基于ATM網(wǎng)絡(luò)擁塞控制問題的研究

文/仇偉明

ATM(異步傳輸模式)網(wǎng)絡(luò)不但要處理因為突發(fā)性通信傳輸而引起的短時間擁塞，還要處理因超過系統(tǒng)處理能力的通信量而引起的長時間擁塞，對于這個問題人們曾考慮采用不同的應(yīng)對策略，這些應(yīng)對策略中比較重要的策略有三類，分別是：許可證控制、資源預(yù)訂、基于速率的擁塞控制。

一、許可證控制

在擁塞發(fā)生時，傳輸速率較低的網(wǎng)絡(luò)會迅速做出反應(yīng)，告訴源端應(yīng)該減慢發(fā)送分組，這就行了。但當(dāng)擁塞發(fā)生時，傳輸速率較高的網(wǎng)絡(luò)仍然采用此方法的話，則其效果會顯得很差，網(wǎng)絡(luò)將擁塞通知信息傳送到源端的延遲時間里，成千數(shù)百個分組也已傳輸?shù)竭_了。并且，很多ATM網(wǎng)絡(luò)采用實時通信源，該實時通信源將會以固定的速率來傳送數(shù)據(jù)。告訴此類通信源減慢發(fā)送速率是不可行的。

防止網(wǎng)絡(luò)擁塞是ATM網(wǎng)絡(luò)的首要工作。但是，對于恒定比特率類通信、可變比特率類通信、未定比特率類通信，根本無動態(tài)擁塞控制機制，因此預(yù)防擁塞發(fā)生的重要性就顯得不言而喻，預(yù)防擁塞發(fā)生比擁塞發(fā)生后再去恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)重要的多，也顯得更有意義。這時候許可證控制就是預(yù)防擁塞的一個主要工具。一臺主機在能夠描述出被提供的通信和服務(wù)的前提下，網(wǎng)絡(luò)便作出檢測來看網(wǎng)絡(luò)需要一條新的虛電路是否有可能，同時處理該虛電路也在不對已經(jīng)存在的虛電路造成有害影響的基礎(chǔ)上進行，因此可能需要檢查多條可能的虛電路，從而進一步發(fā)現(xiàn)哪一條虛電路將可以做此項工作，如果沒有虛電路可以分配，呼叫便被拒絕。

否決許可應(yīng)該做到公平合理。要是不采取任何控制措施的話，少數(shù)的高帶寬用戶將會很大程度上影響大量的低帶寬用戶。為了防止此類情況發(fā)生，一般把用戶按照用途分為幾類。同時對用戶類別而言，拒絕服務(wù)的概率應(yīng)大致相等。

二、資源預(yù)訂

事先預(yù)定資源是同許可證控制密切相關(guān)的控制策略，該策略一般是在呼叫建立時進行。因為通信量描述符給出了信元發(fā)送峰值速率，網(wǎng)絡(luò)就會預(yù)留充足的帶寬來處理該峰值速率。網(wǎng)絡(luò)通過使用SETUP消息從而把線路上的某部分帶寬標(biāo)記出來，這樣的話，帶寬就可以被預(yù)訂。當(dāng)然，應(yīng)該保證線路的容量大于線路中被標(biāo)記帶寬的總和。在線路滿負荷的情況下，SETUP消息就按照原路退回并且尋找另一條通路。

通信描述符既含有帶寬峰值，同時也含有帶寬平均值。例如，如果每臺計算機峰值帶寬為200000信元/秒，平均帶寬僅需要50000信元/秒，一般情況下在同一條物理線路上采用多路復(fù)用技術(shù)復(fù)用4條虛電路就可以了。但問題在于所有的四條線路有可能在一定的時間內(nèi)空閑無事，隨后又以峰值速率發(fā)送信元，導(dǎo)致大量的信元丟失。因為可變比特率類型的通信可以在統(tǒng)計上進行多路復(fù)用，采用這種服務(wù)類型可能會出現(xiàn)問題。目前尚在研究相關(guān)的解決方案。

三、基于速率的擁塞控制

在恒定比特率通信和可變比特率通信中，由于信息源所具有的實時和半實時的特性，所以即便是在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下，一般也不太可能讓發(fā)送者降低其發(fā)送速率。在可變比率特通信服務(wù)中，只需要把過多的多余信元丟棄掉就行。

然而，在平均比特率類型通信中，網(wǎng)絡(luò)去通知一個或多個發(fā)送者并且要求暫時降低發(fā)送速率，以便于使網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)，這是合乎情理的。網(wǎng)絡(luò)可以通過丟棄發(fā)送者的(超出來的)信元使得發(fā)送者遵守協(xié)定。

四、ABR通信擁塞解決方案

ATM標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展過程中的一個熱門話題是如何檢測、通知和控制平均比特率類型通信中的擁塞。這里先來了解、討論一些將要被淘汰或已經(jīng)被淘汰的方案，從而得到比較合適的解決方案。

在第一個方案中，無論發(fā)送者何時發(fā)送突發(fā)性數(shù)據(jù)，它必須先發(fā)送代表預(yù)訂所需帶寬的一個特殊信元。在該特殊信元返回確認后，突發(fā)性傳輸便開始。它的最大優(yōu)勢是不會發(fā)生擁塞，因為所要求的帶寬總是存在的。由于主機開始發(fā)送之前會有很長時間的延遲，所以ATM論壇拒絕了該方案。

在第二個方案中，交換機在發(fā)生擁塞時候總會發(fā)回抑制報文。因為抑制報文本身也有可能在擁塞中丟失，所以這個方案也被拒絕了，同時該方案對于學(xué)校用戶來說是極為不合理的，比如，考慮一臺交換機從5個用戶中的每一個得到100Mb/s的數(shù)據(jù)流，而從另一個用戶處得到100Kb/s的數(shù)據(jù)流，讓100Kb/s的用戶放棄50Kb/s是不恰當(dāng)?shù)模驗樵诰W(wǎng)絡(luò)擁塞時，該用戶并沒有起到較大的作用。

使用的第三種方案是用最后的信元中的一位來標(biāo)識分組的分界線。其想法是丟棄信元以減輕擁塞，采取這樣的措施需要較強的選擇能力。交換機掃描正在進入的信元流直至一個分組結(jié)束，然后將下一個分組中的所有信元發(fā)出。當(dāng)然，一段時間以后會將這個分組中的信元送出，但是最后落入分組中的所有N個信元，它將導(dǎo)致一個分組的再傳送。 這樣比落入隨機信元N好得多。這種設(shè)計不是在公平環(huán)境中實施的，因為它見到的下一個分組尾可能不屬于正超負荷工作的交換發(fā)送端。這種設(shè)計也不需要制訂標(biāo)準(zhǔn)。任何交換機發(fā)送端在網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生時，都能自由地選擇該放棄哪些信元。

經(jīng)過以上很多討論之后，現(xiàn)在主要有兩個方面問題：建立在信用基礎(chǔ)上的解決方案和建立在速度基礎(chǔ)上的解決方案。第一種方案其實是一種必要的動態(tài)滑行窗口協(xié)議。它要求任何交換機的每個實際電路都應(yīng)該保持一種信用，即對該實際電路需要提供有效的緩沖區(qū)，只要每個被傳送的信元都有一個等待它的緩沖區(qū)，那么擁塞就不會發(fā)生。

值得說明的是，交換機的制造商們反對建立在信用基礎(chǔ)上的解決方案。他們不想進行復(fù)雜的計算，用以記住這些設(shè)備的電路信用，同時也不想預(yù)先提供很多緩沖區(qū)，這樣會造成設(shè)備成本的極大提高。因此，采用建立在速度基礎(chǔ)上的擁塞控制系統(tǒng)。