計算機網絡系統的競爭特性研究

[摘要]計算機網絡復雜系統中的競爭性在各級子系統結構中均有體現,并且在用戶節點和各類交換節點上都存在競爭,競爭的資源有所不同。按競爭發生的位置將其分為局域網內級、路由器級以及域間級并予以詳細討論。

[關鍵詞]計算機網絡競爭特性

中圖分類號:TP3文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0820056-01

局域網內系統成員競爭問題。在局域網內,系統成員競爭的是信道或網絡共享設備的使用權。為了有效利用網絡資源,局域網對參與競爭的系統成員進行了有序控制和沖突解決。作為下一代互聯網的關鍵技術之一,光突發交換網中突發數據包之間競爭鏈路資源問題成為一個研究熱點。其競爭解決機制主要包括光緩存、波長轉換、偏轉路由以及突發分片的競爭解決方法。文章按競爭發生的位置將其分為局域網內級、路由器級、域間級三個競爭級別,并予以詳細討論。

一、局域網內系統成員競爭問題

局域網內的信道、網絡共享設備等網絡資源的數量通常是遠小于網內成員個數。當同時想要使用網絡資源的成員數量超過可供使用的網絡資源數量時,這些成員之間就構成了競爭關系。它們競爭的是信道或網絡共享設備的使用權。為了有效利用網絡資源,局域網內對成員進行了有序控制和沖突解決。

(一)有序控制。采取了有序控制后,成員間只是存在合作關系,不會有沖突發生。有序控制的實質是預防了沖突發生。常見的有序控制方式有:

1.輪詢:網絡控制程序按一定順序逐個詢問各系統內成員是否需要使用網絡資源,如有,則被詢問的成員立即使用;如無則接著詢問下一成員。有限定式、門限式、窮盡式、混合式等服務方式。

2.預約:需要使用網絡資源的成員必須先預約,再按預約順序使用。分為集中預約和分布式預約。集中預約方式下的各成員先集中預約,再集中使用。分布式預約采用的是用戶成員邊預約邊使用。

3.令牌控制:多在環形局域網中采用。在網內流動的令牌相當于一個通行證,有發送請求的用戶成員要捕獲到閑令牌,才能將信息附在令牌后發送。分為單令牌和多令牌方式。

4.時槽方式:信息在環網上的傳輸時間分成固定大小的若干段,每一段稱為一個時槽,相應的用戶成員分別使用自己的時槽發送信息。有固定式槽環和隨機時槽環兩種。

(二)沖突解決。有些局域網不采取有序控制,而是采取沖突解決方法,主要有以下幾種:

1.后退:發生沖突時,不服務,令所有待發信息全部后退1個隨機時間再來競爭,只有無沖突時的l個成員才受到服務。例如以太網中廣泛應用的帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問。

2.淘汰:如同社會生活中的隨機仲裁一樣,網絡中也有仲裁機構。仲裁機構從請求服務的用戶成員中隨機選取一次能夠服務的數量,其余成員等下次再請求服務。例如星形局域網中存在的競爭一沖突淘汰存取方式。

3.限制:即沖突限制方式。對參加競爭的用戶成員作某些限制,每次讓部分用戶成員產生的信息參與競爭,使信息發生沖突的可能性變小。例如自適應存取、缸存取。

二、路由器級或域間級的競爭

當快速局域網發出的大量信息到達信息速率較慢的局域網時,會由于帶寬限制形成瓶頸,這正是競爭帶寬引起的沖突。當過多的信息占據了路由器輸入端的緩存,而路由器的輸出能力不足時,就會由于競爭緩存和路由器的處理能力而引起沖突。我們將路由器級/域間級的沖突解決策略分為“預防機制”和“沖突解決”兩大類。“預防機制”是在沖突發生前設法避免可能發生的沖突。“沖突解決”則是在沖突發生后采取一系列的措施化解沖突,達到成員合作的目的。

(一)預防機制。當數據量越發送越變大而不加以控制的話,必然有發生沖突的危險。引入一個慢啟動閩值,當數據發送量小于閩值時,TCP處于慢啟動階段,否則就進入“擁塞避免”階段,減小用戶端的發送速率。提高路由器性能也是減少沖突發生的方法。在硬件方面,設置適當的緩存容量、提高運算速度和采用路由器集群結構。路由器集群結構可以使多個路由器通過內連網絡連接在一起,利用負載均衡技術,將大量的輸入端數據分擔給多個路由器。在軟件方面,改進路由算法和輸入、輸出緩存中的隊列調度算法,以提高交換節點的處理效率和緩存的利用率。目前Diffsery體系結構中避免內部不發生沖突的方法是在邊界節點嚴格控制進入區域的總數據流量。通過動態反饋機制:內部節點到邊界點的反饋。內部節點收集周邊情況,并通報邊界節點,邊界節點根據反饋來的內部信息調控進入區域內的總數據流量;邊界節點到邊界節點的動態反饋。區域的邊界出口節點將數據傳輸速率反饋給邊界入口節點,入口節點根據此速率調控進入區域內的數據傳輸速率,最終達到入口速率等于出口速率,從而避免區域內發生擁擠沖突。

(二)沖突解決。“丟棄”數據包是所有交換節點都支持的一種操作。當大量數據包競爭有限的輸入、輸出緩存或輸出帶寬時,由于資源“供給”<“需求”引起沖突,就需要丟棄一部分數據包。但是究竟丟棄哪些數據包、何時丟棄有不同的算法,丟尾算法是當緩存中的隊列長度超過緩存大小時,丟棄隊列尾部的數據包。隨機早期檢測算法是通過以一定概率丟失或標記報文來通知端節點網絡沖突的情況。

三、結論

在復雜計算機網絡系統中,競爭具有普遍性和客觀性,合作具有特殊性和暫時性。系統內部競爭可以說是無處不在,既然存在資源共享,就必然有競爭。競爭的存在如同雙刃劍:當網絡繁忙時,也就是在競爭一沖突的高峰期容易造成擁塞,要設法避免沖突的發生;而在競爭一沖突的低谷期,競爭會提高網絡資源的利用率。所以要根據人們的需求和競爭的特性改進沖突解決策略,化解沖突,從而實現成員間的有序合作。可利用競爭的時間性提高系統效率。避開競爭一沖突高峰期,更有效地利用網絡資源,避免擁塞發生。

參考文獻:

[1]高紅,計算機網絡數據交換技術[J].交通與計算機,2003,(4):46-47.

[2]牛開歐,試論計算機網絡第三層交換[J].甘肅科技,2003,(10):34.

[3]嚴萍、史旦旦、錢能,計算機信息安全交換系統的設計[J].浙江工業大學學報,2004,(4):383-384.

[4]王楠、李青春,計算機網絡數據交換技術比較[J].沈陽教育學院學報,2007,(4):107-108.

[5]張正江、王汝言,光突發交換競爭解決機制研究[J].微計算機信息,2006,(12):154-157.

作者簡介:

崔仁杰(1969-),男,山西稷山人,西安工程大學現代教育技術中心,工程師,研究方向為:網絡建設與管理。