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摘要 a t m 网络中基于速率的流量 控制机制的研究 刘鑫东南大学自控系硕士；导师吴介一教授 摘要： 2 1 世纪是个信息社会，用户和网络经营者都希望建立个既能传送低速信 号，也能传送高速信号，既能适应语音信号的误码特性，也能适应图像信号的时 延特性的单一的网络。以a t m 技术为基础的b - i s d n 能把这些对带宽、实时性、 传输质量要求各不相同的网络服务用一个统一的多媒体网络来实现，做到真正的 一线通。 a t m 技术的目标是支持广范围的服务和应用。为此a t m 论坛业务量管理规 范定义了四类服务，从而音频、视频和数据业务可以共享同一网络。在这些服务 中，a b r 和u b r 服务可以有效地支持数据业务。 a t m 网络中业务量管理的主要作用是防止网络和端系统拥塞以便获得网络 性能目标。另一个作用是提高网络资源的利用率，如链路带宽、交换机缓冲区等 可计算的资源。许多业务量控制机制已经被定义，利用这些机制，网络可以满足 用户提出的服务质量要求。作为这些机制之一，面向a b r 服务的流量控制机制 可以用来自适应地分配可提供的链路带宽给所有竞争用户。 本文首先讨论了已有流量控制机制的特点和不足，提出了进一步研究的必要 性。 然后，通过安装在l i n u x 操作系统上的n i s ta t m 网络仿真软件做仿真实 验研究了几种典型的基于速率的流量控制机制在a b r 、t c p 和自相似业务背景 下的性能，指出几种机制的优缺点。为以后根据传输的业务类型正确选用一种流 量控制机制，提供实验参考依据。另外基于传统控制理论，本文针对e f c i 和e r 算法分别提出了一种改进算法，并通过仿真实验对改善后的性能加以了验证。 总之，本论文一方面研究了a t m 网络中面向a b r 服务的基于速率的流量控 制机制的性能和改进算法，解决了机制的稳定性、鲁棒性、公平性等问题；另一 方面研究了各种业务背景下典型流量控制机制的性能。 本论文的研究工作受东南大学自然科学预研项目资金资助。 关键词a t m 网络，业务量管理，a b r f 艮务，t c p j l 务，自相似业务 流量控制 东南丈学硕士学位论文 s t u d y o fr a t e b a s e df l o wc o n t r o l m e c h a n i s m si na t mn e t w o r k l i u x i n ( s e um a s t e r ) ，a d v i s o r ：p r o f e s s o rw u j i e - v i a b s t r a c t w i t ht h ec o m i n go f i n f o r m a t i o n s o c i e t yi n2 1 t hc e n t u r y ，b o t hu s e r sa n di s p sh o p e t oe s t a b l i s ha s i n g l en e t w o r k ，w h i c hc a r lt r a n s f e re i t h e rl o w o rh i g h - s p e e dd a t aa n d a d a p t n o to n l yt h em i s c o d eo fv o i c eb u ta l s ot h et i m ed e l a yo fp i c t u r e b i s d n b a s e do na t mc a nm e e ta l lt h es e r v i c e si no n en e t w o r kt h a th a v ed i f f e r e n tn e e d si n b a n d w i d t h ，r e a l t i m ea n d r a n s p o r tq u a l i t i c a t m t e c h n o l o g ya i m sa ts u p p o r taw i d ev a r i e t yo fs e r v i c e sa n da p p l i c a t i o n s a t mn e t w o r k sh a v ef o u rs e r v i c ec a t e g o r i e st oa l l o wa u d i o v i d e oa n dd a t at os h a r e t h es a m en e t w o r k o ft h e s e ，a b ra n du b rs e r v i c ec a t e g o r i e sa r ed e s i g n e dt o e f f i c i e n t l ys u p p o r td a t at r a m c a p r i m a r y r o l eo ft r a f f i cm a n a g e m e n ti na t mn e t w o r k si st op r o t e c tt h en e t w o r k a n dt h ee n d s y s t e mf r o mc o n g e s t i o ni no r d e rt oa c h i e v en e t w o r kp e r f o i t n a n c e o l ? j e c t i v e s t h ea d d i t i o n a lr o l ei st op r o m o t et h ee 硒c i e n tu s eo fn e t w o r kr e s o u r c e s s u c ha sl i n kb a n d w i d t h ，s w i t c hb u f f e ra n dc o m p u t a t i o n a lr e s o u r c e s l o t so ft r a f f i c m e c h a n i s m sa r ed e f i n e d ，w h i c ht h en e t w o r km a yu t i l i z et om e e tt h eq o so b j e c t i v e s t h ef l o wc o n t r o lm e c h a n i s m sf o ra b rs e r v i c ec a t e g o r ym a yb eu s e dt oa d a p t i v e l y s h a r et h ea v a i l a b l eb a n d w i d t ha m o n gs e v e r a lc o m p e t i t i o nu s e r s f i r s tt h es h o r t a g eo fe x i s t e df l o wc o n t r 0 1m e c h a n i s m si sp o i n t e do u ta n dt h en e e d o ff u r t h e rr e s e a r c hi sc o n v i n c e d t h e nt h ep e r f o r m a n c eo fs e v e r a le x i s t e dr a t e b a s e df l o wc o n t r o lm e c h a n i s m si n t h ef a c eo fa b r t c pa n ds e l f - s i m i l a rs e r v i c ei ss t u d i e dw i t ht h ee x p e r i m e n t s c a r r i e d0 nt h el i n u x p l a t f o r mb yn i s ta t m n e t w o r ks i m u l a t i o ns o f t w a r e t h e m e c h a n i s m s a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ep o i n t e d o u t o u rw o r kh e r ep r o v i d e s t h ee x p e r i m e n tb a s i sa b o u th o wt os e l e c ta na p p r o p r i a t es c h e m ea c c o r d i n gt ot h e t y p eo ft r a n s p o r ts e r v i c ef u r t h e r m o r e ，t w oi m p r o v e dm e c h a n i s m s b a s e do nc o n t r 0 1 t h e o r ya i m i n g a te f c ia n de rm e c h a n i s m sa r e b r o u g h to u t t h e i ri m p r o v e d p e r f o r m a n c e i sp r o v e d b y s i m u l a t i o n ， i ns u m m a r y ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，o no n es i d ef u n d a m e n t a ls t u d yo np e r f o r m a n c e a n di m p r o v e m e n to ft h ea t mr a t e - b a s e df l o wc o n t r o lm e c h a n i s m sa r ea d d r e s s e d o nt h eo t h e rs i d et h ep e r f o r m a n c eo fs e v e r a lt y p i c a lr a t e - b a s e df l o wc o n t r o l m e c h a n i s m si nt h ef a c eo fs o m et y p e so fs e r v i c ei sa l s os t u d i e d t h i sr e s e a r c hi s s u p p o s e db y s e un a t u r a l s c i e n c e p r e s t u d i e dp r o j e c t f o u n d a t i o n k e y w o r d s a t mn e t w o r k ，t r a f f i c m a n a g e m e n t ，a b r s e r v i c e ，t c ps e r v i c e s e l f - s i m i l a rs e r v i c e ，f l o wc o n t r o l i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 垂j 盘： 日期：幽r 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名_ 型叁导师签名：二鎏鍪鱼一 t履， 日期：御；r 第一章绪论 1 1 课题的研究意义 第一章绪论 计算机掰络正向着高性能方向发展，即在高速传输介质构筑的物理网络环境中，以高效 的网络资源管理和相应的流量控制机制，为各种网络应用提供高品质的服务。 多媒体是由同一个应用中的语音、视频和数据组成的，视频会议和远程教育是多媒体应 用的一些实例。当多媒体在网络中传输时，视频业务将消耗大部分带宽，并且要求网络提供 较高的q o s 保证。为了减少视频数据对带宽的需求，在传入网络前，通常会将视频信息进 行压缩处理。被压缩的视频自然具有了高并发性。a t m 网络中并发视频源的统计复用可以 改善网络带宽利用率、降低服务费用；另外，多媒体流的复合也减少了并发性和聚集业务的 带宽需求。所以a t m 无论是在局域网还是在广域网中，都是一个重要的协议。它以定长的 信元作为高速通信信息的载体，具有高速、低比特错误率、动态分配带宽和高复合能力等诸 多优点，非常适宜具有服务质量保证要求的多媒体传输。 但传输容量大、实时要求高的多媒体应用往往会造成a t m 网络资源的冲突，尤其是带 宽、缓存等。因此，a t m 网络要想为网络应用提供高品质的满意服务，必须在时间和空间 上合理地调度系筑的有限资源( 如交换机缓冲区、链路带宽等) ，必须合理地管理计算机网络 中的业务量，控制网络中的流量，控制避免网络拥塞，充分提高网络资源的利用率，使a t m 网络以较高的效率和性能进行运行。而目前国内外一些流量控制机制还不是尽如人意，有必 要进一步研究高效的流量控制机制。 1 2 国内外研究状况 目前的流量控制机制主要分为两类：开环控制和闭环控制。开环控制运行于网络端系 统，通过调节某个信源流量使网络中拥塞发生的可能性最小化。这是一种预防式的控制方 法，缺点是网络资源的利崩率低。闭环控制是根据网络负载状态的反馈信息调节信源的数 据发送速率，可以在一定程度上预防或控制拥塞，提高网络的资源利用率。 本论文着重研究基于反馈的刚环流量控制机制。 以往大量的闭环控制机制的研究中所提出的速率调节算法只是直观地保证机制的稳定 | 生，还存在着以下几个主要问题： f 受控参数( 如缓冲区队硎长度) 呈现出较大的振荡性，常常引起缓冲区瞬时占有 量过大，信元大量丢失导致信元丢失率c l r 上升。并使得设计交换机时， 要选用较大的缓冲区尺寸，从而没有从根本上解砍资源的浪费问题。 ( 2 1源瑞允许信元发送速率( h e r ) n _ 现出较大的振荡性。a c r 的振荡意味着源结点 被迫频繁地改变其数据发送速率，在此情况下，很难向用户提供令人满意的服 务，引起了服务质量的下降。 f 3 1参数( 如往返传输旷t i b qr 1 邯变化对控制机制的影响较大，经常引起控制效果下 降。 近年米，利用控制理论方法分析或设计流量控制机制已在国内外广泛的开展，如提山 了基于比例控制的设计方法，基于双比例微分( d u p d ) 的设计方法等。这些方法从理论 上保证了控制机制的稳定性，比较_ f z l - t g 解决了资源利用率问题。但仍然存在着一些问题 东南大学硕士学位论文 如( 1 ) 控制机制设计时，未考虑公平性问题：( 2 ) 控制机制复杂，控制参数难以确定；( 3 1 在线测量参数多，实现较为困难 ( 4 ) 突发干扰时，如机制启动时或活动v c s 数突然变化 时，受控参数变化较大，可能产生过大的超调，使交换机缓冲区溢出，信元丢失率上升。 通过查新，我们也发现，国外的文献大多仅涉及机制的理论推导过程。另外对于a t m 网 上t c p 传输的问题以及自相似业务背景下a t m 网络流量控制的性能研究的较少。 1 3 课题的研究任务 设计控制机制时的目标是：控制机制应是稳定的并具有尽可能好的瞬态特性，即在稳定 状态时网络中受控参数( 如a b r 业务源端系统的允许信元发送速率和交换机输出缓冲区队列 长度) 应稳定于希望值，瞬变过程中应是快速收敛的并具有尽量小的振荡和超调：控制机制 应是鲁棒的，即网络运行参数( 如a b r 活动虚连接v c 数、往返传输时间r t t ) 变化时控制机 制仍然是稳定的；控制机制应具有一定的抗干扰能力：通过交换机某个输出链路的所有a b r 活动v c 之间可用链路带宽的公平分配：控制机制实现简单；具有较低的信元丢失率( c l r ) ? u i 4 b 队延迟；链路带宽利用率高。 a b r 服务引人注目的主要特色是( 1 ) 它提供低信元丢失保证( 2 ) 最小化排队延迟( 3 ) 可 以提供非零的最小速率保证( 4 ) 充分利用带宽和缓冲区( 5 ) 满足a b r 竞争用户间可用资源 的公平分配。因而由a b r 服务在所有服务中所处的地位和特点，它最适宜于流量控制机制。 因此本论文我们的研究主要集中在如何有效的支持a t m 网络中a b r 数据应用的问题。 我们采用国外的n i s ts i m 41 网络流量控制机制仿真软件，构造以l i n u x 系统为操作平 台、高性能微机为主机的网络仿真环境。设计一定的网终拓扑结构和业务源模型，选择能反 映网络拥塞的运行参数如交换机输出缓冲区瞬时队列长度和终端用户的允许信元( 数据) 发 送速率为仿真过程中的观察参数，进行各种机制性能的仿真实验。 主要进行以下工作：首先，研究高速多媒体网络环境下现有的各种典型的基于速率的流 量控制机制的原理，通过仿真实验，分析比较现有机制的优缺点；其次，运用控制理论的方 法分析网络的固有特性，找出引起网络拥塞和性能下降的原因，分析和设计稳定高效的控制 机制，对原有控制机制进行改进，并通过相应的仿真实验，验证性能；最后，通过仿真实验 分析a t m 网络上传输t c p 业务和自相似业务时几种典型流量控制机制的性能。 2 一兰三兰竺坚型堡 第二章a t m 协议及网络 2 1a t m 协议的产生 1 8 7 0 年电话发明后，为有效地连接日益增多的电话用户，电话交换网应运而生。它经 历了人工交换，机电式自动交换系统以及数字程控系统发展过程，但是电路交换的原理一真 没有变。随着计算机的普及，电话网通过使用m o d e m 来进行计算机数据传输及数据信息交换， 随之产生了公用数据网，其典型的代表是x 2 5 分组交换网，它是基于包交换的一种技术， 具有传输可靠性高的优点，但由于m o d e m 速率及交换技术本身限制，x2 5 只能处理中低速 数据流。 虽然局域劂技术的发展突飞猛进，如e t h e r n e t 、t o k e nr i n g 、t o k e nb u s 等，传输迷 率已可达千兆，但局域网的性质本身就大大限制了l a n 的大规模的覆盖及应用，目前的l a n 一般阁于企业内部盼数据传送，无法形成广域网的规模。传统网络普遍存在以下缺陷：第一， 业务的依赖性，一股性网络只能用于专- - n 务，公用电话网不能用来传送t v 信号，x 2 5 不 能用来传送高带宽的图像和对实时性要求较高的语言信号；第二，无灵活性，即业务拓展的 可能性不犬，原有网络的服务质量，很难适应今后出现的新业务；第三，效率低，一个网络 的资源很难被其它网络共享。 在8 0 年代中期，人们就已经开始进行快速分组交换的实验，建立了多种命名不相同的 模型，欧洲重在幽象通信把相应的技术称为异步时分复用( a t d ) ，美国重在高速数据通信把 相应的技术称为快速分组交换( f p s ) 。国际电联经过协调研究，于1 9 8 8 年正式命名a t m 技 术，推荐其为宽带综合业务数据网b - i s d n 的信息传输模式。并且定义：a t m 是一种传输模 式，在这一模式中，信息被组织成信元，因米自某用户信息的各个信元不需要周期性出现， 也就是说信元和信元之间的时间间隔可以是不固定的，因此这种传输模式是异步的。 随着2 1 世纪信息社会的到来，社会的进步经济发展，教育普及，环境保护等各个领 域对通信提出了新的更高的要求。通信业务应该向宽带化，综合化及智能化方向发展。无论 是片j 户还是网络经营者都希望建立一个单一的网络，这种网络既能传送低速信号，也能传送 高速信号；既能适应语音信号的误码特性，进而也能适应图像信号的时延特性。以a t m 技术 为基础的b - i s d n 能把这些对带宽、实时性、传输质量要求各不相同的网络服务由一个统一 的多媒体网络米实现，做到真正的一线通。 实现b - i s d n 的基础技术是a t m ，当然b - i s d n 并不单单是a t m 网，而是a t m 作为一种传 输模式在b - i s d n 中的应用。进入b - i s d n 的信息流是一串串的信元流。b - i s d n 与用户间的 接口规定为以信元为基础单位，bi s d n 用的a t m 终端，自身具有信元接口。对于不具有信 元接口功能的终端，如目前通信网中所用的各种终端，则入网前必须经信元装拆设备进行信 元化，即规格化后才能进入网中。 a t m 联网所要求的并不仅仅是实现a 麟协议屡本身，a t m 协议在物理层之上进行操作， 而紧靠a t m 层之上的那些协议用于适配各种业务，更高层协议也是需要的，用于为交换虚连 接提供信令。a t m 的一般入网方式中，与网络直接相连的可以是支持a t m 协议的路由器或装 有a 1 m 卡的主机，也可以是a t m 子网。在一条物理链路上可同时建立多条承载不同业务的 虚l b 路，如语音，图象，文件传输等。 东南犬学硕士学位论文 2 2a t m 协议采用的新技术 a t t * 1 信元是固定长度的分组，在初期的研究中，美国主张用8 个字节的信头和6 4 个字 节的负荷信息。而欧洲主张用4 个字节的信头和3 2 个字节的信息负荷，最后在c c i t t 会议 上，双方作了让步，即取简单的算术平均值，才取得统一，并作为国际建议。即前面5 个字 节为信元头，包含信元的逻辑目的地址、信元的维持信息、优先度和信元的纠错码等控制信 息，后面4 8 个字节为有效数据载荷，它在网络的传输过程中不被做任何处理，即网络不理 会这些数据到底属于话音、数据、图象等中的何种数据。所以无论计算机处理何种业务。有 关数据都被切割成为统一格式的信元，在网中传递，并在接收端恢复成所需格式。 由于a t m 业务信元的分组长度小，如果用传统的存储转发方式中的数据报方式，反而需 要更多的处理时间，因此a t m 采用了一些新技术，这些技术包括： 夺同步信元发送技术。空信元以一定的速率发送，有数据要发送的站点只要得到空信元 就可以把自己的相关数据填入信元之中。从接收方的角度看，信元的出现是定时的，而 且信元数据量不大，所以可以采用硬件方式对信元头进行识别和交换处理，从而极大地 提高处理速度。 夺统计时分多路复用技术( 也叫异步时分多路复用技术) 。使用这种技术可阱使信道动态 地分配带宽，使得网络传输时延较小可以适应实时通信的要求。 夺虚拟电路技术。使用这项技术可以减少信源在每一个转发节点上进行路由选择所需要的 时间，提高了发送效率。从信息源到信宿的一条虚拟电路称为虚路径，其中，点到点的 部分称为虚通道，虚通道是虚路径的组成部分。 这些技术具有如下特点： 在中问节点基本不做差错控制和流量控制，与之相配合的是线路采用了低误码率的 光纤通道。在一个a t m 信头中还区分了虚路径郓虚通道，使得中间节点易于处理和 更改信元的路由。所以a t m 交换速率大大高于传统的数据网，如x 2 5 、d d n 、帧中 继等。 采用了一些有效的业务流量监控机制，对网上用户数据进行实时监控，把网络拥塞 发生的可能性降到最小。对不同业务赋予不同的“特权”，如语音的实时性特权最 高，般数据文件传输的正确性特权最高，网络对不同业务分配不同的网络资源， 这样不同的业务在网络中才能做到“和平共处”。 对资源的使用有极大的灵活性。它不仅可以随业务情况调整针对某一_ j 户的数据传 输速率，还可以根据用户的要求提供各种质量的服务。 a t m 能提供广阔的带宽。晟高数据传输速率可达8 6 4 m b s ，所以可以支持b - i s d n 。 为了更好地了解a t m ，有必要先对时分复用和同步传输作一简单的回顾。时分复用( t d 、o 即是在一条通信线路上按一定的周期( 如1 2 5 n s ) 将时间分成称为帧的时间块，而在每一帧 中又分成若干时隙，每个时隙可携带相应的用户信息。当某一用户通过呼叫建立起通信后， 在此期间，其信号将固定地占用各帧中的菜时隙，直至d 通信结束。同步传输( s t i r ) ，其交 换是在固定时隙之间进行的。例如在图2 - l 中，输入帧占用第2 时隙的某一信号，若在输出 帧中。圩用的是第2 时隙，则这种对应关系是固定不变的，直到相应的通讯过程结束。在这种 嘲定时隙的传输及交换模式中若在通信过程中的某一时刻，用户无数据传递，但其同定占 川的时段仍届其所有，尽管此刻处于空闲状态：相反，若其有大量突发性数据要求传送，尽 第二章删网络 管这有可能造成信号的延时甚至是信元的丢失，也只能借助于固定的时隙传输和交换。 123k - 1k l 囫 输出 图2 一l 同步传输技术 12 j n 。1 l1 23 。l 。n r t - v b r 用于主 要是定时发送的通信场合，在这种场合下，一定数量的延迟及其变化是可以被 应用程序所忍受的，如电子邮件。 可用比特率a b r ：是为带宽范围已大体知道的突发性信息传输而设计的。它是 唯一一种网络会向发送者提供速度反馈的服务类型。当网络中发生拥塞时会要 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。运行着的a b r 有点象等待机会的机动旅客，如果有空余的座位，机 动的旅客就会无延迟地被送到空余座位处，如果没有足够的容量，他们就必须 等待。 未指定比特率u b r ：不做任何承诺，对拥塞也没有反馈，这种类型很适合于发 送i p 数据报。如果发生拥塞，u b r 信元也会被丢弃，但是并不给发送者发送反 馈。 服务特性 c b rr r r - v b rh r t - v b ra b ru b r 带宽保证是是是可选 不 适用于实时是是不不不 通信 适用于突发 不 不是是是 通信 有关于拥塞不 不 不是不 的反馈 表2 - 3 各种a t m 服务类型的特性 总的来说：c b r 服务的目标是支持声音和其它的同步应用。v b r 服务用于支持视频和 音频应用。a b r 和u b r 服务主要用于支持数据应用。在这些服务中，c b r 和v b r 服务属于“受 傈护的服务它们被网络辛的交换机赋予更高优先权并优先获得链路芾宽的分配。a b r 和 u b r 服务属于尽力而为的服务。 2 6a t m 网络服务质量 a t m 网络是用作实时传输的，比如音频和视频。当一条虚电路建立时。传输层( 典型地 为主机中的一个进程，即“客户”) 和a t , i 网络层( 例如一个网络操作者，也即”运载提供者 ”) 都要遵守一个定义服务的协定。协定的第一部分是通信量描述符它描述要提供的载街。 东南大学硕士学位论文 协定的第二个部分指定客户所要求的和通信提供者同意的服务质量。无论是载荷还是服务， 都是要以可度量的数量来描述的，这样约定就可以被客观的规定。 为了使具体的通信量协定成为可能，a t m 标准定义了一系列的服务质量( q o s ) ，客户和 通信提供者可以协商这些参数的值。对于每一个服务质量参数，其最差情况下的值被指定了， 要求通信提供者必须要达到或者超过该值。在某些情况r ，参数是一个最小值，而在另外一 些情况下它是一个最大值。一些比较重要的参数列在了下表中，但是它们并不是对所有的服 务类型都适_ e = i 。 参数缩写词含义 峰值信元速率p c r信元发送的最大速率 持续信元速率 s c r 长时间的平均信元传输速率 最小信元速率 m c r最小的可接受的信元传输速 窒 佰兀延迟焚化撇值 c d v t最大的可接受的信元抖动 信元丢失比率 c l r信元丢失或提交的太迟的比 例 信元传送延迟 c t d 信元提交时拖延的时间( 中间 值和最大值) 信元延迟变化 c d v信元提交时间的变化幅度 信元错误比率 c e r 提交无错信元的比例 严重错误信元块比率 s e c b r出错信元的比例 信元错误目的地比率 c m r信元提交至错误目的地的比 例 表2 - 4q o s 重要参数表 2 7a t m 网络中拥塞管理 拥塞是指某个资源( 如链路带宽) 的全部需求超过该资源可用的容量。目前存在两组机制 用于处理拥塞：拥塞控制和拥塞预防。拥塞控制机制主要应用于网络过载后的情况，如探测 到拥塞后的情况；而拥塞预防机制主要用于网络过载前的情况，如预测到拥塞的情况。 拥塞管理是指拥塞预防和拥塞控制的结合。拥塞与网络负载和资源容量的动态特性有 关，事实上分配更多的缓冲区、提供更快的链路或更快的处理器等所谓的静态解决方案并 不能很好地解决拥塞问题。 2 8a t m 网络与i p 网络的比较 第二章a t m 网络 a m 网 面向连接： 靠链路层选路，基于v p i v c i 或标记 有阻塞通知与信元丢失优先级指示： 业务质量有保证，可保证实时业务； i p 网 无连接； 基于网络层选路，基于i p 地址 无业务量控制与阻塞控制； 业务质量无保证； 9 查堕奎兰堡主兰垡堡奎 一 第三章a b r 服务端系统和交换机的行为 本章将介绍a t m 流量管理规范中描述的a b r 服务的源端、目的端以及交换机的与流 量控制有关的行为。 3 1 源端行为 1 )源端速率a c r ；且m c r a c r p c r ；一个连接建立后一开始源端以i c r 发送信元， 并且第一个信元应该是一个i n r a t ef r mc e l l ； 2 )任何时刻源端有三类信元可被发送：数据信元，f r mc e l l s ，b r mc e i l s 。三类信元的相对 优先级在不同的传送条件下是不同的： a )源端每3 1 个信元后要发送一个f r mc e l l ；但是如果源端的速率太低，那么网络的反 馈到达源端就会很不及时，所以又增加了下面两个限制条件：如果距离上一个f r m c e l l 发送已经过去了1 0 0 m s 那么源端应该发送下一个f r mc e l l ，但是同时要保证在两 个相邻的f r mc e l l 间至少要有两个c e l l 被发送； b 1等待发送的b r m 比等待发送的数据信元拥有更高的优先级； c )数据信元在剩下的时隙内被发送； 3 1 i 上面三条规则发送的r m 信元都是i n r a t er mc e l l ，c l p = 0 ； 4 1发送一个i n r a t ef r mc e l l 前，如果a c r i c r ，并且从上一个i n r a t ef r mc e l l 发送以来， 所过去的i 寸i n t a d t f ，a c r 应减少1 1 l c r ； 5 1发送一个i n r a t ef r mc e l l 前，如果从上一个具有b n = 0 的b r m 信元接收以来，至少c r m 个i n r a t ef i l mc e l l 已经发送，那么a c r 应至少减少a c r c d f ，除非减少结果低下 m c r ，这时a c r 应设置为m c r ； 6 1a c r 值应置入输出f r m 信元的c c r 域，但是只能在输出的f r m 信元后，才能以新的速 率发送i n r a t ec e l l ； 7 、 8 ) 9 、 1 0 ) 1 1 ) 1 2 、 当接收一个具有c i = i 的b r m 信元时，其a c r 应该至少减少a c r x r d f ，如果结果引起 a c r m c r ，则将a c r 值设置为m c r 值。如果b r m 信元具有c i = 0 且n i = 0 ，那么a c r 至多可以增加r i f p c r ，但是a c r 值不得超过p c r 。如果b r m 信元具有n i = i ，! i i l j 不得 增d i a c r = 当接收一个b r m 信元时，并且按照行为8 调节a c r 后，m c r a c r 一 m r m ) a n d ( n o w = l a s t r m + t r m ) ) t i m e = n o w - l a s t r m f t i m e a d t fa n d a c r i c r a c r = i c r i f ( u n a c k = c r m ) a c r = a c r a c r + c d f a c r = m a x ( a c r ，m c r ) s e n dr m ( d i r = f o r w a r d ，c c r i a c r ，e r = p c r ，c i = 0 ，n i = 0 ，c l p = 0 ) ! s 4 ，s 7 ，s 10 c o u n t = 0 l a s t - r m = n o w f i r s t t u r n = t r u e u n a c k = u n a c k + 1 e l s ei f t u r n - a r o u n da n d ( f i r s t - t u r no rn o td a t a i n - q u e u e ) c i t a = c i t ao rc i v c s e n dr m ( d l r = b a c k w a r d ，c c r ，t a ，e r - t a ，m c r t a ，c i t a ，n i t a ，c l p _ o ) 2 翌兰兰竺墨堂墨竺塑銮塾塑堕堑垄 c i v c = 0 t u r n a r o u n d = f i r s t - t o m = f a i s e e l s e s e n dd a m c e l l ( c l p = 0 ，e f c i = 0 ) c o u n t = c o u n t + l s c h e d u l e ：t i m e t o s e n d ；n o w + 1 ，a c r 端系统伪码( 接收) j fr e c e i v ed a t ac e l l c i v c = e f c is t a t eo f c e l l i fr e c e i v er m ( d i r = b a c k w a r d ，c c r ，e r ，c 1 ，n i ，b n ) i f c i = 1 a c r = a c r - a c r + r d f e l s ei f n i = 0 a c r = a c r + r i f * p c r a c r = m i n ( a c r p c r ) a c r = m i n ( a c r ，e r ) c r = m a x ( a c r ，m c r ) i f b n = ot h e nu n a c k = 0 i f t i m e t o s e n d ( n o w 十i a c r ) t h e n r e s c b e d u l e ：t i m e t o s e n d = n o w + 】a c f r e c e i v er m ( d i r = f o r w a r d ，c c r ，e r ，m c r ，c i ，n i ) i f t u m a r o u n d ! s 1 2 ( o 雠i o n a lb e h a v i o r ) c i t a = c i - 1 a0 rc i - v c s e n dr m ( d i r = b a c k w a r d ，c c k - t a ，e r t a ，m c r t a ，c i t a ，n l - t a c l p = 1 ) c i v c = 0 c c r 1 1 a = c c r ；e r - t a = e r ；m c r - t a = m c r ；c i t a = c i ；n f 一1 a = n i t u r n a r o u n d2t r u e ft i m e t o s e n dn o ts c h e d u l e d s c h e d u l e ：t i m e t o s e n d = n o w 东南大学硕十学位论文 第四章a b r 服务流量控制机制的研究 4 1a i b r 服务流量控制机制概述 a t m 网络中用c b r 承载多媒体等应用所需的固定带宽业务，用v b r 承载具有优先级 的数据应用所需的可保证带宽业务，a b r 则争用c b r 和v b r 剩余的可用带宽。如果没有 机制确定网络是否有足够的剩余带宽来处理这些a b r 业务，网络将会出现拥塞，丢失信元。 为了有效实现a b r 业务，在a t m 网络和网络用户之间采用了流量反馈控制，以便信源能 及时了解网络状态从而进行相应的速率调整。 a t m 论坛的流量控制管理工作组负责制定a b r 业务流量控制的规范。在如何实现流量 控制的原理性问题上有两种方案，即基于速率的方案和基于信誉的方案。基于信誉的方案中， 交换机和信元交换网络链路上可用缓冲空间的信息，信源只有在有足够的缓存空间时，才能 释放a b r 流。这种方案在l a n 中尽管可以实现低成本的网络适配器和较高性能，但是应 用到w a n 中，需要有较大的交换机缓冲区间，因此也产生了复杂的信元存取算法。而基于 速率的方案可以以较低的成本提供w a n 环境下大容量的a t m 交换机，而且方案灵活，给 具体实现留有一定的空间，从而生产厂家可以进行创造性的工作提高性能。a t m 论坛最终 采用了基于速率的方案，并在流量管理规范4 0 中给出