 流进行控制，使网络能够由严重拥塞进入轻度拥塞而又不必丢弃信元， 同时还可以保持较高的刚络资源利用率，达到了拥塞避免的目的。 第2 章a t m 的基本原理 2 1a t m 的工作原理 a t m ( 异步传输模式) 是一种分组交换和复用技术，它用固定长度的分组或 信元发送信启、，每个信元在其头部包含一个v c i ( 虚拟信道标识符) ，v c i 提供一 种方法，咀创建多条逻辑信道，并在需要时进行多路复用。 a t m 实际卜是一种非常简单的协议：它仅仅从一个端点传输数据到另一个端 点，本身并不提供差错恢复，可以适应任何支持端一端差错恢复的上层协议。 完整的a t m 协议屡如图所示： 图2 一la t m 协议层 2 1 1 各层的功能简介 ( 1 ) 高层协议包括应用层、表示层、传输层和网络层。应用层完成用于传送 文件的文件传输协议、简单邮件传送协议( s m t p ) 、提供虚拟终端服务的l e l n e t 叻、议等，传输拄静j 、议f t c p ) 和1 ：nl e r n e tl 办议( i p ) 分别是传输厝切，议和网 络层协议。柬自l ：层的不同长度的用户数据块传递给a t m 适配层。 ( 2 ) a t m 适配层( a a l ) 依赖于、务。适配层的目的是为满足所给业务的需要， 按照最佳匹配方式格式化来自应用层的数据，然后将其送给下层。更特别的是， 从l 接纳来自高层的可变长度的分组，根据应用附加上标头、标尾，! 凶要时填充 一些字节，将分组分割为较小的分段以适合固定长度的a t m 信元，然后传递分 段给a 1 m 层。a a l 在高层协议层与a t m 层之间提供一个接口，由于高层协议是按 业务指定的，所虬a t m 适配层必须设计为可以满足特定业务的需要。从l 的业务 类别由a 、b 、c 、d 四类，各类的属性如下： 表2 1a t m 业务属性 业务类别 属性 a 面向连接、恒定比特率、需要在a r m 信元上传输定时信息 b 面向连接、可变比特率、需要在a t m 信元上传输定时信息 c 面向连接、可变比特率、无需在a t m 信元上传输定时信息 d 无连接、可变比特率、无需存a 删信元j 二传输定时信息 也就是说a t m 适配层完成用户、控制和管理平面的功能，并支持a t m 层和 邻接的高层之间的信息映射。 ( 3 ) a t m 层 a t m 信元由5 3 字节组成：前5 个字节是信头，其余4 8 个字节是信息字段。 用户网络接口( u n i ) 信元的各个字段如图所示： 表2 2a t m 结构图 符号说 ( jcv 川 v i v c v c v c p tc l p h e c 4 8 字节的信息 明：g f c 通用流量控制v p i ：虚路径标识符 v c l ：虚信道标识符 p t ：负载类型( 指示符) c l p ：信元丢失优先权 h e c ：信头差错控制 ( 4 ) 物理层：处理在所选媒介上执行的实际的信息传输，包括如下内容： 线路编码以在远端提供定时酞复、信号调节以防止幅度和相位失真以及远程维 护机制。物理层也指明用户设备适接至网络，或网络互连的接厂：| 。媒介可以是 二线双绞线、口q 线双绞线、光纤、甚至无线通信信道。a t m 接| 有两类用j t 一网 络接口( u n i ) 和网络一网络接口( n n i ) 。 2 1 2a t m 的业务种类 a t m 论坛根据业务对网络资源的需求定义了几种业务种类： 0 ( 1 ) 恒定比特率( c b r ) 业务：此类业务需要一个指定的带宽，在整个呼 叫期间都保持固定。在这种情况下，如果有时延，则所有信元的刚延相同。不 同信元间的时延抖动实质为0 。所需的带宽决定于由用户指定的峰值信元速率 ( p c r ) 。只要信元符合所协商的p c r ，即可保证q o s 。此类业务包括诸如话音、 视频和电路仿真数据等对时延敏感、实时的应用。 ( 2 ) 实时、可变比特率( r t v b r ) 业务：此类业务需要可变的带宽，但本 质上是实时的，为此类业务分配带宽时，网络考虑如下的通信量描述符：p c r 、 可维持信元速率( s c r ) 和最大突发氏度( m b s ) 。端点在呼叫建立时问向网络指 定这些参数。此类、f k 务的丰要例子是多媒体业务的分组方式传输。 ( 3 ) 二l e 实口_ j 、司变比特率( n r t v 3 i ) 业务：类似r t v b r ，此类业务也要 求可变的带宽。网络根据p c r 、s c r 、m b s 决定其带宽需求。尽管无需指定信元 丢失率。但希望网络保持较低的丢失率。此类业务包括传统的文件传输、电子 邮件等。 ( 4 ) 未指定比特率( u b r ) 业务：除了信源不指定通常的通信描述符外， 此类业务与n r t v b r 相似。适合n r t v b r 业务的应用也同样可被u b r 业务处理。 由于用户不指定信元速率，所以在发生拥塞时。网络可能降低其带宽分配。 f5 ) 可用比特哮：r f j r ) 、i p 务：利用此类、i e 务，端点通过指定 ) c r 和最小 信元速率( m c r ) ，指示网络其所需带宽的上限和下限。基于使用资源管理( r m ) 信元的拥塞控制方案己被a t m 论坛为此类业务而标准化。利用这种方案，为用 户分配的带宽数量在呼叫期间可能有变，这依赖于网络所经受的拥塞。因此， 此类业务不适合实时应用。对于a t m 管理者来既，这是一种可最大限度利用网 络带宽的优选方案，而对于试图在广域网中获得局域网传输性能的用户来说， 该业务吞吐量高，信元丢失率低，无保留带宽等优点又使之成为人们在获得高 传输质量过程中所作的一一种新的尝试。它具有以f 几个特点：a b r 业务非常适合 于数据传输，并将能够支持商速率的数据通信。该业务傻朋反馈式通信量控青4 技术来调整数据源的发送速率，对于顺应性终端设备可保证极低的信元丢失率。 当c b r v b r 业务所需带宽得到满足后其剩余部分即可为a 8 r 业务所用，当然 这部分剩余带宽必须为所有a t m 网络用户所共享，用户需要为其使用的传输业 1 f ) 务设定p c r 和m c r 的期望值。其中p c r 的大小由用户和网络通过共同协商来最 终决定。 22a t m 的主要参数 a t m 论坛定义了些通信量描述符、服务质量( q o s ) 参数来描述各种服务。 ( i ) 通信量描述符：用来描述一个信源和一个连接的通信量特性。只有当 网络有足够的资源用来支持这种通信量时，网络才为这种信源建立一个连接。 通信量描述符又可分为源通信量描述符和连接通信量描述符。 ( a ) 源通信量描述符： 峰值信元速率( p c r ) ：定义了信源提交到一个a t m 连接上的通信量的上 限，是用户传输信扈的最大瞬叫速率。p c r 用变量t ( 即信元之间的最小 问隔) 来定义，冈此p c r ：l 仃。对c 1 3 | j 、v 肌和a 8 r 服务，p c i 描述符是 必要的。 持续信元速率fs c r ) ：定义了存a t m 连接上平均速率的上限制，所计算 的时间范围比t 火得多。对于v b r 源来说必须指明s c r 。它使得网络能够 在许多v b r 信源之间有效地分配资源，而不需要独占用于支持个恒定 的p c r 速率所需的资源，只有当s c r 一致性定义：它用束无= 意性地指明在u n i 上的一个连接上的符合致性 定义的信元。网络可以将违背一致性定义的信元丢弃或打上标记咀达到一 致性。 ( 2 ) o o s 参数：用a t m 提供的服务质量来描述一个连接的性能。 最大信元传输延时( 脚托t d ) ：为明确此参数。首先定义信元传输延时 ( c7 r d ) ，它是两个信元事件之间的消逝时川( e h n s e ( 【t j m e ) ，即从源端 u n l 发送的第一个比特到目的0 n i 接收该信元的最后一个比特所经历的 时矧。拍托t d 定义了一个连接的最大延时，超过这个延时限制的信元必 须被丢弃或推迟交付。 峰值信元延时偏差( p e a k t 。一p e a k c d v ) ：c t d 是一个变量，它包 括一个最小延时即固定延时，固定延时包括物理媒体的传播延时、传输系 统带来的延时和交换机处理延时的固定分量。脚托t d 和固定延时之间的 范围称为峰峰信元延时偏差。c d v 通常是在连接建立时进行协商的，而 c d v t 通常是存u n i 设置而不用协商。 信元丢弃率( c 【，p ) ：是在个连接上丢弃的信元数与总的发送的信元数之 比，c l p 是一个可靠性参数，每个信元头部有一个丢弃优先级( c i ，p ) 比 特，在捌塞时，刚络总是首先丢弃c l p = l 的信元。 第3 章a t m 网络的业务量控制与拥塞控制 3 1a t m 网络的业务量控制 根据t i u t i 3 7 l 建议，b i s d n 中业务量控制的主要作用是保护网络和用 户以实现预先固定的【丽络性能，如信元丢失率，信元传输时延和信元时延抖动。 概括地说，业务量控制是指网络为了避免拥塞所采取的一系列操作。拥塞是由 不可预测的统计业务流量波动或a t m 网络的些错误状所致，这些错误状态可 能会引起过多的信元丢失或不可接受的端到端信元传输时延，业务量控制的另 个作用是优化网络资源的使用以取得较好的网络效率。 br s d n 中a 7 层业务量控制的目标是： 灵活性：它支持一组不同的a t m 层服务质量( q 。s ) 等级。( 这些服务质量 等级对现商的和不可预见到的业务行之有效) 简单性：网络设备的复杂度降到最低，而网络的利用率最高。 强壮性：在任何情况下都能获得较高的资源利用率，同时维持简单的控制功 能。 a t m 定义了六种服务类型：c b r 、v b r 、r t _ v b r 、n r t v b r 、a b r 、u b r ，这些 业务的特性筹别很大t 用户对这些、 k 务的服务质量的要求也不相同。如果说网 络的核心是交换，那么交换的核心是控制。如果从控制论角度将用户对业务的 服务质量要求视为目标函数，那么a t m 要处理的是u 一个非线性约束条件下的多 目标随机控制问题。 3 2a b r 流控制原理 a t m 网络中用户在请求建立连接时，需要与网络协议一个保证其q o s 的通信 量约定，并且在整个连接期间一直保持这个通信约定，不改变其q o s 保证。在 a t m 定义的六种服务类型中，c b r 和v b r 服务与其它服务相比具有较高的优先级， 因此它们在连接建立时，网络为其预留带宽。而当个a b r 连接建立时，没有 预留带宽，a b r 连接只能利用未被c b r 和v b r 连接使用的剩余带宽。如果仍有剩 余带宽未被利用，则司以被u 1 3 r 连接使用。 _ i 于u b r 基本上可以利用a b r 流控 制协议实现，因此，彳l j 进行铡摩控制改计时可以这样认为：由各种信源产生网 络流量仅由c b r 、v b r 、a b r 连接产生。为保证c b r 、v b r 连接的q 。s ，即使在网 络处于拥塞状态时，c b r 、v b r 源也不降低其传输速率。只有a b r 源可以根据反 馈信息调整它的速率以改善网络状态。本文所研究的a t m 网络拥塞控制就是a b r 流的拥塞控制问题。 一、a b r 控制模型 网络单元和信宿根掘网络j ) = | j 塞情况来通知信源，信源根据这些信息动态调 整速率，通知途径主要有两种： 口数姑情冗( 内含e r c 】1 困 r mf i o i 图3 一lr m 信元的传输途径 ( a ) 各数据信元头部有3 b i t 的p t 位，其中第二位成为e f c i 位( e x p l i c i t f o r w a r dc o n g e s t i o n ic i e n tf i e r ) 。当业务流在经过的路上发生拥塞时，网络 单元就将业务流信元的e f c i 位设为l ，以通知信宿；信宿再通知信源。 ( b ) 信源周期性地在数据信元流中夹杂用于业务管理的信元( r m ) ，沿途的 网络单元可以将拥塞情况写入r m 信元。信宿将收到的r m 信元反向传输给信源。 当然，r m 信元也可以由网络单元或信宿直接产生。a t m 论坛将信源传往信宿的 r m 成为前向信元。将信宿传向信元的r m 信元成为后向信元。 二、a b r 控制参数 】峰值信元速率p c r ( p e a kc a l lr a t e ) 2 最小信元速率m c r ( m in 1m l mc a ur a l e ) 3 初始信元速率i c r ( i n i t i a lc a l l r a t e ) ：a b r 信源在刚建立连接或经过 一段时间后，可以传输信元的速率。 4 临时缓存容量t b e ( t r a n s i e n tb u f f e re x p o s u r e ) ：a b r 信源在第一个r m 信元回来之前可以发送的信元数。 1 4 5 n r m ：信源在两个前向r m 信元之间可以传输的数据信元的最大数目。 三、r m 信元的格式 表3 1r m 信元格式 信元【协议消息 e rc c rm c r。l s n保留c l c 1 0 头l 标识符类型 消息类型 l b i t】b tl b j l i ) c t岫】i3 b ：l 。f r h 、ctn l 术r 闩保留 四、各符号的意义 1 d i r ( d i r e c t i o n ) ：表明i m 信元的传输方向。d i r = o 为前向信元；d i r = l 为后向信元。 2 b n ( b a c k w a r dn o t i f i c a t i o n ) ：表明r m 信元是由信源产生的( b n = o ) 还 是由网络单元或信宿产生的( 刚= 1 ) 。 3 c i ( c o n g e s t i o nj d e n t i f i 。r ) ：表明网络存在捌塞( c i = 1 ) 还是不存在搠 塞。 4 n i ( n 。r n c r e a s e ) ：网络单元可以将这一比特设置为1 。禁止信元升高速 率。 5 e rte x 口1 i c i t l e ) ：用术将信元被允确传递的速奎限制在一定范围内， 由网络单元或信宿设置。 6 c c r ( c u r r e n tc a l lr a t e ) 由信源将当前的速率写入陔域。 7 m c r ( m i n i m u mc e l lr a t e ) ：由信源将最低信元速率写入该域。 8 q 【j ( q u e u el e n g t h ) ：未用。 9 s n ( s e q u e n c en u m b e r ) 未用。 1 0 c r e l o ：生成多项示为：1 + 肘一+ p + ，+ ” 3 3 a b r 的常用实现方法及其各自特点 是基于信用的万案：是在逐段t 链路到链路) 的基础上运行。f 游的节 点向j 二游的节点发送信刖，直到到达源发端。这些信用使发送节点可以向 、游 发送话务。发送节点未受到信用时，必须等待，直到信用到达。 它可以有两种方法实现：1 ) 每条连接j 【| 勺信用：2 ) 所有连接的集合信用。 该方法的优缺点是：在及时蛹整带宽方面要有效的多，但其额外开销较大。 二是基于速率的方案：a t m 节点可以向目地端发送前向拥塞通信信号；目的 端的用户向源端用户发送后向拥塞通信信号，通过一些算法，源发端将停止发 送信元。它也有两种实现方法：1 ) 为每条连接连立的速率；2 ) 为所有连接建 立的速率。该方法的优缺点是：实现起来比较经济，但对前后搠塞做出响应而 引起的时延可能导致网络发生震荡。 3 4a t m 交换机与a b r 流控制 a t m 交换机直接参与了a b r 控制，并起着重要作用，它可以提高q b r 服务质 量；还可以提高a t m 网络资源的利用率。 a t m 交换机参与a b r 控制的途径有两个： 1 根据缓存器占有情况设置途径的数据信元头部的e f c l 位： 2 直接计算它所能提供给用户的带宽，并把这一值写入r m 信元，通知信源。 3 41a t m 交换机实现a b r 控制的反馈方法 ( 1 ) 二进制反馈方法： a t m 交换机监视每个输出端上的缓存器被占用情况，这个缓存器由所经过该 端口的v c 共享。一旦缓存器中信元数超过某一门限，则在经过陔端口的数据信 元上打上标记，即设置e f c l 位为l ：如果缓存器中信元数低于门限，则不改变 路径的信元头部的e f c l 值。这个e f c 值由信宿写入反向r m 信元中，并传输给 信源，信源据此做h 反应= 这种算法简单，只要两种操作状态：设置e f c i 或不设置e f c i 位，因此称 为二进制反馈算法。 该方法的缺点是：带宽分配不公平。由于只根据缓存器占用情况来设置e f c i 位，所以如有些v c 已获得很大的带宽，但只要信元进入缓存器时缓存器中的信 元数末超过门限，这些v c 不会被要求降低速率：而如果只获得很少带宽的v c 的信元进入缓存器时，缓存器中的信元数即超过门限，这些v c 仍会被要求降低 速率。为了改善二进制反馈方法的公平性能可以计算每路v c 实际已获得的带 宽，a i m 交换机在缓存器中信元已超过门限的情况下，只将带宽超过“应得份额” l 的那些v c 的e f c i 位设置为1 。 ( 2 ) 显示速率反馈法： a t m 交换机可以监视其输出缓存器的队列长度或队列增长速率，来判定此时 的负荷，由此可计算出它能为每个v c 提供多少带宽，并将这一信息通过r m 信 元中的e r 域告知信源。山j 一 t 交换机j 捌确地告诉它所必须遵循的速率，所以 称为显示速率反馈方法。 常用的实现方法有三种： 1 e p r c a ( e n h a n c e dp r 。p 。r t i o n a lr a t ec o n t r 。la 1 9 0 r i t h m ) ：a t m ；e 换村【 通过监视缓存器队列长度来判断是否发生拥塞：如果发生拥塞，则对反向r m 信 元中的e r 进行修改。