（计算机应用技术专业论文）宽带网络技术的研究——bbe网络中流量控制及其相关问题.pdf

湖南大学硕士学位毕业论文 y3 9 8 2 9 摘要 诸如i p 电话、视频会议这样的新应用不断涌现，越来越增加了对 i n t e r n e t 多媒体应用流的需求。有些用户愿意支付更高的代价，以获得高质 量的网络服务来满足他们的应用需求；同时，也有大量的用户只希望花费 尽可能少的费用满足一些基本应用的需求，例如电子邮件交换及w e b 搜索。 然而传统的网络只提供b e ( b e s t e f f o r t ) 服务，不管应用流的需求是什么， 都同等地对待它们。i s p 应该如何根据应用流的不同需求提供有区别的服务 质量( q o s ) ，目前比较好的解决办法就是采用提供b b e ( b e t t e r - t h a n b e s t e f f o r t ) 服务的网络。b b e 服务网络能够提供不同级别的 q o s ，目前包括综合业务模型( i n t s e r v ) 、异步传输模式( a t m ) 和分类业 务模型( d i f f s e r v ) 。、 本文主要研究a t m 和d i f f s e r v 这两种宽带网络技术方面的问题6 主要 工作包括以下几个方面： 、 1 分析了a t m 网络中各种可提供位率服务( a b r ) 流量控制方法， 根据最大一一最小公平性原则提出了一种充分分配带宽的确定速 率计算流量控制方法。这是一种基于速率的流控方法，能最大限度 的满足v c 的带宽请求，提高了信道使用率，具有公平性。 2 缓冲结构在流量控制中也起着重要作用，本文分析了a t m 交换机 的几种缓冲结构的优缺点，在此基础上提出了一种新型的a t m 交 换机缓冲结构。这种缓冲结构根据信元所属的服务类型排队，切实 保障了不同类型服务的q o s ，另外还能够解决头阻塞问题，缓和突 发通信量，提高资源利用率，并且降低成本。 3 对d i f f s e r v 网络的a f ( a s s u r e df o r w a r d i n g ) p h b ( p e r - h o p b e h a v i o r ) 进行研究，在一个扩展了的简单t c p 模型基础上，用数学方法在理 论上进行分析，得到影响a f 汇聚的带宽分配的因素，这些因素包 括c i r ( c o m m i t t e d i n f o r m a t i o nr a t e ) 、r t t ( r o u n d t r i pt i m e ) 、流的 数量、包的大小以及经过的拥塞节点数，并且通过模拟实验验证了 这些因素对分配a f 汇聚的带宽的影响。由此进一步发现c i r 与 a f 汇聚获得的超出带宽成反比，为下一步改进通信量调整方法提 供了的依据。 4 。针对c i r 因素引发的不公平性问题，基于公平性原则给出了一个补 偿c i r 的通信量调整方法。在这种方法下，为较高c i r 支付的用户 能享受比为较低c i r 支付的用户一样甚至更高的超出带宽，保证了 带宽分配的公平性，并且通过模拟验证了算法的公平性。 5 讨论了a f 通信量中t c p 与u d p 的相互关系，t c p 通信量是应答 式的，而u d p 通信量是非响应式的，它们相互影响。本文通过模 拟实验比较出一个较好的分配t c p 通信量和u d p 通信量的a f 类 塑宣查兰堡圭兰堡望些堡茎 和丢弃优先次序的方案，使得在供给富足网络中t c p 通信量和u d p 通信量均能达到目标速率，并且公平地分享超出带宽，面在网络供 给不足时受到与它们的目标速率成比例的质量下降。丐 j 关键词：服务质量异步传输模式可提腆位率服务分类服务保证处理转 发随挑早期探测 、 秀膨i 瓶，7 ，易粥终，淡螺剂 玎 湖南大学硕士学位毕业论文 a b s t r a c t t h e r ei sa ni n c r e a s i n gd e m a n df o rs t r e a m i n gm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n so v e r i n t e r n e ta sm o r ea n dm o r en e w a p p l i c a t i o n sa p p e a rs u c h a si p p h o n e ，v i d e om e e t i n g s o m eu s e r sw o u l dr a t h e rp a ym o r ef o rb e t t e rs e r v i c e st om e e t r e q u i r e m e n t so ft h e i r a p p l i c a t i o n s a tt h es a l t l et i m em o s t u s e r so n l yw a n tt op a ya s1 i t t l ea sp o s s i b l ef o r b a s i ca p p l i c a t i o n ss u c ha se _ m a i le x c h a n g ea n dw e b b r o w s i n g t r a d i t i o n a ln e t w o r k o n l yo f f e r sb e s t e f r o r t ( b e ) s e r v i c e st h r o u g hw h i c ha l lt r a f f i c s a r ee q u a l l yt r e a t e d w h a t e v e rt h e i rr e q u i r e m e n t sa r e h o wd oi s p sp r o v i d ed i f f e r e n tq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) a c c o r d i n g t od i f f e r e n t s t r e a m i n ga p p l i c a t i o n s r e q u i r e m e n t s n l eb e r e r m e 也o dt or e s o l v ei ti su s i n gb e s t - t h a n b e s t e f f o r t ( b b e ) n e t w o r kw h i c hi n c l u d e s i n t e g r a t e ds e r v i c e s ( i n t s e r v ) ，d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ( d i f f s e r v ) a n d 删 w e s t u d y a ：i ma n dd i f f s e r v t h em a i nr e s e a r c hi n c l u d e sf o l l o w i n gs e c t i o n s 1 t h i sp a p e ra n a l y z e sc u r r e n ta i ik i n d so fa v a i f a b l eb i tr a t e ( a b r ) s e r v i c e f l o wc o n t r o ls c h e m e so fa n v 【n e t w o r k a c c o r d i n gt oam a xm i nf a i r n e s s s t a n d a r d 。t h i sp a p e rp r o p o s e sa ne x p l i c i tr a t ec a l c u l a t i n ga b rf l o wc o n t r o l s c h e m ew h i c hs a t i s f i e sv c s r e q u e s t sa sp o s s i b l ea si tc o u l d i ti sar a t e _ b a s e d m e t h o d a n di tt a k e so n p e r f e c tf a i r n e s s h i g hc h a n n e lu t i l i z a t i o n 2 b u f f e rs t r u c t u r ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo nf l o wc o n t r 0 1 t h i sp a p e rc o m p a r e s s e v e r a lb u f f e rs t r u c t u r e sa n da n a l y z e st h e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h e naf e a s i b l eb u f f e rs t r u c t u r ew i t hb y p a s st e c h n o l o g ya n ds h a r i n gb u f f e r t e c h n i q u e i sp r o p o s e d u n d e rt h i sk i n do fb u f f e r , t oa s s u r ed i f f e r e n tq o se e l l s q u e u ea c c o r d i n gt ot h e i rs e r v i c et y p e a d d i t i o n a l l yu s i n gt h i sk i a n do fb u f f e r c o u l ds o l v eh e a d b l o c k e d ，s h a p et h eo u t p u tf l o w , e n h a n c ec h a n n e lu t i l i z a t i o n a n dd e c r e a s et h ec o s to f a n 垤s w i t c h 3 t h i s p a p e r r e s e a r c h e ss o m ei s s u e sa b o u ta s s u r e d f o r w a r d i n g ( a n p e r - h o p b e h a v i o u r ( p h b ) i nd i 嬲e r vn e t w o r k i n g t i l i sp a p e ra n a l y z e s f a c t o r sw h i c ha f f e c tb a n d w i d t ha s s i g n m e n tf o ra fa g g r e g a t e sb yu s i n ga n e x t e n d e ds i m p l et c p m o d e l t h e ya r cc 瓜r t t , n u m b e r o ff l o w s s i z eo f p a c k e t sa n d n u m b e ro f c o n g e s t e d n o d e s t h r o u g h w h i c ha n a g g r e g a t eg o 4 t h i sp a d e rp r e s e n t san e wt r a f f i cc o n d i t i o n e rw h i c hr e s o l y e st h eu n f a i r n e s s p r o b l e m c a u s e d b yc 取t h r o u g hc o m p e n s a t i n gc 瓜u s i n g t h i sn e w c o n d i t i o n e rt h eb a n d w i d t hw h i c hi sa s s i g n e dt ou s e rw h o p a ym o r ef o rl a r g e r c tv a l u ew i l ln ol e s st h a i im a tw h i c hi sa s s i g n e dt ou s e rw h o p a yl e s sf o r s m a l l e rc tv a l h e 5 n i sp a d e rd i s c u s s e sm ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt c pt r a f f i ca n du d pt r a f f i ci n d j f f s c r yn e t w o r k t c pt r a f f i ci s r e s p o n s i v e o n ea n du d pt r a f f i ci s n o n - r e s p o n s i v eo n e t h e yi n t e r a c ti n - q o sd i f f s e r vn e t w o r k t h i sp a l ：i e r n l 湖南大学硕士学位毕业论文 p r o p o s e dab e t t e r s c e n a r i ot oa s s i g nt h e i ra fc l a s sa n dd r o pp r o c e d e n c e t h r o u g hc o m p a r i n ga l l k i n d so fs c e n a r i o s u n d e rt h i ss c e n a r i o ，b o t hu d p a g g r e g a t e a n dt c p a g g r e g a t ec o u l d a c h i e v et h e i rt a r g e tr a t e sa n df a i r l ys h a r e e x c e s sb a n d w i d t hi na no v e r - p r o v i s i o n e dn e t w o r k ，a n da l lt c pa n du d p f l o w sc o u l d e x p e r i e n c ed e g r a d a t i o ni np r o p o r t i o n t ot h e i rt a r g e tb a n d w i d t hi n a nu n d e r - p r o v i s i o n e dn e t w o r k k e y w o r d s ：q o s ，a t m ，v b r ，d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e ，a s s u r e df o r w a r d i n g ，r e d 湖南大学硕士学位毕业论文 第一章绪论 随着科学技术的迅速发展，信息已成为推动社会发展的巨大动力，信息领域的 竞争将是世界经济竞争的焦点，信息高速通信网络的建设及其应用水平又是信息 领域竞争的焦点之一。 1 1 网络技术研究现状 6 0 年代中期成立的a r p a n e t 和8 0 年代出现的n s f n e t 互联以后。很多地区 网络开始加入，并且开始与加拿大、欧洲和太平洋地区的网络互连，人们开始把 互联的网络集看成互联网，发展成今天十分普及的i n t e r n e t 。i n t e r n e t 的基础就是 t c p i p 参考模型和t c p i p 协议栈。今天的i n t e r n e t 是典型的最大努力( b e ) 网络， 它提供b e 服务，不做任何服务质量( q o s ) 保证，所有用户包平等地竞争网络资 源。b e 采用先进先出队y l j ( f i f o q ) ，这种排队为所有数据包提供单一的服务级别。 然而诸如i p 电话、视频会议、实时播放等新应用不断涌现，越来越增加了对 网络多媒体应用流的需求。一些用户愿意支付更高的代价以获得更好的网络服务 来满足他们的应用需求；同时也有大量的用户只希望支付尽可能少的费用来满足 些基本应用的需求，例如电子邮件交换、w e b 搜索。这就需要对服务分类，根据 用户需求提供不同的服务质量，但是作为只提供b e 服务的i n t e r n e t 就变得越来越 力不从心了；另外诸如带宽和缓冲空间这样的有限的网络资源日益吃紧，导致严 重的传输拥塞，这种拥塞的存在使得不能大量采用传统的母网络作为实时应用和 高需求应用的传输机制；许多应用流需要得到比b e 更好的发送，进一步使得目前 的i n t e r n e t 逐渐变得不能充分满足各种多媒体流应用的服务需求。p 网络出现的所 有服务质量问题归根结底是带宽不足带来的。充分加大目前网络的带宽( 包括骨 干网和接入网两部分) ，以使其超过用户的需求是解决i n t e m e t 服务质量问题最直 接最有效的办法。但是带宽的增加受各种因素制约，而且新应用的不断出现决定 了口网络带宽的增长永远无法完全满足所有业务带宽的需求。那么关键问题就应 该是如何利用现有的有限带宽尽量满足q o s 需求较严格的实时应用，研究如何根 湖南大学硕士学位毕业论文 据各种应用流的不同需求在网络中给出相应的服务成为了一个重要的课题，也就 是说将服务分类，开发允许网络操作者提供各种处理不同级别用户包的服务质量 ( q o s ) 。目前，比较好的解决办法就是采用b b e ( b e s t t h a n b e s t e f f o r t ) 网络， b b e ( b e t t e r - t h a n b e s t e f f o r t ) 网络服务采用诸如w f q ( w e i g h t e d f a i r q u e u i n g ) 和 c b q ( c l a s s b a s e dq u e u i n g ) 这样的多队列或类别策略来实现诸如包允许控制和分类 这样的通信量控制。异步传输方式( a t m ：a s y n c h r o n o u s t r a n s f e r m o d e ) 、综合业 务模型( i n t s e r v ) 和分类业务模型( d i f f s c r v ) 都是提供b b e 服务的宽带网络技术。 a t m 是一个基于虚拟电路( v c ) 的b b e 服务，并提供基于速率的q o s 级别。 但是a t m 不是直接用t c p i p 套件建立的。a t m 结合电路交换和分组交换的优点， 成为国际电报电话咨询委员会( c c r r t ) 确定的传输语音、图像、数据和多媒体信 息的新工具。a t m 是一种快速的数据分组交换技术，能在单一的主体网络上携带 多种多样的信息媒体，进行多种通信业务，受到人们重视。虽然近年来研究热度 有所减退，但是其在局域网上的成功运用和在广域网上体现的强大功能均说明了 它的优越性。a t m 是诸如b i s d n 等公共网络的基本传输模式。a t m 技术被公认 为未来信息通信的关键技术之一，并在各国展开了高速、宽带骨干网的应用实验， 目前许多问题还正在研究解决之中。 d i f f s e r v ( d i f f e r e n t i a t es e r v i c e s ) 和如t s e r v ( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ) 是i e t f 推荐 的两个主要的b b e 服务模型，也是i e t f 对于i p 性能问题研究的两个基本模型， 都提供多种服务质量。i n t s e r v 旨在定义一个最小的对于全网的要求集合，使 i n t e r n e t 转变为一个坚固的综合业务通信基础设施。i n t s e r v 是一种基于流的预留 服务模型，采用先进的冲撞管理，限制延迟、抖动以及网络内带宽消耗的排队算 法。以及能够为特定应用预留带宽的资源预留协议等技术，提供可控负载服务和 可保证服务以支持诸如实时服务这样的要求严格的服务，另外也提供b e 服务。但 是i n t s e r v 要求全网路由器必须保持“软状态”导致可扩展性问题，以及过于复 杂的全程端到端信令。d i f f s e r v 旨在指定一个相对可扩展性较强的方法来保证i p 服务质量。d i f f s e r v 是一种基于包标志的优先权服务模型，提供满足网络应用不 同需求的加快转发( e x p e d i t ef o r w a r d i n g ) 服务和保证转发( a s s u r e df o r w a r d i n g ) 服务。d i f f _ s e r v 的设计思想是希望使用一种与目前m 网络协议想结合的方式来 实现对网络q o s 的保证。但是d i f fs e r v 技术本身也还不完善，它并不能提供端到 端的服务质量的保证，有关的许多技术细节i e t f 都还未给出具体明确的规定，很 2 湖南大学硕士学位毕业论文 多草案还有待于变成r f c 标准文档。 1 2n s 模拟器简介 本文的模拟实验工具采用b e r k l e y 大学研制的n s 2 i b 6 ，下面简单介绍一下这个 模拟器。 n s 模拟器始于1 9 8 9 年开发的r e a ln e t w o r ks i m u l a t o r 的一个变种，以后几年 迅速发展，1 9 9 5 年d a r p a 在开发v i n t 项目时大大地发展了n s 。目前d a r p a 在开发s a m a n 项目时加速了n s 的发展，n s f 也在开发它的c o n s e r 项目时有 力的推动了n s 的发展，它们都与包括a c r i 在内的许多研究机构相互合作，这些 机构也对n s 的发展作出很大的贡献。在众多大学以及研究机构的共同努力下n s 已经由1 9 9 5 年的n s l 0 a l 版本发展到现在的n s 一2 1 b 8 版本，在发展过程将近有5 0 个不同的版本，功能逐步增强，研究范围也逐步扩大。 n s 是一个用c + + 语言编制的面向对象的模拟器，它是事件驱动的，前台是一 个o t c l 解释器。n s 提供了对有线和无线网络上的t c p 、路由、多目传输协议等 协议的坚实支持。该模拟器支持c + + 方面的一个类层次结构一一编译层次机构， 同时也支持o t e l 解释器内的一个类似的类层次结构解释层次结构。从使用者 角度来看，两个层次结构紧密联系，解释层次结构中的类和编译层次结构中的类 存在一一对应的关系。类层次结构中的根类就是类t c l o b j e c t 。用户可以通过解释 器创建新的模拟对象，在解释器内实例化这些对象，并且与解释层次结构中一个 相对应的对象紧密关联，通过在类t c l c l a s s 中定义的方法自动的建立解释类层次结 构，通过在类t c l o b j e e t 中定义的方法相应地映射用户的实例话对象，每一个类包 括配置参数、状态变量和方法三个部分赞成，通过扩展目前的类层次结构可以增 加新类或者模块。 在做详细的协议模拟时，需要能够高效操作字节和包头以及实施自己的各种算 法，这时就要使用c + + 语言进行底层缩码以扩充模拟器功能。如果模拟器已经在 o t c l 级就已经能够满足需要的话，就可以直接用o t e l 语言进行前台编码，设计整 个模拟过程，一般包括三个步骤：定义网络模拟拓扑结构( 包括节点、链路以及 网络的调度算法和路由算法) 、定义通信量模式( 例如f t p 会话的开始时间和结束 时间) 、收集模拟数据以及输出模拟结果。 湖南大学硕士学位毕业论文 1 3 本文所做的工作 本文着手于两个重要的b b e 宽带网络技术a 1 m 技术和d i t i s e r v 技术人手。运 用现代数学工具和网络模拟方法对它们进行深入系统的理论研究，分别提出了改进后的 网络流量控制方法。论文具体研究内容包括以下几个方面： 一分析了a t m 网络中各种可提供位率服务( a b r ) 流量控制方法，根据最 大一一最小公平性原则提出了一种充分分配带宽的确定速率计算流量控 制方法。这是一种基于速率的流控方法，能最大限度的满足v c 的带宽请 求，提高了信道使用率，具有公平性。 二缓冲结构在流量控制中也起着重要作用，本文分析了a t m 交换机的几种 缓冲结构的优缺点，在此基础上采用提出了一种新型的a t m 交换机缓冲 结构。这种交换结构根据信元所属的服务类型排队，切实保障不同服务 类型的q o s ，另外还能够解决头阻塞问题，缓和突发通信量，提高资源 利用率，并且降低成本。 三对d i f f s e r v 网络的a fp h b 方面进行研究，在一个扩展了的简单t c p 数 学模型上分析了在d i f f s e r v 网络中影响a f 汇聚的带宽分配的因素，这些 因素包括c i r 、r t t 、流的数量、包的大小以及经过的拥塞节点数，并且 通过模拟验证了这些理论分析结果。 四针对c i r 因素引发的问题，基于公平性原则给出了一个补偿c i r 的通信 量调整方法。在这种方法下，较高c i r 支付的用户能享受比为较低c i r 支付的用户一样甚至更高的超出带宽，保证了带宽分配的公平性，并且 通过模拟验证了算法的公平性。 五讨论了a f 通信量中t c p 与u d p 的相互关系，t c p 通信量是应答式的， 而u d p 通信量是非响应式的，它们相互影响。本文通过模拟实验比较出 一个较好的分配t c p 通信量和u d p 通信量的a f 类和丢弃优先次序的方 案，使得在供给富足网络中t c p 通信量和u d p 通信量均能达到目标速率， 并且公平地分享超出带宽，而在网络供给不足时受到与它们的目标速率 成比例的质量下降。 全文共分五章，除第一章外其它各章内容安排如下： 第二章首先介绍了a t m 网络的技术特征。比较了几种不同的a t m 网络a b r 流量 4 湖南大学顼士学位毕业论文 控制方法，然后提出了一个改进后的基于速率的a b r 流量控制方法，并且给出了详细 的流程。 第三章主要介绍了a t m 交换机的缓冲结构，比较了几种不同的a t m 缓冲结构，分 析它们的优缺点，并且给出了一个改进后的a t m 交换机缓冲结构。 第四章首先介绍了d i f fs e r v 技术的基本特征，然后利用一个扩展的简单t c p 模型 分析了影响a fp h b 带宽分配的各种因素，针对其中的c i r 因素，提出了一种改进的 c i r 补偿a f 流量控制方法，最后讨论了t c p 通信量与u d p 通信量的关系。 第五章对全文的研究工作作出了总结，并对一些未解决的问题作了展望。 5 、 湖南大学硕士学位毕业论文 第二章a t m 的流量控制 2 1 引言 a t m 技术仍在宽带通信网络中起着主导作用，它继承了分组交换的统计复用技术， 通过信息中的信元头来区分不同的通路，用户若无信息发送，则不占用时隙。提高了信 道使用率；同时它也吸收了电路交换的快速交换特点，简化了传统分组交换协议的层次。 网络速率可轻松达到千兆位数量级。 本章简要介绍a t m 网络技术的基本概念、特征，比较了各种a t m 网络中的a b r 流量控制方法，在此基础上提出了改进后的基于速率的流量控制方法。 2 2 a t m 网络技术概述 2 2 1 a t m 技术的基本概念 宽带综合服务数字网( b i s d n ) 将满足未来传输的需要，它将成为所有类型 的信息一一数据、图像和图片、通话、广播电视和交互式视频等提供一种综合高 速服务，所有应用将从能够提供所需服务质量的单一网络中获益，特别是交互式 多媒体。这些网络将用到数字交换和传输，a t m 正是所选择的工业技术。 1 9 8 8 年，c c i t t 蓝皮书把a t m 描述成种基于非通道化的高速数字链路的 交换技术，链路本身是全部基于光纤的点到点的干线，安排成每秒千兆位范围的 等级速度，a t m 是一种传输方式，在这种方式中，信息被组织成固定长度的信元。 a t m 协议的参考模型定义了一套对网络用户的服务。a t m 标准主要由a t m 用户层、a t m 适配层、a t m 层和a t m 物理层组成。用户层( u s e r l a y e r ) 的主要 功能是支持各种用户服务，这些服务包括恒定位率服务( c b r ) 、实时的可变位率 服务( r t v b r ) 、非实时的可变位率服务( n r t v b r ) 、可提供的位率服务( v b r ) 和未指定的位率服务( u b r ) 。a t m 适配层( a t ma d a p t i o nl a y e r ) 的主要功能是 适配从用户平面来的信息，以形成a t m 网可用的格式，用户传给a t m 的信息往 往是多种格式，a t m 网可以传输数据语音和视频信号，故每种信号都要求对a t m 6 湖南大学硕士学位毕业论文 网络有不同的适配，因此a t m 定义了不同类型的a a l 服务。a t m 层( a t m l a y e r ) 的主要功能是负责生成信元，它接受来自a a l 的4 8 字节的信息，加上相应的5 字节的信元头，形成5 3 字节的信元，提供分组交换能力。物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 处于a t m 协议模型的最下面一层，由传输汇聚子层和物理介质子层组成，主要负 责信元编码并将信元提交给物理介质，传输汇聚子层接受a t m 层来的信元，组装 成适当格式，并在物理介质子层上传输，接受方的传输汇聚子层从物理介质子层 的字节流中提取信元，验证信元头，传递有效信元给a t m 层。 2 2 2 a t m 技术的特征 a t m 的基本传输单元是5 3 字节长的信元( c e l l ) ，其中信元头长5 字节，数据 块占4 8 字节，比其他信头长度小得多，每一个信元固定长度简化了分组和重组的 过程。a t m 是一种面向连接的技术，当发送端想要与接收端通信时，它通过u n i 发送一个建立连接请求的控制信号，接收端收到该控制信号后，如果同意建立连 接，则一个虚拟线路就会被建立，用虚通路标识( v p i ) 和虚通道标识( v c i ) 表 示该虚拟线路，在虚拟线路上的中间节点都会建立相应的线路映射表，虚拟线路 建立完后，需要传送的信息被分割成4 8 字节的，加上5 字节的头后通过虚拟线路 传送到接收端。当信元通过一个交换机时，交换机根据信元头部的v p i 和v c i 查 找交换表，获取信元的输出v p i 、v c i 和端口号，信元根据查到的出口到下一站， 继续路由直到抵达目的地。几条虚拟通道和虚拟通路可以分享一条链路的带宽， 利用快速交换技术和灵活的多路复用技术，a t m 兼具电路交换和分组交换的优势。 因此，a t m 能够提供对数据、语音和影像等的服务。 a t m 网的一个重要特征是它支持各种不同的服务类型以适应具有不同服务质 量( q o s ) 的应用，在u n l 4 0 中根据服务质量的不同，a t m 网络中的信息类型可 分为四种，它们是恒定位率服务( c b r ) 、实时的可变位率服务( r t v b r ) 、非实时 的可变位率服务( n r t v b r ) 、可提供的位率服务( v b r ) 和未指定的位率服务 ( u b r ) 。当建立c b r 连接或v b r 连接时，就协商好了保证q o s 需求的通信协议。 而建立a b r 连接时，并未为该连接保留带宽，所以a b r 就使用未被c b r 和v b r 使用的剩余带宽，如果还剩下带宽未被c b r 、v b r 和a b r 使用，则分给u b r 使 用了。 7 湖南大学硕士学位毕业论文 2 3 a t m 流量控制的研究 在所有的服务类型中，a b r 是最适合使用流量控制的，在流量控制中。为了 避免拥塞，应该事先根据网络负载动态地调整输入通信量，并且根据每一个连接 的需要有效地分配带宽，通过流量控制来增加信道的使用率及减少信元丢失率， 预先防止拥塞的产生。 a t m 的流量控制可分为两大类，一类是基于信誉的流量控制，另一类是基于 速率的流量控制。一个好的流量控制应当具有高信道使用率、低信元丢失率、公 平性、低振荡性、良好的收敛性及较低的参数敏感度。 2 3 1 基于信誉( c r e d i t ) 的流量控制 基于信誉的流量控制通常是一跳接一跳式的，每一个上游的节点在发送给下游 节点数据前必需从它的下游节点接收信誉。针对每一个v c 均需设置一个队列，上 游节点从它的下游节点接收信誉的时间及调整它的速率的时间是很短的。因此， 基于信誉的流量控制具有零信元丢失率，这种类型的流量控制适合于局域网。但 是对于广域网来说，由于v c 数量的巨大，导致完成交换的代价相当大，这种类型 的流量控制过于复杂。 2 3 2 基于速率( r a t e ) 的流量控制 基于速率的流量控制通常是端到端的流量控制，每一条v c 都有一个源端系统 ( s e s ) ，几个交换机( s w ) ，一个目的端系统( d e s ) 及连接它们的链路，如图 2 - 1 所示。数据开始以初始信元速率( i c r ) 从s e s 发送到d e s ，因此，初始时允 许的信元速率( a c r ) 等于i c r 。资源管理信元( r m ) 头部的e f c i 位用于搜索 在前进方向上从s e s 到d e s 的交换机的通信量信息。而在返回方向上，d e s 向s e s 发送回r m 信元，在返回方向上中间交换机是否修改r m 信元取决于不同的策略。 然后s e s 根据接收回的r m 信元调整它的a c r 。另外，还要指定最小信元速率 ( m c r ) 和峰值信元速率( p c r ) 以控制流量。下面比较几种主要的基于速率的 流量控制方法。 8 湖南大学硕士学位毕业论文 图2 - 1 基于速率的流量控制 二进制策略( e f c i 标志法) 是一种负反馈机制，用于第一代a t m 交换机，当 网络负载过高或者环游时间( r t t ) 过长时，从s e s 到d e s 的r m 信元被阻塞或 延迟，而s e s 仍不断地增加它的a c r ，特别在w a n 中更有可能导致此类问题， 而且达不到好的稳定性，在该方法中没有考虑到公平性。 成比例速率控制算法( p r c a ) 避免了二进制策略中的r m 信元丢失的问题， 但是这种方法由于它在分配a c r 时过于保守，可能导致信道使用率太低，而且会 产生另一个致命的问题，当两条v c 通过同一条链路时，经过更多交换机或者有更 长路由的v c 有可能比另一条v c 分享更少的带宽。 改善的成比例速率控制算法在s w 缓存中设置了两个门槛值( q t 及d q t ) 来 进一步控制通信量，但是这种算法使s e s 的a c r 变化太大，导致信道使用率下降， 信元丢失及收敛性不好。 另一种流量控制方法就是最大一最小公平性确定速率计算流量控制方法，下一 节将重点介绍它。 2 3 3 最大最小公平性确定速率计算流量控制 最大一最小公平性是广泛采用的公平性标准，内容如下： l 、满足每一个带宽请求，或者若有任何请求不能被满足，则必须同等的分配 被满足了的请求未使用的带宽给未被满足的请求，分配给每一个未被满足 的请求的带宽应该不少于分配给任何已满足请求的带宽。 2 、条件1 同样应用于每一条链路。 最大一最小公平性确定速率计算流控算法满足公平性原则，r m 信元双向发 9 湖南大学硕士学位毕业论文 送，前进方向的r m 信元携带v c 的带宽请求，中间交换机获取r m 信元携带的带 宽请求，按照最大一最小公平性原则分配带宽给发送该r m 信元的v c ，r m 信元 到达d e s 后，d e s 仅将r m 信元的方向标志置为返回，返回方向的r m 信元带回 沿途链路中所分配的带宽的最小值，s e s 接收到返回的r m 信元后，更改a c r 为 r m 信元的e r 值。 该方法具有较高信道使用率，不振荡、良好的收敛性、微小的参数敏感度和很 小的信元丢失率。但是由于分配带宽时过于均匀，导致不可能尽可能多的满足带 宽请求，而且对中间交换机的要求较高。 2 3 4 充分分配带宽的速率计算流量控制 1 、基本思想 在满足最大一最小公平性标准的基础上充分分配带宽，尽量满足更多v c 的带宽请求，而不至于为某v c 分配过多的带宽导致不能充分满足另一些v c 的带宽请求。该算法的块图表示如图2 - 2 所示，仍由三部分组成：源端、中 间交换机、目的端。 图2 - 2 块图表示 具体来说，前进方向的r m 的e r 域携带带宽请求，返回来的r m 的e r 域用于存放计算的带宽，并通知s e s 做出相应的动作。每一个s w 保留每一 个经过的v c 的状态以助于分配带宽状态值为满足或不满足。对于每一条 v c 。s e s 的信元速率调整为当前的允许信元速率( a c r ) 。 在源端，发送r m 信元之前设置r m 信元的e r 域( 记为r m ( e r ) ) 为当 前的a c r ，每当s e s 接收到一个r m 信元时，设置它的a c r 为所接收的r m 信元的e r 域的值。 中间交换机完成两大功能，即处理到来的r m 信元及定时对带宽重分配。 0 团团 湖南大学硕士学位毕业论文 在r m 信元处理模块，若r m 信元的方向是前进的且r m 信元携带的带宽请求 不大于中间交换机的平均带宽，则分配所请求的带宽给发送该r m 信元的v c ， 否则分配平均带宽给发送该r m 信元的v c ；若r m 信元的方向是返回的则在 r m ( e r ) q h 存储该v c 的所有链路上分配的带宽的最小值。在带宽熏分配模块， 每隔一定时间重新分配中间交换机的输出链路的带宽，首先计算出总带宽减去 已满足的v c 的带宽，即输出链路的可用的自由带宽( b a v ) ，然后，将b a y 平均分配给状态为未满足的v c 。 d e s 接收到r m 信元后，将r m 信元的方向置为返回，并将r m 信元的 e r 域置为无穷，然后返回r m 信元。 2 、变量定义及初始条件 所需的变量定义如下： b 一输出链路的带宽； n v c 一通过该链路的总v c 数量； n u s 一未满足请求的v c 数； s t a t e i 】一v c i 的状态； b e q一链路的平均带宽； r e q i 】一v c i 请求的带宽； r m ( e r ) 一r m 信元的e r 域的值； a l l o c i 】一分配给v c i 的带宽； r m ( d i r ) 一r m 信元的方向； b a y 一输出链路的可用自由带宽； 初始条件：b e q = b n v c ；n u s = 0 ；s t a t e i = s a t i s f i e d 3 、r m 信元处理模块 在该模块中，r m 信元的方向为前进时，若r m 信元携带的带宽请求大于 中间交换机的输出链路的平均带宽( b e q ) ，且在交换机中发送该r m 的v c 的 状态为“满足”时，分配平均带宽给该v c ，并设置该v c 的状态为“不满足”， 未满足的v c 数自增1 ，修改r m 信元的e r 域并发送给下一个s w ，否则比 较b e q 和已分配给该v c 的带宽，并分配两者中较大值给该v c ，同时修改r m 信元的e r 域，发送给下一个s w ；若r m 信元携带的带宽请求不大予交换机 的输出链路的平均带宽( b e q ) ，则分配所请求的带宽给该v c ，并将所请求的 湖南大学硕士学位毕业论文 带宽与平均带宽的差值平均地分配给未满足的v c ，然后设置该v c 的状态为 “满足”，修改r m 的e r 域，发送给下一个s w 。若r m 信元的方向是返回的， 则比较r m 信元的e r 域的值与中间交换机分配给发送该r m 信元的v c 的带 宽值，将r m 信元的e r 域置为两者中的较小者，以便求出该v c 的最小带宽， 即瓶颈值( 一条v c 可能经过若干条链路，每一条链路上分配的带宽有所不同， 其中带宽最小的链路就是该v c 的瓶颈链路) ，其余链路分配更多的带宽都是 浪费，为了给其他v c 提供更多被满足的机会，因此若分配给该v c 的带宽大 于r m 信元的e r 域的值( r m ( e r ) ) ，则重新分配给该v c 带宽r m ( e r ) ，流 程图如图2 - 3 所示。 4 、带宽重分配模块 在该模块中，每一个时间间隔内中间交换机为那些未满足的v c 重新计算 带宽，对于每一个为被满足的v c ，若请求的带宽( r e q i 】) 不大于平均可用 带宽( b a v n u s ) 。则只要分配所请求的带宽给该v c ，而不必分配给它平均可 用带宽。并且将该v c 的状态置为“满足”，未满足带宽请求的v c 数量减一； 若请求的带宽大于平均可用带宽，则分配平均可用带宽给该v c ，并计数这种 情况的v c 数量k ；循环结束后，若k = 0 。说明所有未满足的v c 的带宽请求 均不大于平均可用带宽，并且现在均已被满足。可以结束本次时间间隔的重分 配，若k 等于循环前的未满足带宽请求的v c 数，说明所有未满足的v c 的带 宽请求均大于平均可用带宽，现已公平地分配给每一个v c 平均带宽，也可以 结束本次时间间隔的重分配；否则，说明还有可重用的带宽可以分配给未满足 的v c ，那么重新计算平均可用带宽，继续循环分配给为满足的v c ，该模块 的流程示意图如图2 - 4 说示。 5 、评价 该流量控制方案的主要优点在于充分满足并协调各个