（计算机应用技术专业论文）supanet的流量控制技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本硕士论文对s u p a n e t 流量控制技术进行了研究。s u p a n e t ( 单物理层 用户数据交换平台体系结构) 是由四川省网络通信重点实验室提出的下一代网 络体系结构，其基本思想是将所有必须的功能集成在单物理层的用户数据交换 平台上，以解决现有i n t e r n e t 所面临的高速交换、服务质量保障、安全、移动 等问题。 计算机网络采用多种技术来处理与拥塞相关的问题，例如拥塞控制、流量 整形、流量控制等，但是他们彼此并不相同。拥塞控制所关注的问题是阻止过 多数据进入通信子网而超过通信子网的承载能力；流量整形强调通信子网中链 路上负载的分布规律。而流量控制，关心的是两个直接通信的节点之间或者建 立了端到端虚通路的端系统之间，数据接收方如何控制发送方发送速度的问 题。 滑动窗口协议是早期网络中典型的流量控制技术，但是它并不适合高速网 络或者长距离通信环境的应用，因为这种情况下需要非常大的窗口。因此，以 太网引入“p a u s e ”帧流量控制机制以取代滑动窗口协议进行流量控制，接收 方通过一个端口简单的将“p a u s e ”帧发送到上游节点要求暂停发送一个指定 时间。从某种意义上说，这些流量控制方法都是建立在“自我保护”基础上的， 它只关心自身拥塞是否减轻而不关心流量控制对上游节点所造成的影响。 服务质量是s u p a n e t 最关心的对象之一，所以，s u p a n e t 需要一个“人 性化 的流量控制机制。本论文试探性的提出了“礼貌请求，尽力响应”( p o l i t e p a u s er e q u e s ta n db e s te f f o r tr e s p o n s e ，p p r 。b e r ) 的流量控制策略。发送到上 游节点的“p a u s e 帧是“礼貌请求”，发送方收到这个“p a u s e ”帧后在不影响 本节点拥塞状态的情况下尽力减小数据发送速率，所以叫“尽力响应 。对 p p r b e r 的仿真结果显示，在流量控制所引起的时延抖动可接受的情况下， 丢包率有明显下降。这表明在高速网络中特别是服务质量保障的网络中流量控 制是比较复杂的问题，必须在这些服务质量参数之间做一些折中的考虑。 本论文中所做的工作是初步的探索性的工作，但是为高速和服务质量保障 的网络提供了一种流量控制的新思路。 关键词：单物理层用户数据交换平台体系结构；流量控制；服务质量；p p r b e r a b s t r a c t t h i st h e s i si sd e d i c a t e dt of l o wc o n t r o lt e c h n i q u e si ns u p a n e t ，a nn g i f r a m e w o r kb a s e do n as i n g l e 1 a y e ru s e r d a t as w i t c h i n gp l a t f o r ma r c h i t e c t u r e f s u p a ) a n dd e v e l o p e da ts i c h u a nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nk e yl a b o r a t o r y t h e b a s i ci d e ab e h i n ds u p ai st oe m b e da l ln e c e s s a r yf u n c t i o n a l i t i e si nas i m p l i f i e d u s e t - d a t as w i t c h i n gp l a t f o r mt om e e tt h ec h a l l e n g e sf a c e dw i t he x i s t i n gi n t e r n e t ， i e h i g h s p e e ds w i t c h i n g ，q o s e n a b l i n g ，s e c u r i t y ，m o b i l i t y ，a n de t c m a n vt e c h n i q u e sh a v eb e e nu s e di nn e t w o r k st od e a lw i t hi s s u e sm o r e o rl e s s r e l a t e dt oc o n g e s t i o n ，s u c ha sc o n g e s t i o nc o n t r o l ，t r a f f i ce n g i n e e r i n g ，a n df l o w c o n t r o l ，a l t h o u g ht h e yd i f f e r f r o me a c ho t h e r c o n g e s t i o nc o n t r o lf o c b s e so n p r e v e n t i n gas u b n e t w o r kf r o mb e i n go v e r w h e l m e db ye x c e s s i v et r a f f i ca n dt r a f f i c e n g i n e e r i n ge m p h a s i z i n g o nd i s t r i b u t i o no ft r a f f i cl o a d a c r o s sl i n k si nt h e s u b n e t w o r k f l o wc o n t r o l ，o nt h eo t h e rh a n d ，c o n c e r n sh o wr e c e i v e r sc a nc o n t r o l t h et r a n s m i s s i o nr a t eo ft h es e n d e r sb e t w e e nt w od i r e c t l yc o n n e c t e dn o d e so ro v e r a na b s t r a c te n d t o e n dc o n n e c t i o n t h et s l i d i n gw i n d o w s i sat y p i c a lf l o wc o n t r o lm e c h a n i s mi ne a r l yn e t w o r k s b u tu n s u i t a b l ef o r h i g h s p e e dn e t w o r k i n g e n v i r o n m e n to r l o n g d i s t a n c e c o m m u n i c a t i o ns i n c ei tr e q u i r e sav e r yl a r g ew i n d o ws i z e t h e r e f o r e ，a “p a u s e m e c h a n i s mi si n t r o d u c e di ne t h e r n e tt or e p l a c e “s l i d i n gw i n d o w s ”m e c h a n i s m a r e c e i v e rs i m p l ys e n d sap a u s ef r a m et ou p s t r e a mn o d ev i aap o r tt oa s kt os t o p s e n d i n gd a t af o ra na s s i g n e dp e r i o do ft i m e i nam a t t e ro fs p e a k i n g ，t h i s m e c h a n i s mi s “s e l f i s h ”a si td o e sn o tc o n s i d e rt h ep o s s i b l ei m p a c to nt h eu p s t r e a m n o d ea n dm e r e l yc a r et oe a s ep o s s i b l ei t so w nc o n g e s t i o n i nt h es u p a n e t ，q o si so n eo fm a i nc o n c e r na n dt h e r ei s an e e df o ra h u m a n i z e d ”f l o wc o n t r o lm e c h a n i s m t h i st h e s i sh a st e n t a t i v e l yp r o p o s e daf l o w c o n t r o lp o l i c yc a l l e dp p r b e r ( p o l i t ep a u s er e q u e s ta n db e s te f f o r tr e s p o n s e ) i no t h e rw o r d s a “pa u s e f r a m es e n tt oa nu p s t r e a mn o d ei m p l i e sap o l i t e “p a u s e r e q u e s t ”a n dt h es e n d e rr e c e i v e d ap a u s er e q u e s tw i l lt r yi t sb e s tt or e d u c ed a t a t r a n s m i s s i o nw i t h o u tc a u s i n gi t so w nc o n g e s t i o n t h es i m u l a t i o n r e s u l tw i t h p p r b e rp o l i c yh a sb e e ne n c o u r a g i n ga n dt h ed a t al o s sr a t ew i t hp p r - b e ri s o b v i o u s l vr e d u c e dw i t ha na c c e p t a b l ei n c r e a s ei nt r a n s i td e l a ya n dj i t t e r t h i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 s u g g e s t st h a ti nah i g h s p e e dn e t w o r kf l o wc o n t r o lb eas e n s i t i v em a t t e r ，e s p e c i a l l y f o raq o se n a b l e dn e t w o r ka n dt r a d e o f f ss h o u l db em a d ea m o n gm u l t i p l eq o s p a r a m e t e r s t h ew o r kp r e s e n t e di nt h i st h e s i si sp r e l i m i n a r yb u ti td o e so p e nu pan e w t h i n k i n gi nd e a l i n gw i t hf l o wc o n t r o li s s u e s i nah i g h s p e e da n dq o s - e n a b l e d n e t w o r k k e y w o r d s ：s i n g l ep h y s i c a ll a y e ru s e r - d a t as w i t c h i n gp l a t f o r ma r c h i t e c t u r e ( s u p a ) ；f l o wc o n t r o l ；q o s ；p p r b e r 西南交通大学曲南父逦大罕 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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：函修指导刻磁名嘈 醐：切l 。， 醐：2 0 10 。6 砌 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： ( 一)初步设计了s u p a n e t 流量控制算法p p r b e r ( p o l i t ep a u s er e q u e s t a n db e s te f f o r tr e s p o n s e ) ，这是本文的研究重点。在算法中，充分考虑 了s u p a n e t 交换机队列模型，制定了基于输出端口虚拟输出总队列和 输入端口虚拟输出队列的综合拥塞来源判断方法，向部分造成拥塞的 主要来源发送p a u s e e p f 帧，在交换机节点应答p a u s e e p f 帧时， 考虑到拥塞的扩散会影响其他数据流的服务质量，制定了上游节点尽 力而为的应答方法，由于s u p a n e t 是高速传输网络，单波长传输速率 达到10 0 g b p s 甚至更高的传输速率，暂停对交换机缓存来说是极为沉 重的负担，所以不再像以太网p a u s e 帧由拥塞节点制定上游节点的暂停 时间，而是由上游节点根据节点网络状况自行决定，在暂停时，也不 会整个暂停，而是选择部分拥塞程度较小的虚拟队列进行暂停。 ( 二)试探性的提出了流量控制无效后，交换机的丢包策略，丢包策略基 于输出端口虚拟输出总队列，丢包发生在输入端口虚拟输出队列，随 着虚拟输出总队列长度的增加，交换机将以不同的概率将d 比特为l 的数据包丢弃。 ( 三)使用网络仿真工具o p n e t 对p p r b e r 流量控制算法进行了仿真。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 学位论文作者签名：焉1 矽 日期2 伽l 。一1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 本课题的研究背景和研究对象 本课题的研究背景是四川省网络通信实验室( s c n e t c o ml a b ) 关于下一代 互联网体系结构( n g i ) 单物理层用户数据传输与交换平台体系结构( s u p a s i n g l eu s e r d a t at r a n s f e r s w i t c h i n gp l a t f o r ma r c h i t e c t u r e ) 2 - 1o 】的研究。其基 本思想是：利用带外信令( o u t o f - b a n ds i g n a l i n g ) 技术，将用户数据传输与交换 平台简化为高速高效的单层用户平台，寓服务质量保障、安全和运行维护机制 ( o & m ) 于单层交换平台之中，在s u p a 域内为单个用户数据流或多个类似 服务质量类用户数据流提供物理层虚拟隧道服务( v i r t u a lt u n n e l i n gs e r v i c e ) 。 “面向以太网的物理帧时槽交换”( e p f t s e t h e r n e t o r i e n t e dp h y s i c a lf r a m e t i m e s l o ts w i t c h i n g ) 【8 9 1 1 】技术则是s u p a 单层交换平台关键技术。 实验室对n g i 的研究策略是“首先研究骨干网底层通信子网然后逐步外延 ( b s f 0 e s b a c k b o n es u b s t r a t ef i r s t o u t w a r d se x p a n s i o ns e c o n d ) ”1 3 ，即首先 以s u p a 体系结构为基础探索n g i 的核心干网技术，而把其他网络视为 s u p a n e t 的接入网；当干网技术成熟之时再从内向外外延，实现从现有 i n t e r n e t 和其他网络向新型网络的平滑过渡。 换言之，s u p a n e t 首先是作为骨干网络的技术，它必须面对单波长1o o g b p s ，甚至更高的速率。由于波长速率高，若节点间距离为10 公里，其传输 时延约5 0 微秒( 光纤中的光传播速度约2 0 万公里秒) ，在1 0 0 g b p s 的波长速 率中，相当于传输5 m 比特的时间，传统基于滑动窗口的流控方式不适合 s u p a n e t 高速交换的需要，而以太网采用的暂停帧方式也需要慎重地采用， 因为暂停l m s 即使上游节点输出端具备缓存能力，也意味着要求上游节点缓 存10 0 m b i t s ( 12 5 m b ) 的数据。这是高速通信子网中必须面对的难点之一。另 一方面，s u p a n e t 又期望提供服务质量保障的服务，因此，对不同服务质量 需求的饿数据，可能需要采取不同的技术手段。这是s u p a n e t 与传统的低速 网络运行环境的根本区别之所在，必须认真对待。本课题的研究对象是 s u p a n e t 相邻节点间的流量控制技术。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2s u p a n e t 简介 1 2 1s u p a n e t 协议层次结构 四川省网络通信技术重点实验室在研究下一代城域网技术时，提出了“三 维以太城域网”( 3 d e m a n ) 6 】体系结构，首次将用户数据的传输平台简化为单 物理层平台结构。进一步将3 d e m a n 体系结构的基本思想抽象为“单物理层 用户数据传输与交换平台体系结构”( s u p a - - s i n g l ep h y s i c a ll a y e ru s e r d a t at r a n s f e r & s w i t c h i n gp l a t f o r ma r c h i t e c t u r e ) 。将采用s u p a 体系结构的网络称为s u p a n e t 。 s u p a n e t 采用带外信令传输技术将通信子网的运作分布在用户数据传输 平台( u p l a t f o r m ) 和信控管理平台( s & m p l a t f o r m ) 上，两个平台相互独立， 其信息的相互传递通过节点内部访问接口( i a i ) 1 2 】进行。信控管理平台主要 负责服务质量协商( q o s n p ) 1 3 】、连接建立【13 1 、连接拆除【15 1 、入网控制【16 1 、 检测与维护等功能，用户数据传输平台主要负责用户数据的传输、复用与交换 等用户数据相关功能。 u e a 售i 芏j 戥 s i i p a 端系统s u p a 中问系统 - 【n t e m e tr i p q o s n p f s n m pp j p q o s n pl眵n m pr i pq o s n p i+ 直用 o s p ft m e p s u p a 域内 o s p ft m 砰 l1 0 s p ft m 髓 s u p a 域 程库b g pa c ec e p用户系统 b o pa c p , c e pr j；1 b o pc e p 内信令控 t c 。町d p 的信控管 t r f - pliu d ， 甫q 与管理 。理平面的_r ，) u t m g 十曲的协 e t h e r n e tm e 协议熏一 e t h e r n e tm 上ciie t h ? r n i d 凸1 议层集 e t h e r n e tp h v ? ：a ：l a v e r l 什丌 e t h e r n e tp h 7 ：ic a ：l a v ? ri1e t h e r n e rp l z z l c a l1 a v e r d w m iq l i 走t ，1 ：掣 d w d mll d 1 w ) i 也 ，- i i 4 、。?l， j 、偿榨管弹苹面的用户阿络撵口：艚 节管弭平面的网络网络棒口：脚 i m e r n e t 应用数据试 同一 p2 s u p a 域内用户 ，” + - - - 瓣五 同一 f + l 根岁e 系统的用户平 j 交换路径信息和耳面协议层次 根光 ! d ac ：，体功镌 羿， 面协议集 、j ；一一7 结构 纤， _ 。” tt 不l 吾i e p f 不同i e p f s1 、le p 上1 sj ，re p f s 、波长 ：w 一m， 、游转 d v 【miid j 】以 _ ii j i ： ! ：li ；i ；i 图1 模式下管理域内的接口及协议层次结构3 】 可以有两种工作模式：模式和缺省模式。缺省 模式的工作方式与传统的工作模式相同，在这种模式下， 的所有相关协议都将处于休眠状态，整个网络的信息传输和传统信息 传输完全一样，中间节点都工作在信控管理平台(平台) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 模式下，采用带外信令进行传输，控制管理信息通过s & m 平台传递，用户数 据的传递则通过单物理层的用户数据传输平台，由于是单物理层，其虚拟链路 通过唯一的虚拟链路标识符v l i 确定，采用超前交换，可以达到高速交换的目 的，s u p a 模式下s u p a 管理域内的接口及协议层次结构如图1 1 所示。 图1 1 上半部分表示用户系统和s u p a 节点信控与管理平台( s & m 平台) 的 协议层次结构以及用户与网络间的信控管理接口( u n i s m 和n n i s m ) ，当s u p a 运行在缺省i n t e r n e t 模式下时，用户数据和网络管理控制数据都通过s & m 平 台采用带内信令进行传输。下半部分为用户数据传输平台( u p l a t f o r m ) 协议层 次结构和接口( u n i u d 和n n i u d ) 。在s u p a 域内，用户数据传输平台被简化为 单物理层，由“类以太网物理帧子层”e p f s 和d w d m 子层组成。 1 2 2 面向以太网物理帧时槽交换( e p f t s ) 以太网介质访问控制帧已经在全世界网络中广泛应用，因此，s u p a n e t 用户数据平台的物理帧( u e p f ) 采用以太网介质访问控制帧作为其载荷具有普 遍性，为了减小变长帧在传输与交换过程中拆分与组装的频率，u e p f 将整个 最大m a c 帧长共2 0 0 8 字节作为其载荷，再加上1 6 字节的e p f 帧头，就为固 定的2 0 2 4 个字节。u e p f 是s u p a n e t 用户数据传输与交换的基本单元，特 定波长传输一个u e p f 帧所需要的时间定义为一个基本时槽( t i m e s l o t ) 。密 集波分复用子层和e p f t s 子层组成物理层的传输与交换平台，以基本时槽为 单位对单波长的传输能力进行异步的复用，所以称为面向以太网物理帧时槽交 换技术。 为了适应高速网络传输，e p f t s 采用“超前交换”( h f s h a l f - s t e p f o r w a r d i n gs w i t c h i n g ) 技术，为用户提供虚线路( v c v i r t u a lc o n n e c t i o n ) 服务， 在e p f 帧头有下一跳交换机的端口号波长号和v l i 号，当e p f 帧到达下一跳 交换机时不需要查找路由表就可以直接转发到相应端口上用相应波长进行传 输，其帧头的下一跳交换机信息在帧到达交换机输入端口时设定。 s u p a n e t 承载多种业务流，为了满足这些业务流不同的服务质量要求， e p f t s 采用多优先级队列，在e p f 帧中有优先级字段，中间节点根据优先级 高低决定e p f 帧转发的次序。 图1 - 2 为具有组播功能的用户平台e p f 帧( u - e p f ) 格式示意图。从图中 可以看到，u - e p f 帧由1 6 字节的e p f 帧头和2 0 0 8 字节的e p f 载荷两部分组成。 e p f 帧头由控制字段、保留字段和三个超前交换字段( s t e pf o r w a r ds w i t c h in g ， s f s ) 组成。控制字段为一个字节，u b i t 用于区分u e p f 和s m e p f ，可定义 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 0 为u - e p f ，1 为s m - e p f ，d - b i t 为丢弃位，网络遇到拥塞时优先丢弃此类e p f 帧，b - b i t 为突发数据标识，e - b i t 为结束位，p r i o r i t y 表示e p f 帧的优先级， 0 0 0 优先级最高，1 1l 优先级最低。超前字段中，m 是组播标识，1 表示组播， 0 表示单播，n e x tp o r t 、n e x tl a m b d a 、v l l 分别表示下一跳交换机的输出端 口号、波长号、和虚链路标示号。e p f 载荷由2 2 字节扩展m a c 头、1 9 8 2 字节 的m a c 帧负载和4 字节的校验和字段组成，共2 0 0 8 字节。 图1 2 具有组播功能的e p f 帧格式 1 3 本论文研究意义和研究内容 s u p a n e t 首先在控制平台上通过服务质量协商协议( q o s n p ) 在用户设 备与网络服务提供者间就服务质量达成协议，当网络发生某种程度拥塞时，利 用呼叫准入控制( c a c ) 限制建立新的连接；在用户数据平台，交换机中的调度 算法、仲裁机制、交换结构以及流量整形等技术等手段尽量保障服务质量，也 在一定程度上起到拥塞控制的作用。此外，数据入网控制( u a c ) 策略将按照服 务质量协商结果和网络拥塞状况限制用户数据的注入速率。但是，尽管有上述 机制，仍然不能保证在交换机输入单元瞬时的数据堆积，为了避免本节点出现 拥塞状况，s u p a n e t 的节点间也需要建立流量控制机制，这是本文的研究重 点。 s u p a n e t 是面向服务质量保障的通信网络，所以在设计流量控制算法时 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 必须充分考虑服务质量保障的问题。传统流量控制机制普遍采用b a c k p r e s s u r e 的方式将拥塞压力推给上游节点，容易造成上游节点拥塞，这在服务质量保障 的网络中是不允许的，在提供服务质量保障的通信网络中，拥塞的扩散意味着 有些本不经过拥塞节点的数据流的服务质量受到了拥塞的影响，所以如何将拥 塞局限在最小的局部是s u p a n e t 流量控制一个重要的内容。 s u p a n e t 承载了多种优先级数据流，这些数据流具有不同的流量特征， 有些不适合进行流量控制，有些则必须使用，这些数据流与流量控制的关系也 是研究的重要内容。 1 4 论文组织结构 本文后续章节安排如下： 第二章讲述了流量控制的概念，并对流量控制技术与拥塞控制技术进行了 区别，重点分析了现有主要流量控制技术，指出其不能满足高速网络流量控制 要求。 第三章介绍了s u p a n e t 流量控制算法相关技术，包括优先级划分和s u p a 交换机队列模型，分析了s u p a n e t 流量控制所面临的主要苦难，为流量控制 算法的设计做铺垫。 第四章是本文的重点，本章详细讲述了笔者设计的流量控制算法，并对中 间节点丢包策略及各优先级与流量控制算法的关系进行了探索性的研究。 第五章对本文提出的流量控制算法通过o p n e t 网络仿真工具进行了仿真 实验，仿真结果证明了该方案的可行性与有效性。 最后是本文的结论与展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章典型的流量控制技术 在计算机网络领域，流量控制作为数据接收端控制数据发送端发送速率的 手段而被广泛应用，其与拥塞控制是两个不同的概念。本章首先介绍流量控制 技术的基本概念，然后对流量控制技术和拥塞控制技术进行区别分析，最后对 现有典型的相邻节点间的流量控制技术一一i n t e r n e t 滑动窗口协议和以太网的 p a u s e 帧流量控制机制进行了研究。 2 1 流量控制技术简介 流量控制技术是接收方控制发送方发送速率的手段，避免由于发送方发送 速率太快超过接收方承载能力而造成拥塞的现象出现。网络中每个节点的处理 速度不一定相同，同一时刻，各个节点负载情况不一样，造成了网络中直接通 信的两个节点发送速率和接收速率可能不匹配，如果发送方的发送速率超过了 接收方的接收能力，则可能会出现拥塞并可能导致数据丢弃，所以，接收方必 须以一定的形式控制发送方的发送速率，使自己来得及接收与处理发送方发送 的数据，避免拥塞的发生。例如接收方交换机路由器的负载较大( 同时从其 他交换机路由器接收数据) ，而发送方交换机路由器的负载较小，或者发送方 端系统的处理速度远大于接收方端系统的处理速度，这时发送方的数据发送速 率可能会大于接收方的数据接收能力，由于节点缓存有限，当出现这种情况时， 如果没有流量控制限制发送方的发送速率，必然会导致接收方拥塞，造成数据 丢失。 流量控制可应用于单条虚连接或者整条链路。应用于单条虚连接的情况为 网络端系统之间的流量控制，两个端系统之间存在一条面向连接的虚通道，接 收方端系统通过流量控制远程控制发送方端系统的发送速率，防止发送方端系 统的发送速率超过接收方端系统的接收能力，例如，一个超级计算机和一个普 通计算机通过i n t e r n e t 建立了一条t c p 连接，由于超级计算机的处理速度更快， 所以其数据发送速率可能会超过普通计算机的数据接受能力，这时普通计算机 需要使用流量控制手段限制超级计算机的数据发送速率，使自己来得及接收和 处理到达的数据，避免丢失；应用于整条链路的流量控制发生在网络中直接物 理相连的两个通信节点( 路由器交换机) 之间，网络节点负载的不均衡使得发送 方路由器交换机的发送速率可能会超过接收方路由器交换机的接收能力，所 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 以，也必须使用流量控制技术，i n t e r n e t 的滑动窗口协议和以太网的p a u s e 帧 流量控制机制，都是典型的面向整条链路的流量控制机制。 2 2 流量控制与拥塞控制的区别 流量控制与拥塞控制是两个不同但又相互关联的概念。流量控制是接收方 控制发送方发送速率的手段，防止发送方的发送速率超过接收方的接收和处理 能力；而拥塞控制是站在通信子网的立场上通过限制入网数据避免造成网络拥 塞的技术。 两者所关注的对象不同。流量控制关注直接通信的发送方和接收方，防止 发送方的发送速率超过接收方的接收能力。这里，发送方和接收方有可能是网 络端系统，也有可能是物理直接相连的两个路由器交换机，但不管是哪种情 况，其关注的仅仅都只有数据发送方和接收方。拥塞控制是站在通信子网的角 度，关注网络中所有的路由器、链路以及其他与降低网络传输性能有关的所有 因素，保证通信子网能够正常传输数据。从以上叙述可知，拥塞控制关注的对 象比较多，主要是中间节点资源受限问题，而流量控制只关注接收方资源受限 问题。尽管二者都涉及网络拥塞的避免、缓解与消除，但出发点和采用的技术 不尽相同。 流量控制和拥塞控制之间并不存在必然的依存关系。需要流量控制时不一 定需要拥塞控制，例如2 1 节中超级计算机和普通计算机通过网络通信的例子， 当超级计算机向普通计算机发送数据时需要使用流量控制技术，防止超级计算 机发送速率太快超过普通计算机的接收能力，但是，如果中间网络没有发生拥 塞，就没有必要使用拥塞控制，也就是说，使用流量控制时，网络并不一定拥 塞。同样，需要拥塞控制时也不一定需要流量控制，两个相同处理速度的计算 机( 或者发送端处理速度小于接收端处理速度) 通过网络通信，这时并不需要 进行流量控制，但若中间网络发生拥塞，则必须进行拥塞控制减小数据源注入 网络的数据量避免网络拥塞进一步恶化。 流量控制与拥塞控制也有联系。端对端的流量控制可以减小发送方注入网 络的数据，从而对拥塞控制有帮助作用；在中间节点，流量控制可以延缓拥塞 的产生，但是不能从根本上解决拥塞问题，拥塞问题的解决需要在网络边缘减 小注入网络的数据量，这是拥塞控制问题。 本文主要研究s u p a n e t 中间节点间的流量控制问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 3 现有流量控制技术研究 流量控制技术是相邻节点间为协调发送速率和接收速率而采取的技术手 段，避免由于发送端的发送速率超过接收端的收能力而造成拥塞。目前比较典 型的流量控制方法有i n t e r n e t 的滑动窗口协议2 3 】和以太网的p a u s e 帧流量控制 机制【19 1 。 2 3 1 滑动窗口协议 滑动窗口协议，顾名思义，就是在发送端和接收端各设置一个窗口，在发 送端的叫发送窗口，在接收端的叫接收窗口。在发送端，只允许发送序号落在 发送窗口内的数据帧，所以，发送窗口不为1 的情况下，发送端在没有收到任 何应答信息时最多可发送与发送窗口数量相同的数据帧，例如，发送窗口大小 为9 ，则发送端最多可发送9 个数据帧而不需要等待应答。发送窗口每收到一 个正确的应答信息时向前滑动一个位置，直到数据帧全部发送完毕。如果滑动 窗口内某个帧所设定的定时器超时，只需要重传从该帧开始的落在滑动窗口内 的数据帧。这就实现了连续发送，又能控制回退数量的设计初衷。在接收端， 接收窗口大小通常情况下为1 ，也就是说，接收端只能按序号接收数据帧，只 要接收到的帧的序号不是窗口内需要的序号则丢弃数据帧，正确接收到所等待 的帧后，滑动窗口进行应答并将接收窗口滑动到下一个位置。其具体滑动过程 可参考文献 2 3 。 滑动窗口协议是在i n t e r n e t 介质传输速率较低、误码率较高的网络环境中 产生的，并很好的解决了i n t e r n e t 流量控制问题，但是它并不能满足下一代面 向服务质量的高速网络的需求。 假设广域网中两个交换机之间相距5 0 k m ，并采用光纤介质，线路传输速 率为10 0 g b p s ，并假设链路误码率为0 ，信号在光纤介质中传输速率约为 2 10 5 k m s ，不难计算，数据包在该链路上的传输时延t 口为 5 0 ( 2 x10 5 ) = 2 5 10 一，单位是秒，由于滑动窗口协议是闭环的流量控制，一个 r t t 时间由图2 1 中所示部分组成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 t p r t f t p 图2 1 一个r t t 时间的构成 图2 1 中，t p 为传播时延，t f 为发送时延，t p ，为处理时延。从图中可以得 到一个r t t 的计算公式为： r t t = 2 t o + 2 t f + t p r ； 假设一个数据包的长度是2 0 0 0 0 b i t s ，则发送时延t f = 2 0 0 0 0 b ( 10 0 g b p s ) 2 1 0 - v s 。 处理时延t p ，视交换机的处理速度而定，在这里，假设其远远小于传播时 延t d ，在计算i 玎t 时间时可忽略不计。 由于发送时延也远远小于传播时延t d ，所以在这里也可以忽略不计，则可 以得到在此情况下的i h t 时间为： r t t = 2 t d4 - 2 t f + t p r = 2 2 5 1 0 q = 5 1 0 q ( s ) ； 要实现链路的最大吞吐量，必须使发送端在一个r t t 时间内可以连续发 送，所以在最大吞吐量情况下，接收端在收到第一个a c k 之前，所发送出去 的数据量为r t t * 10 0 g b p s 5 10 7 b i t s ，所发送出的数据包数量1 1 可计算如下： n = ( 5 1 07 b ) ( 2 0 0 0 0 b 包) = 2 5 l o 。包； 在一个r t t 时间内，一共有2 千5 百个数据包被发送出去，若使用滑动 窗口协议进行流量控制，则发送窗口大小至少要2 千5 百才能满足连续发送的 需求，在如此大发送窗口情况下，若某一帧丢失，需要重传其后面所有的数据 帧，这是一个非常严重的问题。另一方面，下一代高速网络通过资源预留等手 段防止进入网络的数据流过量，网络中出现更多的是由多个数据流同时在某一 输出端口突发所引起的拥塞，即瞬时拥塞，如此大的发送窗口，对瞬时拥塞的 预防无任何帮助。 综上所述，在高速传输的网络环境中，滑动窗口协议需要太大的发送窗口 才能满足高吞吐量要求，而大的发送窗口又违背了流量控制的设计初衷，所以， 滑动窗口协议不能满足下一代高速网络流量控制的需求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 3 2p a u s e 帧流量控制机制 以太网设计初期，并没有考虑流量控制问题。因为以太网初期传输速率不 高，端口拥塞并不严重，添加流量控制机制又会增加网络设备的复杂性。但是 随着以太网传输速率的不断提高，端口拥塞越来越严重，特别是千兆以太网速 率达到10 0 0 m b p s ，流量控制成为一个不得不解决的问题。 为了解决以太网拥塞问题，i e e e 在8 0 2 3 x 中给出了p a u s e 流量控制机制。 p a u s e 流量控制机制实现了简单的停止一起始协议，可在链路层解决流量控制问 题。 以太网p a u s e 帧结构采用通用的以太网控制帧结构，但是各字段的含义与 普通的以太网帧大不相同，不包括前导字段和帧起始边界，以太网控制针只有 6 4 字节，帧结构如图2 2 所示。 p r e a m b l e s t a r tf r a m e d e l i m i t e r d e s t i n a t i o nm a c a d d r e s s s o u r s em a c a d d r e s s l e n g t h t y p e m a cc o n t r o l o p c o d e m a cc o n t r o l p a r a m e t e r s r e s e r v e d f r a m ec h e c k s e q u e n c e 7b y t e s 1b y t e 6b y t e s 6b y t e s 2b y t e s 2b y t e s 2b y t e s 4 2b y t e s 4b y t e s 图2 - 28 0 2 3 xp a u s e 帧格式1 2 4 1 以太网p a u s e 帧中各字段的含义如下【2 4 1 ，d e s t i n a t i o nm a ca d d r e s s 字段填 充以太网专门为p a u s e 流量控制预留的多播地址：0 1 8 0 c 2 o o o o 0 1 ，在目的 m a c 地址字段填写专门的多播地址，可以保证在任何情况下都可以将p a u s e 帧发送到目的地址，源地址和传统m a c 帧的源地址相同，都指发送端的m a c 地址，类型域为固定的0 x 8 0 8 8 ，这是以太网控制帧专门的标示符，m a cc o n t r o l o p c o d e 域是操作码字段，p a u s e 帧的操作码是0 x 0 0 0 1 ，所以在p a u s e 帧中该字 段为固定的o x 0 0 0 1 ，m a cc o n t r o lp a r a m e t e r s 代表了一个两字节的无符号整形， 指明需要对方暂停的时间，暂停时间可以被延长或者终止，比如说，在p a u s e 帧所指定的暂停时间还没结束时，如果又收到了另外一个p a u s e 帧，那么暂停 时间将会被新p a u s e 帧中的暂停时间所代替，所以如果数据接收端拥塞已经解 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 除，想要终止暂停以使发送端继续发送数据，只需要向发送端发送一个暂停时 间为o 的p a u s e 帧即可。后面两个字段是保留字段和帧校验字段，不做赘述。 从帧格式可以看出，以太网的p a u s e 流量控制机制非常简单，当拥塞时告 诉发送端暂停发送，当拥塞解除时告诉发送端继续发送，发送端要么在暂停时 间耗尽时继续发送，要么收到暂停时间为o 的的p a u s e 帧时继续发送。 p a u s e 流量控制机制是交换式千兆以太网的流量控制方法。以太网数据帧 不提供编号，发送的数据帧不要求确认，提供的服务是不可靠的交付，即尽最 大努力交付，数据链路层不负责进行差错恢复，当节点检测到数据帧错误时， 简单的将数据帧丢弃，其他什么也不做，将差错恢复的任务留给上层协议完成。 p a u s e 流量控制机制实现了简单的停止起始协议，但是并没有对优先级进 行划分【2 4 1 ，前向节点的暂停导致经过数据链路层的所有数据包都停止了发送， 这对于提供不可靠交付的以太网没有问题，但是面对要求服务质量保障的网络 则明显不能满足要求。另一方面，在高速传输的网络中，特别是