（计算机软件与理论专业论文）ds网络的一种动态拥塞控制方案.pdf

平南坪葩太幸乓士论文 内容摘要 i “拥塞控制”对于任何网络来说都是一个极其重要的问题，研究d i f f s e r v ，心 网络的拥塞控制同样具有重要的实际意义。本文在研究现有拥塞控制技术的基础 上，提出并设计了一种新型的面向m p l s d i f f s e r v 网络的动态拥塞控制方案。并 使用网络模拟器完成对系统的实验允析，评价了方案的性能。最后，指出目前系 弋 统存在的一些问题和改进的思路。r t j 本系统采用集中控制机制，通过设置的“控制中心”对d i f f s e r v 网的所有 节点进行拥塞控制。应用“模糊控制”技术，根据拥塞点的实际状况和数据流的 业务等级，进行模糊推理和运算，从而得到对应的控制参数，达到动态控制的效 果。模糊推理中用到的模糊规则，体现了系统设计者的拥塞控制策略，是系统设 计的关键部分。另外，系统使用“基于速率”的拥塞控制策略，并定义专门的控 制消息来“显式通知”边界节点，让其了解网络内部状态，及时调整业务的调节 机制。系统根据队列长度来判别是否发生拥塞，因此中间节点必须参与控制，监 视队列长度并在适当的时候启动系统的拥塞控制过程。 实验表明，本系统能较好地保证不同等级业务闻的q o s 有序性，可以保证同 等级业务流间的公平性；分组丢弃主要被控制在网络边缘，从而提高了网络的资 源利用率。 关键词：区分服务葡萄咖2 ：服务质薹i 菇殴：拥塞控制，模糊控制 网络模拟，流量7 - 程，计算机通信，计算机网络。 毕南斥范太牵一士番文 a b s t r a c t c o n g e s t i o nc o n t r o lm u s t b ei m p l e m e n t e di na l lt y p e so fn e t w o r k , n o t e x c e p t i n g t h e d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sn e t w o r k , w h i c hh a sb e c o m ear e s e a r c hh i g h l i g h ti n t h e s ey e a r s i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ew o r k o u to fc o n g e s t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y , a m p l s d i f f s e r v - o r i e n t e dd y n a m i cc o n g e s t i o nc o n t r o ls c h e m ei s p r e s e n t e d , a n dt h e n c o m ew i t ht h ee m p i r i c a l a n a l y s i sw i t hn e t w o r ks i m u l a t o r i nt h ee n d , a f t e re v a l u a t i n g t h i ss c h e m e sp e r f o r m a n c e ，t h et h e w s a l s op o i n t so u ts o m eu n s o l v e dp r o b l e m sa n d s o m e s u g g e s t i o n s f o r i m p r o v i n g i ti nf u r t h e rr e s e a r c h i nt h i ss c h e m e ，ac o n t r o lc e n t e rw i t ht h ec e n t r a lc o n t r o lm e c h a n i s mi s 耐i 删 i nt h ed s - f i e l dt oc o n d u c t c o n g e s t i o nc o n t r o li nd i f f s e r vn e t w o r k a c c o r d i n gt ot h e c o n g e s t i o nn o d e ss t a t u sa n dt r a 街c d a 嚣o ft h ef l o w , w eu s ef u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g y a n d f u z z yr e a s o n i n g t og e tt h ec o n t r o lp a r a m e t e rf o r d y n a m i cc o n g e s t i o nc o n t r 0 1 t h e 呦r u l e s ，b e i n ge x p r e s s i n gt h ec o n g 略t i o nc o n t r o lp o l i c i e s ，缸et h ek e yi s s u e si n s c h e m ed e s i g n t h es c h e m ea l s ou s er a t e b a s e dc o n g e s t i o np o l i c ya n ds p e c i a lc o n t r o l m e s s a g et oe x p l i c i t l yi n f o r l nt h ee d g en o d e sa b o u tt h en e t w o r k si n t e r n a l s t a t i i st o a d j u s t i n gc o n d i t i o nm e c h a n i s mi nt i m e b o c a t l s et h es c h e m ei d e n t i f i e st h ec o n g e s t i o n b yq u e u e sl e n g t h , s ot h e i n t e r i o rn o d e sm u s tt a k e p a r t i nt h es c h e m et h r o u g h m o n i t o r i n gq u e u e sl e n g t ha n da c t i v a t i n gt h ec o n g e s t i o nc o n t r o la ts o l i l ea p p r o p r i a t e t i m e t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h i ss c h e m ei sp r o f i c i e n ta tt h ea s s u r a n c oo ft h e f a i l f i e s si n 锄c 订a 位cc l a s sa n dt h ea s s u r a n c 七o fq o sp d o r i t yi nd i f f e r e n t 仃枷c c l a s s e s a n d , w h i l et h eb e h a v i o ro fp a c k e td i s c a r di sl i m i t e da tn e t w o r ke d g e ，t h e n e t w o r kf e s o u r o 髂l 坩l i z a t i o nh a sb e e ni m p r o v e d k e y w o r d s ：d i f f s c r v , o o s ，c o n g e s t i o nc o n t r o l ,旧c o n t r o l ； n e t w o r k s i m u l a t o r , t r a i j f i ce n g i n e e r , c o m p u t e rc o m m u t i c a t i o n , c o m p u t e r n e t w o r k 牛南野范太幸乓士舟文 d s 网络的一种动态拥塞控制方素 第一章绪论 1 1 课题背景 i n t e r n e t 自6 0 年代出现以来蓬勃发展，已逐步从单一的数据业务的网络向数 据、语音、图像等多媒体信息业务的综合型网络演化【1 1 。新出现的多媒体应用对 带宽、传输延迟和点到多点多点到多点的通信能力都提出了更高的要求。 i n t e r n e t 原来简单的“尽力而为”服务已不能满足新应用的需求，要求网络提供 新的服务方式，并为目前的普通口网增加一定的智能一对于网络资源的更灵 活充分的利用与管理的能力。 加大带宽能在一定程度上改善i n t e m e t 的性能，但简单地增加带宽并不能满 足新应用的特点和需求，因此必须为“尽力而为”i p 网引入服务质量( o o s ) 机制。 口网的服务质量是指i p 数据包流经网络时所表现的属性，如带宽、延迟、抖动 和丢包等。为了提高网络的服务质量，i e t f 提出了很多技术体制，其中有两个 非常看好的o o s 技术，即：区分服务 2 1 ( d i f f s e r v ) 和多协议标记交换【3 】( _ p l s ) 。 d i t i s e r v 起源于所谓的综合服务f 】( i n t s e r v ) 。i n t s e r v 提供了基于微流的、端 到端的质量保证型服务。在流传输之前，i n t s e r v 在源端节点和目的节点之间建 立某种连接，以获得有效的资源预留，并依靠r s v p 协议逐跳( h o p - b y h o p ) 地建立 拆除每个微流的资源预留“软状态”( s o f ts t a t e ) ；它利用接纳模块判断是否接纳 新业务，以保证节点能够满足o o s 要求；依靠分类和分组控制模块将m 分组分 类成不同的传输流并根据各个传输流的状态分别实施o o s 路由、传输调度等 控制。通过端系统和网络中各节点中各控制模块的协作，i n t s e r v 能实现可与删 网络相媲美的服务质量，但它需要沿着端到端的通路进行相对复杂的分类、排队 和调度控制，代价很高，可伸缩性差。 由于i n t s e r v 存在很多局限，单纯的i n t s e r v r s v p 技术很难在商业上推广应 用。正当i n t s e r v 的发展受到巨大的阻碍时，i n t s e r v 的推动者提出了所谓的区分 服务d i i t s e r v 应运而生。d i f f s e r r 是一种基于业务分类的质量保证机制。它 利用“区分服务码点” 1 ( d s c p ) 定义了一组“逐跳转发行为”( p h b ) ，以提供不 同的转发机制。根据不同的d s c p ，转发节点采用不同p h b ，提供不同等级的区 分服务；它不为单独的业务流执行显式资源分配过程，相反，资源分配都是基于 平南一蓖太季一士论文嘴网络的一种动态拥塞控制方案 聚集流的；通过采用聚集传输控制，d i f f s e r v 把有相同特征的单一流合并成聚集 流进行传输，大大简化了网络内部节点的转发服务对象；它在网络的边界节点上 对单一流实施分类、整形和聚合等操作，而内部节点只按照d s c p 值执行p h b 处理。与i n t s e r v 相比，d i f f s e r v 有如下几个优点：( 1 ) 内部节点需维护的状态信 息和服务等级成正比，而不随业务流数量的增加而增加，扩展性好；( 2 ) “内部 简单，边界复杂”，它仅在边界执行分类、重标记和整形等策略，内部节点只根 据p f i b 对聚集流进行转发；( 3 ) 实现简单，成本比较低。 一 m p l s 是i e t f 正在积极研制和大力推广的一种新的数据转发机制，它是从 9 0 年代中期发明的一些相似技术演化而来的。这些技术包括t o s h i b a 公司的信元 交换路由器( c s r ) 、i p s i l o n 公司的m 交换技术、c i s c o 公司的标志交换以及i b m 公司的基于聚合路由的口交换。m p l s 把口路由的灵活性、可扩展性与二层交 换良好的流量管理结合起来。它简化了分组转发机制，利用分组携带的标记来索 引查找“标记交换表”，从而提高了转发的效率：它在控制和转发功能上是分离 的，这两部分功能互不影响，因此它能够用一个算法支持所有业务的转发；m p i s 支持显式路由，能够控制业务流的分布，从而可以利用显式路由带来的许多先进 性能，如流量工程等；它解决了口o r e i fa t m 模型存在的缺陷，能够实现m 与 a t m 的紧密融合。 由于m i l s 标记的扩展语义可以携带d i f f s e r v 信息，借助标记、端到端的标 记交换路径和一定的资源预留机制，网络可以保证。娼机制在特定m p l s 域中 的一致性，从而实现全网端到端的o o s 保证。鉴于m p l s 和d i 由& 在定性o o s 方面的相似性，用m p i _ s 来实现d i f f s c i n 有很大的优势。因此，在q o s 实现方 面，d i f f s e r v 模型配合咖p l s 技术将很可能占主导地位，对d j 艇；e m 唧一s 网 络的研究具有重大的意义。然而d i f f s c r v 只提供服务区分机制而不涉及路由转 发，d i f f s e r v 仍存在网络拥塞问题，同时d i 船e l n 服务的实现也需要拥塞控制技 术的参与，因此拥塞控制对d i f f s e r v 极其重要，研究d i f f s e r v - m p l s 网络的拥塞 控制具有重要的实际意义。本课题把d i f f s e r v - m p l s 网络的拥塞控制问题做为研 究对象，提出了一种新的动态拥塞解决方案，以期望能够缓和甚至消除d s 网络 的拥塞。 1 2 课题研究现状及意义 牛南坪毛夫幸曩士论支 d s 网蝽的一种动态拥塞控制方案 拥塞控制是当前网络研究的一个热点，它是确保网络健壮性( r o b u s t n e s s ) 的 关键因素，也是各种管理控制机制和应用的基础。文 5 对t c p i p 拥塞控制的原 理、典型技术和面临的问题进行了分析，并综述了t c p i p 拥塞控制研究的最新 进展。大多数拥塞控制技术是基于“尽力而为”口网的，它假设网络所能提供 的服务水平就是“尽力而为”服务，因此这些拥塞控制机制对d i f i s e r v ( 简称为 d s ) 网络而言并不是最优的，有必要针对d s 网络自身的特点，提出相应的拥塞 控制方法。 一 目前，已有很多研究人员提出了d s 网络的拥塞控制机制，除了对已有 t c p i p 拥塞控制技术进行改进之外，还提出了很多其他的方法和思路。主要可 以分成下列几类：( 1 ) 基于反馈机制的；( 2 ) 显式拥塞通告的；( 3 ) 利用模糊控制 理论的：( 4 ) 综合已有流控技术的；( 5 ) 借助控制理论的；( 6 ) 利用价格因素的， 等等。 d s 网络“基于反馈的”拥塞控制机制，主要是为了使边界节点了解网络的 动态情况，及时地调整流控策略。反馈信息可以由中间节点或者出口节点送回， 这视具体实现而定。文 6 儿7 便是基于反馈的例子；“显式拥塞通告”机制通常 需要中间路由节点的支持配合，中间节点上执行队列监视算法( 如r i o ) ，通过对 不同业务设置不同的门槛值，达到了服务区分的目的；“模糊控制理论的”机制 适合应用在对难以描述的大型复杂系统的控制上，已有人把它应用到d s 网络的 拥塞控制中，通过模拟人的控制经验和模糊推断能力，期望得到较好的控制效果； 目前有人综合了现有的排队和分组调度算法，提出了对d s 网络的拥塞控制实现， 如文 8 ；“利用控制理论的”拥塞控制机制，必须把网络系统抽象成数学模型， 抽象模型与现实的接近程度将是控制成败的关键；最近有人从经济学的角度提出 了“网络收费论”，企图通过价格因素来限制用户的需求，从而控制拥塞，这提 出了一个新的解决问题的视角但从技术的角度并不能解决什么问题，因为它并 没有改善网络的服务质量。关于d s 网络的拥塞控制机制，将在3 3 节中详细阐 述。 d s 网络的拥塞控制技术各有优缺点，它们根据其出发点( 即要解决的问题) 以及解决问题手段的不同，将有不同的实现方法，因此也有不同性能特性。目前 研究的难点是如何找到一个可以比较全面解决问题，而性能又相对较好的方案。 丰南一屯太辛曩士掩文d s 同蝽的一种动态拥蠹控制方案 d i f f s c r v 对业务进行服务区分，但并没有涉及如何路由的问题j 在d s 网络 中确实有可能发生拥塞现象。即使在网络边界实施流量调节，d s 网络仍可能因 为负载不均衡而导致流量汇聚在内部核心节点上，从而引起拥塞。要彻底解决负 载均衡问题，必须依靠“流量工程”技术，而目前“区分服务”和“流量工程” 技术的结台还不够成熟，很多细节必须进一步研究和测试。 拥塞控制对d i f i 。s e r v 极其重要。d i f f s e r v 提供的很多服务，本身就要求拥塞 控制技术参与才能实现。可以说，拥塞控制是d s 网络服务质量得以保证的基础。 耳前，d s 网络仍无法很好地解决网络拥塞，其存在的一些问题( 例如边界的流量 调节无法和内部的p h b 很好结合起来) 也必须依赖拥塞控制技术加以解决。因 此，研究d s 网络的拥塞控制有着非常重大的意义。在今后一段时期内，拥塞控 制将是d s 网络领域的一个研究难点和热点。 l3 本论文的研究内容 本论文研究的环境是d i f f s e r v - m p l s 网络( 以下简称“d s 网络”) ，在此网 络中，我们假设d s 网络有三种业务等级：b ep h b 、a fp h b 和e fp 髓( 雎、 a f 、e f p h b 是d s 网络标准化了的逐跳转发行为，其中e f p h b 等级最高，b e p h b 等级最低) 。在综合、分析前人研究成果的基础上，本论文针对d s 网络， 提出一种新的动态拥塞控制体系根据d s 网络的特点来实施拥塞控制。 本研究课题的基本思想是在d s 区域中设立一个拥塞控制信息中心( c a c ) ， 处理d s 区域内任何节点的拥塞，并应用模糊控斜的方法，动态地作出控制指示 以消除拥塞。本体系要求三方面网络元素的配合，即：入口边界节点、内部节点 和c c i c 。 在本系统中，d s 网络的内部节点监视节点队列，在适当的时候向c c i c 发 出拥塞汇报消息，表示节点已发生拥塞。因此，内部节点上必须存在一个软件实 体来监视队列并生成汇报信息。c c i c 是拥塞的裁决中心，它上面存储有决策所 需的信息，也同其他网络实体进行必要的交互。它接受所有内部节点的拥塞汇报， 并根据业务的等级、节点的实际情况以及网络的拥塞程度，利用模糊控制策略灵 活地给出控制决策，然后通过显式的指示消息通知受控对象。受控对象一般是 d s 网络的入口边界节点，它根据指示消息的内容作出相应的控制动作。在此系 统中内部节点是状态的监视者和汇报者，c c i c 是系统的控制中心和决策者， 毕南斗范大学曩士培文 d s 研络的一种动态拥塞控制方末 而入口边界节点才是拥塞控制策略的真正执行者。 本论文完成如下几方面的研究工作： ( 1 ) 针对d s 网络存在的一些问题，提出了一个新的动态拥塞控制体系框架： ( 2 ) 对该体系在各网络元素上的实现进行阐述，包括交互过程及相关协议； ( 3 ) 编写补丁程序( p a t c h i n g ) ，利用n e t w o r k s i m u l a t o r2 对系统进行模拟； ( 4 ) 对系统进行性能评价并指出改进思路。 牛南耳笔太季一士奄文d s 网络的一种动态拥塞控制方素 第二章区分服务与d s 网络 2 1 服务质量与区分服务 网络服务是“对一个己定义的用户流量子集的端到端总的处理( t r e a t e m e n t ) ”【2 l 。服务质量( q 1 1 a l i t yo fs e r v i c e ，简写为q d s ) 是“采用某种级别的服务后所 得到的服务效果，这些效果由q o s 参数集来描述”f 9 】。对网络系统而言，o o s 是指发送和接收信息的用户之间，以及用户与传输信息的集成服务网络之间关于 信息传输的质量约定。它包含用户要求( u s c rr e q u i r e m e n t ) 和网络集成服务提供商 的行为( c t i v i t y ) 两方面。“用户要求”是指用户通过网络进行通信时所要求的服 务类型以及相应的传输性能和质量等。而“行为”是指网络系统针对某一类网络 服务所能提供和达到的性能与质量。 传统的网络( 大多数情况下是指t c p i p 互联网) 提供商提供给用户的服务是 相同性能水平的，都是“尽力而为”( b e s te f f o r t ) 的服务。但近几年来互连网被 大量使用，用户日益增多，基于互连同的应用特别是实时应用越来越多。这导致 在运行实时应用、关键性任务( c r i t i c a lm i s s i o n ) 时网络的能力不足，而新涌现的 多媒体业务都要求得到更好的服务质量。所以，服务供应商认为有必要为用户提 供可选择的服务水平，对高服务质量要求的应用提供高水平的服务，同时也提高 服务的价格。在这种背景下，i e t f 的区分服务( d i f f e ：r e n t i a t e ds e r v i c e s ，缩写成 d i f f s e r v ) 工作组提出了区分服务体系结构，来解决这个问题。 2 1 1 关于服务质量 上面已提到业务对网络服务质量的要求。而增加网络带宽是提高网络q o s 的重要方法之一。目前，采用i p d w d m 等口优化光网络技术，可以成百上千 倍地提高带宽，成十上百倍地降低成本，是解决0 0 $ 问题最简单、最便宜的方 法。但是，这仅仅是解决q o s 问题的一个侧面，而研究如何合理地分配网络资 源的q o s 保障同样是非常重要的。 所谓o o s 保障就是让网络设备具有某种能力，为网络数据传输和服务提供 某种程度的保证。实现q o s 要求时，通常要求网络上下各层以及两端间的各种 网络设备协同工作。q o s 技术就是要给网络增加一些“智能”，使它能够区别对 待对时延、时延抖动和丢包等容忍度要求不同的数据流。q o s 技术虽不增加带宽， 毕南斥范夫幸乓士论文d s 网蚌的一种动态拥塞控制方童 但是能够管理带宽，提高带宽的使用效率，以满足不同应用的要求，可以在“尽 力而为”服务之外，提供某种程度的预测和控制能力。 为了满足不同o o s 类型的需求，需要有多种不同的q o s 协议和算法，目前 主要有：资源预留协议( r s v p ) 、区分服务、多协议标记交换和子网带宽管理 ( s b m ) 等四种。它们之间是相互补充的关系。 2 1 2 区分服务 在综合服务体系发展受阻后，区分服务体系结构被提了出来，它马上被业界 认为是最有潜力的o o s 解决方案。目前，国际上i n t e r n c t 2 工程已创建了把d i f f s e r v 推向应用的q o s 测试网q b 0 耻，i e t f 也提出了一系列关于d i f f s e r v 的r f c 标准和草案。l i n u x 内核从2 0 版就开始内嵌了d i f i b s e r v 分类和调度等模块。对 d i 蟋c i v 的研究是日前网络界的一个热点。 一、区分服务的工作原理 d i f f s e r v 的目标在于简单有效，以满足实际应用对可扩展性的要求，其具体 的实现途径为： ( 1 ) 将状态相关的控制转移到网络边界节点。保持网络内部核心简单，将复 杂性推到了网络边缘。在网络边界节点，对流状态信息进行保存和监控，对流进 行分类、整形、聚集等。当数据流进d i f f s e r v 网络时，边缘路由器完成流量调节 策略、包分类、标记和转发等行为。 ( 2 ) 筒化网络内部节点的服务机制。d i f f s e r v 在内部节点上实施适用于全网 业务的一套“逐跳行为”( p e r - h o p - b e h a v i o r ，p 腿) 。内部路由器只通过检查d s 字节完成简单的调度与转发操作。因此，d i f f s e r v 核心网络可以实现很高的转发 速率。 ( 3 ) 简化网络内部节点的服务对象。d i f f s e r v 采用聚集传输控制，服务的对 象是聚合流而非单流，单流信息只在髑络边界被保存和处理。区分服务采用的是 分散控制策略，其精髓是仅控制路径中每跳行为p h b ，同一级别的业务具有相 同的p h b ，因此，大量的业务流在网络的边缘被汇聚成少量的不同业务级别的 聚合流，而p h b 只对聚合流操作。应该注意的是，d i f f s e r v 并不直接提供从发 送者到接收者的端到端服务质量保证，它只在域( d o m a i n ) 的范围内保证与业务 分类相对应的服务质量，每个域之间对于不同类别业务的服务质量都应有一定的 丰南斗屯太幸曩士岳文 d s 网络的一种动态拥塞控制方章 约定和包标识的翻译机制。 非d i 鼯 区 区域边界路由器执区域出几路由器对出域 图2 - 1 区分服务体系结构的框架示意图 二、绝对区分服务和相对区分服务 根据提供的服务质量的确定性，d i f l r v 又可以分为绝对区分服务和相对区 分服务。 绝对区分服务 绝对区分服务基于聚台流为用户提供绝对的服务质量。当没有路由变化，用 户流量符合s l a 限制时奖赏服务( p r e m i u ms e r v i c e ) 就可以提供类似专线的服 务质量；确保服务( a s s 叫c ds e r v i c e ) 也是一种绝对区分服务【i o j 。要获得绝对区分 服务，必须有一定的管理控制机制和信令机制，这必然增加了网络实现的复杂性； 另一个问题是，它是否肯定能提供用户所期望的端到端的性能，这通常需要类似 路由探针机制，但该机制的实现有一定难度。 相对区分服务 相对区分服务的核心是将网络流量分为n 个业务级别，满足等级i 获得的转 发质量比等级( j _ 】) 更好，至少不差于它的服务。之所以说。至少不差于”，是因 为在网络负荷较轻时，所有等级的业务获得相同的服务质量【l l j 。相时区分服务需 要严格的价格杠杆，以防止所有用户都选择最高等级的服务。顾名思义，相对区 分服务并不保证每个级别的绝对质量，它只保证业务之间的等级关系不受破坏。 至于每个等级能获得什么样的服务质量，则取决于当时网络的负荷。目前典型的 毕南斗范太牵囔士奄文d s 网络的一种动态拥塞控制方案 相对区分服务模型有：绝对优先级、价格区分、容量区分、比例区分服务 ( p r o p o r t i o n a ld i f f e r e n t i a t i o nm o d e l ) 。 绝对优先级方法严格遵守等级，只有在高等级报文服务完之后低等级报文才 能得到服务。当高等级业务突发时，低等级报文将在很长段时间内得不到服务， 同时也使管理员丧失了对网络服务质量进行控制的能力。价格区分方法只能保证 在长期性能上高等级业务好于低等级，在短期由于高等级业务的突发，其服务质 量反而不如低等级业务，它不能一直保证各等级之间的顺序关系。容量区分方法 是相对于预期负载，高等级业务获得更多的转发资源，其典型实现方法是加权公 平捧队w f q ( w e i g h t e df a i rq u e u i n g ) 【1 2 1 。o l y 唧盹服务就是一种用w f q 实现的 容量区分方法。当短时间内高等级业务突发时，其分配的资源和业务到达率比较 小，可能导致其服务质量差于低等级业务，无法保证各等级服务质量的有序性。 比例区分模型p d s 1 1 】划分备等级的服务质量，使其和管理员设定的区分参 数成比例。若q 是等级i 的性能度量，比例区分服务模型使得式( 1 ) 成立： 吼q i c f c ，i j 2 1 ，n ( 1 ) 其中c 。 c 。 m a x m 时，则丢弃到达的分组， ： 如图3 - i 所示。调度算法可采用先 甑鲥平均占甘率盯哂吨愀抽1 0 0 。, 进先出( f i f o ) 。图3 - i 分组丢弃橇率随着队列占有率而变化 r e d 拥塞控制策略可以看成由两个独立的算法组成：( 1 ) 计算队列平均长度 的算法；( 2 ) 计算分组丢弃概率的算法。算法( 1 ) 决定了路由器所能允许的突发程 度。算法( 2 ) 决定了路由器在当前负荷状态下丢弃分组的频度，其目的是使路由 器丢弃分组的间隔尽量均匀，以避免对突发性流的不公平性，也避免产生全局同 步，同时还要求足够频繁地丢弃分组以控制平均队列的长度。路由器计算队列平 均长度时，考虑了队列为空的时间段所产生的影响首先估算出在这段空闲期问 路由器能够传输分组的个数m ，空闲期问结束后，路由器计算队列平均长度时， 就认为在这个空闲期间收到了m 个分组，在此基础上计算当前的队列平均长度。 主机控制策略 基于主机的策略有慢启动，慢增快减( a d d i t i v ci n c r c a s e j m u l 唧l i c a t i v c d c c r e a s c ，a i m d ) 等。t c p 中的控制策略主要是基于主机的，文 5 对t c p 的拥 塞控制机制进行了详细的阐述。 二、基于预留与基于反馈的控制策略 牛南矸艺大学乓士谁主d s 同络的一种动态拥塞控制方隶 根据拥塞控制机制作用时机的不同，可以把拥塞控制策略分成：基于预留的 和基于反馈的。采用基于预留的策略时，主机在发送数据前必须向网络提交资源 请求，如果网络能够满足该请求，则预留相应资源给主机并允许流量入网，否则， 网络将拒绝主机的数据流。 基于反馈的策略则不同，它允许主机在不需预留资源的前提下发送数据，这 会造成网络在资源不足的情况下继续接纳数据。所以，它必须根据反馈的网络流 量状态及时调整主机的发送速率。基于反馈的策略又可分为两种：正反馈和负反 馈。所谓正反馈就是显式反馈，用明确告知的方法通告主机网络发生拥塞( 如 e c n ) ，而负反馈则一般采用包丢失作为隐式通告的方法，如t c p 。 基于预留的系统总是意味着使用了路由中心的拥塞控制机制。而基于反馈的 系统既可以使用路由中心的机制也可以使用主机中心的机制。 三、基于窗口与基于速率的控制策略 拥塞发生后，不同策略控制的对象有所不同。根据不同的对象，可分为基于 窗e l 与基于速率的控制策略。当发生拥塞时，必须控制源端的发送速率，即告诉 源端可以向网络继续发送多少分组。基于窗口的策略控制主要控制的是双方的缓 冲区，如t c p 的滑动窗口。而基于速率的策略控制的是发送者向网络发送数据 的速率，如多媒体音频视频应用。目前这两种主要都是在主机端到端的层次上 研究，在路由器上实现比较困难。 在拥塞控制中，基于速率的控制比传统的基于窗口的控制更加适用于高速宽 带网络。基于窗口的流量控制为了避免主机和网关溢出，窗口值必须取得小些， 并且为了更新窗口它必须进行端到端的消息传递。而速率控制通过通信参数协商 确定参数，通过维护定时器来实现控制算法。另外，一些宽带应用( 如音频、视 频应用) 本质上具有基于速率的特性，通过速率控制，数据流进行一定的整形， 从而达到预防拥塞的效果。 3 1 3 拥塞控制策略的评价标准 评价拥塞控制策略( 算法) 的性能有两个主要标准：效率( e f f i c i e n c y ) 和公平性 ( f a i r n e s s ) i s 】。 效率 网络资源的使用效率是由源端需求资源总量与网络现有资源的接近程度来 牛击一范太牵一士舟文 晒网磐的一种动态拥塞控制方童 决定的。如果源端需求的总资源接近或等于网络所能提供资源i 那该算法将是效 率高的。超载或负载不足那都是效率不高的表现。显然，效率只与总资源的利用 率有关，而与各个源端之间的资源利用无关； 公平性 公平性是指当发生拥塞时，不同源端( 或同一源端建立的不同t c p 连接或 u d p 数据报) 能公平地共享同一网络资源( 如带宽、缓存等) 。相同级别的源端应 该得到相同数量的网络资源，即能够得到相同的服务。产生公平性问题白撇本原 因在于拥塞发生时必然导致数据包丢失，而数据包丢失会导致各数据流之间为争 抢有限的网络资源发生竞争，争抢能力弱的数据流将受到更多损害。所以说没有 拥塞，也就没有公平性问题。如果每个源端优先级相同，则x i ( t ) - - - x i ( t ) ( x i ( t ) 为 在时刻t 第i 个源端的传送负载) 。如果所有源端没有得到相同的分配，网络就是 缺乏公平的。公平性可由下式定义： 荆- 黠 3 2 a t m 网络的拥塞控制 a t m 网络拥塞控制的目的就是在有限的两络资源下，通过对用户使用网络 资源加以控制，以及在网络超负荷时采取一些特殊的缓解揞捷，以最大限度接入 多个用户，并使网络向用户提供有保证或可被接受的q 晦。a t m 网络拥塞的控 制方法可分为预防式拥塞控制和反应式拥塞控制。 3 2 1 预防式拥毫控制 预防式拥塞控制在拥塞发生之前采取行动，预先对进入网络的业务流量进行 控制，防止拥塞的发生。预防式控制主要包括连接接纳控制和用户参数控制。 一、连接接纳控制( c a c ) c a c 是网络在呼叫建立期间执行的一组操作，以接受或拒绝一个a t m 连接。 a t m 是面向连接的技术，用户在入网前要与网络建立呼叫连接( 一个呼叫可以 建立多个连接) 。首先用户发出呼叫，将描述自己业务流特性的参数以及所要求 的。娼告知网络，网络接到请求后，根据网络特性和目前运行状况与用户协商。 当网络资源不足时，则拒绝接受新的呼叫，以保证己建立连接的o o s ；否则就接 平南耳蓖太幸乓士论文d s 同蝽的一种动态拥薹控制方童 受新的呼叫请求，分配合适的网络资源并递交给u p c ，由u p c 负责监控以保证 q o s 。 二、用户参数控制( u p c ) u p c 是指网络在用户一网络接口( u n i ) 和网络一节点接口( n n i ) 上对业务量 递交和a t m 连接有效性进行监控。其目的是检查用户是否违反协商的业务参数 的使用情况，防止网络资源被过量占用，避免影响其它已建立连接的o o s 。 3 2 2 反应式拥塞控制 反应式拥塞控制以闭环反馈控制机理为基础，它不需要在呼叫建立时了解信 源业务特性。在拥塞发生后，将拥塞信息反馈到信源，用户根据反馈网络拥塞情 况调整业务流量以减轻或消除网络拥塞。反应式拥塞控制技术采用两种方案，即 选择信元丢弃和显式拥塞通告。 一、选择信元丢弃( s ) 根据捧队理论的守恒定律，通过牺牲部分用户的q o s 可以提高另一部分用 户的q o s 。在a t m 网络发生拥塞时，通过丢弃部分信元，可毗保证未被丢弃的 信元能够完好地到达信宿。这种s c d 方案可通过信元丢失优先级来实捕。优先 权控制丢弃信元的调度策略分两大类：一类是业务级的优先权控制，主要满足实 时性和丢失敏感性强的业务。另一类是信元级的优先权控