（通信与信息系统专业论文）高速网络流量控制及自相似业务流的研究.pdf

摘要 摘要 随着计算机和通信技术的广泛应用和更新，网络越来越向着高速、高性能的 方向发展。我们将高速网络定义为能够支持大量应用并具有可扩展性的通信网络。 为支持各种网络应用，网络必须能够以高速率、低延迟来传输用户的信息，必须 能根据用户需要来分配网络资源，并提供一定的q o s 。网络的组织与管理也要灵 活，当出现新的需要时，网络能够支持。为了实现高性能的网络，许多关键的瓶 颈问题都需要解决。此外，高速网络的出现使得许多新的应用成为可能。几年前， 大多数应用还是基于文本的，如今很大部分的应用都包括了多媒体技术。随着网 络速度的不断提高，还会有更多的会话应用，会有更多的人使用实时广播和视频， 远程通信和家用视频会议的使用也会更为普遍，因此网络资源的优化工作将是一 个严峻韵问题。 一个网络的各种承载服务包括了比特流的点到点传输，这个过程中比特流是 以某种格式流经某些路由的。这些服务用速度、延迟、差错率等服务质量( o o s ) 来区分。质景的好坏是由5 个基本机制决定的，即多路复用、交换、差错控制、 流量控制以及拥塞控制和资源分配。在这里主要关注拥塞控制和资源分配问题。 不同的应用需要不同质量( 延迟、误码率等) 的承载服务，只有能满足某个应用 所需要的资源时，网络才能保证一个应用所需的特殊服务质量( 带宽、缓冲区) 。 拥塞控制是q o s 中最基本也是最核心的部分，实施拥塞控制是网络保证基本服务 质量的前提。因此，有效的解决拥塞问题对提高网络性能具有重要的意义。 本文在对国内外近期以来有关通信网络流量控制及资源管理和网络业务流的 建模及特性的研究进展进行回顾和总结，并在国家自然科学基金项目“高速信息 网络中传输控制策略最优化研究”课题组前期研究的基础上，结合广东省自然科 学基金项目“高速信息网络管理与流量控制大系统方法的研究”的课题工作，重 点研究了网络中的资源管理策略尤其是带宽分配管理策略以及带宽的计算问题、 高速网络中广泛存在的自相似性业务流的性能分析问题等，并针对存在的问题， 提出了相应的解决思路及其方案。通过理论分析并结合仿真实验，本论文主要对以 下内容进行了研究： ( 1 ) 针对步进式带宽分配过程中运行时间起伏波动大的问题，分析了网络 资源分配中带宽分配过程时间复杂度的特性，提出了一种自适应步长的带 宽分配算法。该算法不采用固定的单步步长，而是根据网络状态实时的调 整步长，可从根本上克服单步步进算法运行时间在业务负载较重情况下起 伏波动大的缺点。 ( 2 )含多种业务类型的呼叫阻塞概率( c b p ) 的精确计算函数是相当复杂 华南理工大学博士学位论文 的，它是一个递推的过程，没有严格的解析表达式，所以其逆过程根据 c b p 和负荷确定需要的带宽通常也只能采用诸如二分法之类的迭代法，而 每次迭代又需要根据一个试探性的带宽用递推法来求得相应的c b p 。这是 一个相当耗时的过程。因此，本文中提出了一种计算带宽的近似方法，用 来代替反复试探算法。实验表明，近似带宽算法与传统试探法相比，两种 算法在带宽结果上几乎相等。此外，由于近似算法的计算速度与负荷大小 无关，而二分探索法则是负荷越大，耗费的时间就越多，两者形成鲜明的 对比，因此近似算法在计算速度有着明显的优势，在大负荷情况下尤为显 著。在此基础上，还将近似带宽算法应用于大规模网络的带宽优化分配问 题中，针对不同的带宽分配方法，这种近似算法都适用，说明该算法的实 用性很强并且对带宽优化分配在性能上无论是时间上还是降低复杂度上 都有了很大的提高，并且误差几乎可以忽略不计。 ( 3 ) 在分析b 墩中小规模的几种带宽优化算法“二分法”、“遗传算法”、“步 进式算法”的基础上，简单介绍了在算法中需要涉及到的呼叫阻塞概率计 算的两种方法：k a u f m 蚰精确算法和s i e b e n h a a r 近似算法，并将 s i e b e n h a a r 近似算法应用在步进式带宽分配中，运算速度得到显著提高， 说明了呼叫阻塞概率计算在步进式算法中的重要性。 ( 4 ) 利用捧队系统求解的矩阵几何方法，重点研究了排队系统中g m 1 的 特性，证明了该排队系统的比例性阎题，即在g m l k 系统中的顾客数为 j 的稳定概率在参数相同的情况下是呈比例的，且比值相等。同时还将其 推广到了缓存无穷的情况。 ( 5 ) 自相似业务流下的网络性能分析具有很大的难度，这使得到目前为止 还没有能给出较准确结果的解析分析方法。本文在基于混沌映射的自相似 业务流的研究基础上，运用g m 门和g m ，l ，k 队列的比例性关系及其排 队理论，推导出在有限缓存下的缓存溢出概率、平均信元数、平均逗留时 间等性能公式。从不同缓存，不同自相似参数的计算实例可以看出，本文 推导出的数值算法给出的结果是合理的，且具有重尾分布。 ( 6 ) 将大系统理论中的分级全息理论应用到大规模网络资源管理中去的思 想，提出了一种分级全息策略。 关键词：通信网络；性能分析；优化；带宽分配；排队；自相似性 i i a b s h a c t a b s t r a c t n e t w o r k sa r ed e v e l o p e dt o w a r d sh i g h - s p e e da n dh i g hp e r f o r m a n c en e t w o r k s a l o n g w i t ht h e a p p l i c a t i o na n du p d a t e i nt h e t e c h n o l o g y o fc o m p u t e ra n d c o m m u n i c a t i o nf i e l d h i g hp e r f o r m a n c en e t w o r k sa r ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sw h i c h s u p p o nag r e a td e a lo f 印p l i c a t i o n sa l l dw i t hh 培hs c a l a b i l i t y n e t w o r k sh a v et o t r a n s m i tu s e ri n f o r m a t i o nf o rh i g hs p e e da n dl o wd e l a yi no r d e rt os u p p o r tm a n y n e t w o r ka p p l i c a t i o n s t h e s en e t w o r k sg u a r a n t e eu s e rr e q u i r e m e n tt oa l l o c a t ep r o p e r r e s o u r c eo fn e t w o r k s a tt h es 锄et i m e ，f l e x i b l em 粕a g e m e n ta n df r a m e w o r ki s n e e d e di no r d e rt os u p p o r tn e wr e q u i r e m e n ti nn e t w o r k s a st h u s ， m a n yp i v o t a l p r o b l e m sa r en e e d e dt os o l v e f u r t h e r m o r e ，m a n yn e wa p p l i c a t i o n sb e c o m ep o s s i b l e a l o n gw i t ht h ea p p e a r 锄c eo fh i g hs p e e dn e t w o r k s s e v e r a ly e a r sa g o ，am a j o r “yo f a p p l i c a t i o n sa r es t i l lb a s e do nt e x t ；y e tn o wi t i n c l u d e sm u l t i m e d i at c c h n o l o g y a p p l i c a t i o n s t h e r ew mh a v em o r ea n dm o r ec o n v e r s a t i o n a la p p l i c a t i o n s ，a n dm o r ea n dm o r e p e o p l ew h ou s er e a l - t i m eb r o a d c a s ta n dv i d e ot r 锄s m i s s i o nb e c a u s eo fu n c e a s i n g i m p r o v e m e n to fn e t w o r ks p e e d t h u si ti san i n t yp r o b l e mt oo p t i m i z a t i o no fr e s o u r c e u s i n g a l lk i n d so fc a r r y i n gs e r v i c e so fan e t w o r ki n v o l v ep o i n tt op o i n tt r a n s m i t t i n go f b i ts 仃e a mw h i c hp a s st h r o u g hc e r t a i nr o u t ew i t hc e r t a i nf o r m a t t h e s es e r v i c e sa r e d i s t i n g u i s i 博db yq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) a ss p e e d 、d e l a y 、r a t i oo fe r r o re t c t h e q u a l i t yi s d e c i d e db yf i v ee s s e n t i a lm e c h a n i s m ：m u l t i p l e x i n g 、 s w i t c h i n g 、t r a m c c o n t l o l 、c o n g e s t i o nc o n t r o la n dr e s o u r c ea l l o c a t i o n o u rr e s e a r c h e sa r ef b c u s e do nt h e p r o b l e mo fc o n g e s t i o nc o n t r o la n dr e s o u r c ea l l o c a t i o n d i f f b r e n ta p p h c a t i o n sn e e d c a r r y i n gs e r v i c e sw i t hm f f e r e n tq u a l i t y ( d e l a y ，r a t i oo fe r r o re t c ) w h e n i tc a nb e s a t i s f i e dt h en e e d e dr e s o u r c ef o rc e r t a i na p p l i c a t i o n ，n e t w o r k sc a ng u a r a n t e et h e n e e d e ds p e c i a lq u a l i t yo fs e r v i c e ( b a n d w i d t h ，b u 圩b r ) f 0 ra na p p l i c a t i o n c o n g e s t i o n c o n t r o li st h em o s tb a s i c 舢l dk e r n e lp a r to fq u a l i t yo fs e r v i c e( q o s )a n dt h e i m p l e m e n to fc o n g e s t i o nc o n t r o li st h ep r e c o n d i t i o no fg u a r a n t e ee l e m e n t a r yq u a l i t y o fs e n r i c e ( q o s ) h e n c e ，w h i c hs o l v ec o n g e s t i o np r o b l e me f 艳c t i v e l yh a si m p o r t a n t s i g n i n c a t i o nf o ri m p r o v i n gn e t w o r kp e r f o r m a n c e i nt h i sd i s s e n a t i o n t l l er e s e a r c ha c h i e v e m e n t si nt h ea r e a so ft r a m cc o n n o lw i t h r e s o u r c em a n a g e m e n t 如dt r a f f i cm o d e l i n go fc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k si nt h er e c e n t p e r i o da r er e v i e w e d b a s e do nt h er e v i e wa n di n n u e n c e db yt h ep r e c e d i n gw o r kb yt h e r e s e a r c hg r o u pe n g a g e di nt h ep r o j e c tc a l l e d “r e s e a r c ho nt h eo p t i m i z a t i o no fc o n t r o l i 华南理工大学博士学位论文 s t r a t e g yo ft r a n s p o r t a t i o no ft l a m ci nh i g h s p e e dn e t w o r k s ”a n da p p r o v e db yt h e n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ， t h ed i s s e r t a t i o nf b c u s e so nt h er e s o u r c e m a n a g e m e n ts t r a t e g yp r o v i d e db yl a r g e - s c a l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa l l d s o m e s o l u t i o n so rp o t e n t i a ls o l u t i o n st 0t h e s ea r es u g g e s t e d t h e s ep r o b l e m si n c l u d e b a l l d w i d t ha l l o c a t i o nm a n a g e m e ts t r a t e g yi nl a r g en e t w o r k s ，p r o b l e mo fb a n d w i d t h c a l c u l a t i o n ，a n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i so fs e l f - s i m i l a rt r a m cw h i c hr e s i d ep r o f o u n d l y i nn e t w o r k s t h i st h e s i sh a su n d e r g o n ef e s e a r c h e st h r o u g ht h e o r ya n a l y s i sa n d s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t si nt h ef o n o w i n gf i e l d s ： ( 1 )t h ep a p e rp r e s e n t sb a n d w i d t ha l l o c a t i o nm e t h o db ya d j u s t i n gb a n d w i d t h s t e p sa u t o m a t i c a l 王yw h i c ha i m sa tt h ep r o b l e mo fl a r g ef l u c t u a t i n gc o m p u t e t i m e t h i sm e t h o do v e f c o m e st h es h o r t c o m i n ge s p e c i a l l yi nt h ec a s eo f 1 a r g el o a d ( 2 )b e c a u s e9 fn os t r i c te x p r e s s i o no fc a l c u l a t i n g c b p ( c a l lb l o c k i n g p r o b a b i l i t y ) i nt h es o l u t i o np r o c e d u r eo fv i r t u a l - p a t hb a n d w i d t ha l l o c a t i o n p r o b l e m ，t l l ep r o c e s so fc a l c u l a t i n gb a n d w i d t ht h r o u g hc b pa n dt r a f f i c l o a da d o p t st h ei t e r a t i o na 1 9 0 r i t 王l mi nc o m m o n ，w h i c hi sa ni n v e r s ep r o c e s s o fc a l c u l a t i n gc b pt h r o u g ht f a m cl o a da n db a n d w i d t h i tl i m i t sc o m p u t i n g s p e e db yal o n gw a yb e c a u s eo fi n c l u d i n gr e c u r s i o n t h er e q u e s tb a n d w i d t h r e s u l t sg i v e nb yt h et w od i f f e r e n ta l g o r i t h m sa r ee q u a la l m o s tw i t hl i t t l e a v e r a g er e i a t i v ee r r o f a b o u t2 f u n h e r m o r e ，t h ec o m p u t es p e e do ft h e a p p r o x i m a t ea l g o f i t h mi sl l l l r e l a t e dt ot h et r a m cl o a d ，b u tf o rt h eb i - s e c t i o n s e a r c h i n ga l g o r i t h m ， i t sr u n t i m ei sr e l a t e dt ot r a m cl o a dv e r yc l o s e t h e r e f b r e ，v a l i d i t ya n dv e r a c i t ya r eo b v i o u sf b rt h ea p p r o x i m a t ea l g o r i t l l l n a n di t sc o m p u t i n gs p e e di sv e r yr a p i d ，e s p e c i a l l yu n d e rt h ec o n d i t i o no f 1 a r g et f a f f i cl o a d f u n h e m o r e ，w ea p p l yt h i sa l g o r i t h mt om ef i e l do f v i r t u a lp 8 t hb a n d w i d t ha u o c a t i o n ，r e m a r k a b l ei m p r o v e m e n to fc o m p u t a t i o n s p e e di sa c h i e v e da n dt h ec o 】 i l p u t a t i o ne r r o r i sn e g l i g i b l e ( 3 ) a tp r e s e n t ，t h e r ea r et h r e ef a s h i o na l g o r i t h m si na l l o p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m so fb 粕d w i d t l la l l o c a t i o nf o rm e d i u ma n ds m a l ls c a l en e t w o r k s ： “b i s e c t i o n a l g o r i t h m ，s t e pa l g o r i t h m ” a n d“g e n e t i c a l g o r i t h m ”w e i n t r o d u c et h e s et h r e ea l g o r i t h m sb ya n a l y z i n gp r i m a r yp e r f o r m a n c eo f t h e s et h r e eo p t i m a lb 锄d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h m s a n dw ea p p l ya 1 1 a p p r o x i m a t ea l g o r i t h mf o rc b pc a l c u l a t i n gt os t e pa l g o r i t h ma n dt h er e s u l t i s s a t i s f y i n gf o rr u n n i n gt i m e i ti m p l i e st h ee s s e n t i a l i t yo fc a l c u l a t eo f c b pi ns t e pa l g o r i t h m i v a b s 自r a c t ( 4 )b a s e do nq u e u et h e o i 孔w eh a v es t u d i e dt h ec h a r a c t e ro fq u e u es y s t e m g m 1 t h eq u e u em o d e l i n go ff i n i t eb u f 托ra n di n f i n i t eb u f f b ra r ea 1 1 a l y z e d u s i n gp h a s et y p ea n dm a t r i xg e o m e t r i cs 0 1 u t i o na p p r o a c ha n dp r o v e dt h e p r o p o n i o n a l i t yo ft h ee q u i l i b r i u mq u e u el e n 豇hp r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o ni n g m la i l dg m 1 kq u e u e ( 5 )t h ed i s c o v e r yo ft h es e l f - s i m i l a rn a t u r eo fn e t w o r kt r a m ch a sg r e a t i m p a c t so nb o t ht h et h e o r y o fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa n dt r a m c e n g i n e e r i n g t h e r ei sag r e a td i f f i c u l t yi np e r f b r m a n c ea n a l y s i sf b rn e t w o r k w i t hs e l f - s i m i l a rt r a f n c s o 觚t h e r ei sn oa c c u r a t ea n a l y t i c a lm e t h o di n t h i sa r e a b a s e do nc h a o t i cm a pw o r kb ya g i o v a n a r d ie t ca n da p p l y i n g t h ep r o p o r t i o n a l i t yo ft h ee q u i l i b r i u mq u e u el e n g t hp r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n i ng m 1a n dg m l kq u e u e ，t h ed i s s e r t a t i o nd e d u c e st h ef o r m u l a eo f v a r i o u sp a r 啪e t e r so nt h ec o n d i t i o no ff i n i t eb u f ! l b r t h e s ep a r a m e t e r s i n c l u d ec e ul o s s p r o b a b i l i t y ， b u f f b ro v e r n o wp r o b a b i l i t ye t c w ec a l l c o n c l u d et h a tt h er a t i o n a l i t yo ft h e s ef o r m u l a ef r o mt h ee m u l a t i o n a l e x a m p l e sw i t hv a r i o u sb u f f e r sa n dv a r i o u sp a r a m e t e r so fs e l f - s i m i l a r ( 6 ) w e p r o p o s ea no p t i m a ls c h e m eb a s e do nh i e r a r c h i c a lh o l o g r a p h i cm o d e l i n g b ya p p l y i n gh i e r a r c h i c a lh o l o g r a p h i cm o d e l i n gi nl a r g es y s t e mt h e o r yt o r e s o u r c em a n a g e m e n ti nl a r g es c a l en e t w o r k s k e y w o r d s ： t e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ； p e r f o f m a n c ea n a l y s i s ；o p t i m i z a t i o n ； b a n d w i d t ha u o c a t i o n ；q u e u i n g ；s e l f - s i m i l a r i t y v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 宗晖 日期：面年6 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密戳 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： f 焉、蹲 形旋 1 日期：讪修年6 月f r 日 日期：眦年6 月j 日 第一章绪论 第一章绪论 2 0 世纪最重要的技术发展是以计算机和远程通信技术为基础的网络建设，以 及全球的信息化进程，它给人类信息交流的模式带来了一场前所未有的革命，引 发了世界范围内信息环境的改变，这是由于技术革命所引发的重大社会变革之一。 网络对全球产生了广泛而深入的影响，已经渗透到管理、教育、医疗等各个领域。 1 1 网络流量控制与拥塞控制问题 近年来，通信技术的研究使异步传输模式( a t m ) 技术成为实现宽带综合业 务数字网( b i s d n ) 的方式，它使得公用交换网发生革命性的变化。a t m 支持 突发性信源，利用统计复用方式可以获得较高的频带利用率，使多种业务灵活有 效地共享网络资源。但当大量突发业务同时进入网络时，每个突发信源可能在瞬 间以接近峰值速率的速度产生信元，这就可能引起严重的网络阻塞，因此，必须 对流量进行控制。流量控制技术的优劣将对网络传输性能起到至关重要的作用。 概括地说，流量控制就是为了避免网络拥塞的出现而采取的一系列操作( a t m 层的拥塞是指网络不能达到连接建立时所签订的流量合同) ：拥塞控制是当网络发 生拥塞时，为避免网络进一步恶化和缓解网络拥塞而采取的一系列操作。在a t m 网络中，除了可以为信息提供高速率、高带宽的传输功能外，更为重要的是能灵 活地支持现有的和将来可能出现的各种业务，并对各种业务提供服务质量保证， 使网络达到很高的资源利用率。要达到这些目的就需要对不同业务运用不同的流 量控制和拥塞控制机制。流量控制和拥塞控制都是为了提高网络性能，保证业务 服务质量( q o s ) ，通常统一称之为流量控制技术。 a t m 网络经连接许可控制建立连接后，基于连接的特性和o o s 要求，必须给 这个连接分配一定的带宽。由于a t m 网允许所有连接共享带宽资源，加上各类 服务传输速率变化很大，因此，实际入网的传输流量很有可能超过分配给它的带 宽，造成拥塞。这时就需要对传输流量进行监控，以保证业务流传输过程中的特 性与它申请入网时要求的传输特性以及网络分配给它的带宽相符。当输入源开始 超过其协商的速率时就会产生拥塞。通常在设计网络时就将有定的备用容量， 所以如果在有限的时间内，有限数量的信源超过了其预约的峰值信元速率( p c r ： p e a kc e l lr a t e ) 或可维持信元速率( s c r ：s u s t a i n e dc e l l r a t e ) ，一般说来不会有太 大的问题。理由是由于来自每个信源通信量的到达过程是随机的，而且可能是独 立的，因此所有信源同时超过其所分配带宽的概率很低，从而在某一点上，为信 源分配较高带宽而不超过交换机容量是可能的。尽管如此，如果网络拥塞，还应 华南理工大学博士学位论文 有相应方法进行控制。一个明显的方法是采用监管机制：如果一个虚通道( 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，直到网络拥塞 状况得到控制。在这种方法中，网络本质上是为将产生拥塞的v c 重新分配带宽。 流量控制技术的两个主要问题是：在连接允许控制“1 ( c a c ) 中如何根据q o s 进行 带宽分配；如何发现拥塞征兆及采取措施预防拥塞。 下面对近十年来流量控制技术方面的一些主要研究成果予以总结，并同时对 带宽分配管理方面的研究进行了综述。 1 1 1a t m 网络的四种服务类型 i t u t 和a t m 论坛”1 都对a t m 层服务进行了定义，i t u t i 3 7 1 。3 和a t m 论坛业务管理规范( 4 o ) 给出了最新的说明，它们在a t m 服务的定义上略有差 异，a t m 论坛将其称为“a t m 服务类型”，而i t u t 将其称为“a t m 层传输能 力”。 a t m 服务类型或a t m 层传输能力的定义实质上是给出了各种a t m 连接的划 分，划分后的某一类a t m 连接在业务模式、q o s 要求及用于资源分配的控制机 制的使用上有一致的特性。按照网络资源分配的观点，a t m 服务类型或a t m 层 传输能力分类如下： 1 1 1 1 恒定比特率服务c 昧( c o n s t a n tb i tr a t e ) c b r 服务类型用于要求固定带宽的连接，带宽大小由p c r 说明。该类服务最 适用于实时应用，即对信元传输延时( c t d ) 和信元时延偏差( c d v ) 有严格要 求的应用，比如声音、视频传输应用和电路仿真服务( c e s ) 。对于这种服务，在 连接建立之后，网络对所有遵守一致性测试的信元都保证提供协商好的0 0 s 。对 于信元丢失优先级( c l p ) 为o 的信元要提供对信元丢失率( c l r ) 的说明，而 对于c l p 为1 的信元是否提供c l r 的说明则由各应用自行决定。c b r 典型服务 的应用有： 视频会议 交互式音频( 如电话) 音频视频分配( 如电视、远距离学习) 音频视频检索( 如视频点播( v o d ) 、音频库检索) 1 1 1 2 可用比特率服务a 昧( a v a il a b l eb i tr a t e ) a b r 服务是为带宽范围已经大体知道的突发性信息传输而设计的。使用a b r 服务就避免了作长期的固定带宽的承诺。a b r 是唯一一种网络会向发送者提供速 2 第一章绪论 度反馈的服务类型。当网络中拥塞发生时会要求发送者减小发送速率。假设发送 者遵守这些请求，采用a b r 通信的信元丢失就会很低。 a b r 服务适用于有能力调整自身信息速率的信源，这种信源可以根据网络的运 行情况及时增加或减少信息发送速率，充分利用a t m 层传输特性的变化。a b r 服务不对c d v 实施控制，它不适用于实时应用，但它要求保持较低的信元丢失 率( c l r ) 。 1 1 1 3 可变比特率服务v 昧( v a r i a b i eb i tr a t e ) v b r 服务被划分为两个子组别，这两个子组别是分别为实时传输和非实时传 输设立的。 实时v b r 服务( r t _ v b r ) 用于时间敏感性应用( 对延迟和延迟变化的要求 很严) ，比如声音和视频传输应用，这种信源具有突发特性，实时v b r 服务支持 实时信源的统计复用。 非实时v b r 服务( n r t - v b r ) 用于具有突发业务特性，但对延迟和延迟变化 要求不苛刻的应用，主要用于定时发送的通信场合。在这种场合下，一定数量的 延时及其变化是可以被应用程序所忍受的。非实时v b r 服务同样支持连接的统 计复用。 1 1 1 4 未指定比特率服务u b r ( u n s p e c i f ie db i tr a t e ) u b r 服务是一种“尽量式”的服务，用于对延时和延时变化没有严格限制且 无q o s 说明的应用。u b r 不作任何承诺，对拥塞也没有反馈。这种类型很适合 于发送i p 数据报，因为i p 也不作有关发送的任何承诺。如果有剩余的容量时， 所有的u b r 信元被接受；如果发生拥塞，u b r 信元也会被丢弃。u b r 信元在被 丢弃时，并不给发送者发送反馈，也不给发送者发送希望放慢速度的期望。使用 u b r 服务的信源发送的是不连续的突发信源流。u b r 服务支持高度的统计复用， 可以充分利用网络带宽资源。 1 1 1 5 四种服务类型比较总结 表1 1 是a t m 四种服务类型的特性总结。 华南理工大学博士学位论文 表卜1a t m 四种服务类型的特性总结 t a b l e1 1c h a r a c t e r i s t i co ff o u rs e r v i c e si na t m 服务特性c b r i 己1 乙v b rn r l ：v b ra b ru b r 带宽保证是是是可选 不 适用于实时通信是是 不 不 不 适用于突发通信 不不 是是是 有关于拥塞的反馈 不不 不是 不 1 1 2 流量控制技术的一般方法 根据i t u ti 3 7 1 。3 的建议，流量控制的作用主要是： ( 1 ) 保护网络和用户的预先约定的性能( 服务质量，即q o s ) ，如信元丢失 率、信元传输时延等参数，避免网络拥塞的出现。 ( 2 ) 优化网络资源的使用，提高网络的利用率。 a t m 网络流量控制主要在网络的入口处，即在用户一网络接口( u n i ) 处限 制进入鼹络的数据量以避免网络负载过重产生拥塞。 i t u - ti 3 7 1 定义了以下功能模块来实现流量控制： 连接接纳控制( c a c ) 、 用户参数控制( u p c ) 、网络资源管理、优先权控制、流量整形、拥塞控制、a b r 业务的流量控制等。实际应用时常常根据需要选择其中几项同时运行来实现流量 控制。 1 1 2 1 连接接纳控制( c a c ) c a c 是一种基本的也是重要的流量控制方法，是a t m 交换机在呼叫建立阶段 为决定是否建立虚通道连接( v c c ) 或虚通路连接( v p c ) 而采取的一系列措施。 c a c 最基本的功能是对一已知呼叫连接请求，按照其业务质量，根据整个网路资 源是否能满足现有已建立呼叫的服务质量来决定对此呼叫连接请求是否予以接 受。c a c 作出决定时需要对q o s 类型、信元时延变化容限等进行用户和网络之 间的协商( 签订流量合同) 。 1 1 2 2 用户参数控制 当用户设备向a t m 网络申请建立一个连接时，两个设备间就要对此连接建立 一个约定，以便对用户数据进入网络时的峰值信元速率( p c r ) 、最小信元速率 ( m c r ) 、可接受信元速率( s c r ) 、最大突发率( m b s ) 、信元时延变化容限( c d v t ) 等做出规定。连接建立后，用户参数控制将对连接中的用户数据流量进行检查， 第一章绪论 看其是否符合约定。若符合约定，则将数据不做处理的传输出去；若违反了约定， 则将对信元做出处理。处理方式有两种：其一为标记信元。将信元头中的c l p 置 l ，即降低信元的丢失等级，以表示其不符合约定，但目前仍有足够的带宽可以供 其使用。不过，当出现带宽资源不够的情况时，这些做过标记的信元将被首先有 选择地丢弃。其二为丢弃信元。直接将违反约定的信元丢弃。c b r 业务主要由 p c r 参数控制，v b r 业务由p c r 、s c r 、m b s 三个参数控制，a b r 业务由p c r 、 m c r 控制，u b r 业务由p c r 参数控制。 1 1 2 3 资源管理模块 网络资源管理模块用来分配和管理虚通道标识虚通道标识( v p i v c i ) 资源， 以便按照业务特性，区分各业务流量。网络资源管理中，对虚通道和虚通路的管 理有具体要求。 1 1 2 4 流量整形( t r a f f i cs h a p i n g ) 流量整形是调整数据传输的平均速率以及突发性的。流量整形是一种改变 v c c 或v p c 上的信元流的业务特性以使网络利用率提高的机制，本机制可以将 业务流特性加以修正，但它必需同时保证a t m 连接的序列完整性。业务流整形 可以通过降低峰值速率、限制突发业务流的长度、及时调整信元间隔以降低信元 时延变化、业务排队机制等几个方面来实现。流量整形可在网络中任何地方实现， 例如在网络交换机出口处，通过消除累积突发信元和信元时延抖动，能使a t m 终端用户获得更好的q o s 。 1 1 2 5 拥塞控制 拥塞是指一个a t m 网络，当它对于一个已有的连接不能保证其所允诺的服务 质量性能参数时，称这种现象为拥塞。拥塞的发生可能是由于网络本身设计不太 合理，网络出现故障或在业务中出现不可预测的突发情况。拥塞控制主要解决 a t m 网络中交换机之间的数据传输问题。主要技术有选择性信元丢弃和拥塞指 刁葛o 1 选择性信元丢弃 由于每个网络结点内的信元缓冲器空间总是有限的，因而可能造成流向某个 ( 些) 交换机的某些端口的信元数量超过它所能接受的程度，从而出现拥塞。实 现各业务流的优先级控制从而缓解或者避免拥塞的基本方法是对信元进行选择性 丢弃。a t m 信元有两种优先级，信元头中的c l p = o 表示此信元属于高优先级， 要尽量保证传输；c l p = l 表示此信元属于低优先级，在网络出现拥塞时首先丢弃， 以缓解拥塞程度，来保证高优先级信元的服务质量。另外，交换机还需要采取更 华南理工大学博士学位论文 智能化的丢包技术，如早期丢包和尾