基于宽带网络的拥塞控制机制研究
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摘要：宽带通信网的拥塞控制是流量控制（称为业务量管理）的一个重要组成部分，拥塞控制既要保证网络不发生拥塞，又要提高带宽的利用率。本文讨论了宽带网络中各种拥塞控制功能和实现策略,指出了网络流量的高突发性以及不可预测的网络时延,应是控制算法设计中的难点,而提高网络利用率,综合公平性是研究的最终目的。
关键词：ATM；拥塞控制；策略；算法
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)17-31259-02
The Research on the Jam-control Organ of the Wide-band Network
MA Xiang
(Hunan International Economic University, Changsha 410205,China)
Abstract:The control of jam of the wide-band of network is an important part of the flow rate-control (so-called work-rate management).The control of jam is not only to guarantee the influence of the network ,but also to higher the use-rate of the band-width. This paper has discussed all kinds of function of jam-control and its realized strategy and pointed out that the jam of rate of flow takes place high ,which causes the stage of the network, should be the difficult point of the design of the arithmetic of the control ,aiming at improvingthe use-rate of the network and synthesizing the equilibrium ofall aspects of network.
Key words:ATM;jam-control strategy;arithmetic
1 前言
经典的通信网络具有以下的特点：（1）业务依赖性：即一种网络是为一种特定业务设计的，仅在特定条件下，增加部分附加设备并牺牲部分资源利用率，网络才能适用于其他业务。（2）不灵活：网络对业务的依赖性是不灵活的根本原因，当一种新业务出现时，现有的网络很难对其提供满意的服务，这就要求针对该新业务重新设计，安装一个新的网络。而如今的各种新业务不断涌现，而新网络的安装不仅需要大量的投资，还需要很长的时间，无法跟上新业务的发展。
由此看出，建立一个适合各种业务的通用网络是新业务发展的要求，也是推动信息社会进一步发展的需要，现代通信网的目标之一就是要接纳各种不同的业务。宽带综合业务数字网（B-ISDN）的概念就是在这样的背景下发展起来的。B-ISDN的主要特点为：灵活性、即便于为各种新业务提供服务；有效的资源利用；价格便宜。1990年，异步传输模式（ATM）被ITU-T定为B-ISDN的最终传输方案。
ATM的是一种基地固定长度信元（cell）的面向连接的交换模式。在B-ISDN中，首先为用户建立一条虚路径VP，其中包括了各条虚电路VC的级联。用户的数据都被封装成一系列信元，在预先建立的虚电路上传输。在信元头中包含了路由信息（VIP和VCI），以便于网络的交换节点进行路由选择。在ATM网络中，传输的是53字节的信元，因此便于网络资源的统计复用，提高网络资源的利用率。同时由于采用了虚电路的通信方式，使得用户的服务质量得到有效的保证。
宽带通信网的拥塞控制是流量控制（称为业务量管理）的一个重要组成部分，拥塞控制与业务量管理的主要区别在于后者既要保证网络不发生拥塞，又要提高宽宽的利用率；而前者只处理链路和交换机中与拥塞有关的情况。在ITU-T制定的I.371建议中将拥塞控制定义为：网络中所有有关要素采取的一系列使拥塞极小化以及防止扩散的行为。一般来说，如果网络中的某些节点，其接纳业务的总速率高于输出链路的带宽，就有可能发生拥塞即拥塞，即拥塞发生的条件为：
其中，Ri为某个已接纳业务的输入速率，C为输出链路可用的容量。
2 宽带网络中的流量和拥塞控制的基本功能
2.1连接接纳控制（CAC）
CAC的主要功能是在用户申请建立连接时，根据网络资源的利用情况，决定接纳还是拒绝用户的连接请求。通常在用户的连接建立请求中要包含该用户的业务特征和QoS要求，如果此时网络有足够的带宽及缓存等资源容纳该用户并能保证用户的服务质量，CAC就会接纳该用户入网，否则拒绝它的要求。CAC是网络实行主动的流量控制（即控制拥塞）的重要措施，它可以防止因大量用户同时进入网络而造成的拥塞，同时也可以通过CAC对各种业务提供不同优先级的服务。
2.2用法参数控制（UPC）
CAC在接纳了一个用户之后，网络和用户会共同制定一个合同，记录网络允许的用户业务量参数和它为网络提供的QoS。UPC是合同执行情况的监督者，它将超过合同规定量的用户数据做上标记（待网络内部出现拥塞时首先丢弃这部分信元）或丢弃，防止用户有意或无意的违反合同规定造成网络的拥塞。
2.3业务量形成
可以用在网络入口处或出口处使业务流符合该处的业务特性，它也可以用于节点内部或与用法参数控制一起使用，调整用户的业务特征，以在保证网络服务质量的同时提高网络效率。业务量形成要求保证用户信元的顺序和完整性，可采用减小峰值信元整率、限制突发长度、减小信元时延变化或信元调度策略等多种方法。
2.4选择性丢弃信元
在网络内部出现局部拥塞时，可以选择性的丢弃信元（将优先级低的信元首先丢弃）以消除拥塞或防止拥塞扩散。
2.5数据帧丢弃
当出现拥塞时，将属于AAL层同一数据段的信元全部丢弃。是否属于AAL同一数据段可以通过检查信元头部的PT字段来决定。帧丢弃可以更有效的消除拥塞，并提高网络的吞吐量。
2.6反馈式流量控制
这是针对ABR业务设计的一种流量控制方法，由于ABR是为了利用网络在满足CBR和VBR业务以后的剩余带宽而设计的，因此它需要及时知道网络的负载信息并及时调整自己的速率。这种网络信息就是通过网络反馈给用户的RM信元传输的。这些功能是相互协作以达到维护网络服务质量这一目标的。其中第（6）点是ABR业务所特有的，它要求网络和用户之间有更紧密的协作。
3 拥塞控制策略
宽带网络的拥塞控制机制基本上也可分为两大类：闭环拥塞控制和开环拥塞控制。在开环拥塞控制中，一般是根据业务合同限制并保证每个连接的可用带宽。每个终端系统在申请带宽时要提供相关的业务参数，如峰值速率（PCR）、信元时延的变化（CDV）、信元的维持速率（SCR）、突发容限（BT）等，网络通过连接接纳控制（CAC）算法及用法参数控制（UPC）来限制用户的接纳及保证用户接纳后的服务质量（QoS）。一旦连接请求得到确认，则在整个传输过程中其QoS得到保证，如缺少用户要求的网络资源，则连接请求遭到拒绝。因此开环控制有时也称为预防式拥塞控制。目前已有大量文献对预防式的拥塞控制机制算法进行了深入的研究，研究的内容包括：连接接纳控制、用法参数控制、业务量成形（Traffic Shaping）、资源管理（Resource Management）等，产生了一些高效率的算法，如UPC阶段的“漏桶”（Leaky Bucket）算法等。
预防式的拥塞控制机制的主要优点是控制算法性能的本身不受传输时延的影响，只要用户对QoS提出明确的要求，通过CAC和UPC两个阶段就能有效的控制网络的拥塞。其缺陷是不能充分利用网络的空闲带宽，因而资源的利率率较低。
闭环拥塞控制有时也称作反映式（Reactive）或反馈式（Feedback）拥塞控制，其基本的工作原理是根据网络中的反馈信息动态的调整每个连接的信元发送速率，以提高带宽的利用率并及时消除网络拥塞。ANSI电信委员会最早提出了在帧中继网络中直接控制源端帧发送速率的思想，通过帧头中的两个二进制位来标识网络中的拥塞状况，并以此调整帧的发送速率。有人提出了利用端到端的反馈机制控制DECnet协议中窗口大小的方法，即发送端根据返回确认（ACK）帧携带的拥塞信息按一定比例增加或减小窗口的大小。
4 基于ATM网络拥塞控制的算法实现
4.1基于显式拥塞通知的速率控制
在前向拥塞通知（PECN，Forward Ecplicit Congestion Notification）方案中，处于拥塞的交换机对通过拥塞缓存的ATM信元的信头的“经历拥塞（Congestion Experienced）”位置位。信宿然后通过一条反向的VC反馈拥塞信号。在后向拥塞通知BECN（Backward Explicit Congestion Notification）方案中，交换机通过直接发送反向的一个特殊信元通知源端拥塞。显式拥塞通知方案都是基于反馈的，这使得源端有时对拥塞或调整可用带宽方面响应对慢。
4.2门限反馈（Threshold Feedback）
此方案是应用在ATM层的跳到跳（Hop-by-Hop）之间的。当一个信元的到达使得缓存信元数达到上限H时，按收节点发送一个“停止（Stop）”信号给发送节点，使发送节点停止发送信元。而当一个信元的离去使得缓存信元数降到下限L时，接收节点发送一个“开始（Start）”信号给发送节点，使发送节点开始发送信元。
为了避免信元丢失，上限H应等于：H=B－rD
其中，B――接收节点的缓存尺寸；r――输入链路的峰值传输速率；D――周转传输时延。
4.3优化反馈（Optimal Feedback）
类似门限反馈，该方案也是应用在ATM层的跳到跳之间的。出于实现和公平性的考虑，它是基于每条连接的。该方案的主要优点是它能在最小的缓存需求条件下工作，同时确保不会发生信元丢失和链路空闲。该方案的总缓存需求Btot为：
其中，Bs――所有连接共享的缓存空间数；bj――供第j条连接专用的缓存空间数；m――业务连接总数。
该方案的缺点是由于共享缓存空间可能已达到最大值而触发流量控制信元，但专用的缓存空间却较空闲，这将造成资源浪费。而且，流量控制4.4EPD算法
当IP运行在ATM之上时，一个可选的方案是拥塞时选择性地丢弃相应IP分组的信元。Romanow和Floyd在文献中提出这样一个算法――ATM早期分组丢弃（ATM-EPD，ATM Early Packet Discard）算法。当缓存的占有量超过了设置的门限，算法将丢弃下一个进入缓存的IP分组的整体连续的信元。ATM-EPD算法有效地阻止分组的残片进入网络，避免浪费可用资源而进一步加剧拥塞。Romanow他Floyd指出在单个ATM交换机上使用ATM-EPD算法，TCP性能可与TCP和IP网关上的性能相媲美。但是，该方案在大的多中继的网络上的性能还有待进一步研究。此外，由于选择丢弃分组缺乏随意性，可能导致各TCP连接在共享网络资源时缺乏公平性。
4.5前向丢弃策略（Drop from Front）
贝尔实验室的T.V.Lakshman指出了ATM-EPD中向丢弃（Drop from Back）的不合理性，认为应采用前向丢弃（Drop from Front）的策略――当信元达到目的一共享缓存而缓存已满时，将队首的信元丢弃而给新来的信元腾出空间。其优点是它可使信宿更早地发送重复确认以通知源端网络出现了拥塞，从而使源端更早地触发拥塞控制动作，提高网络性能。仿真实验证明了该策略获得的网络性能高于单纯的RED算法，与EPD+RED算法获得的性能相当。
4.6虚拟信道的流量控制FCVC
对每条VC进行的链路层的流量控制是一种可选的方案。它可完全地消除由于拥塞造成的分组丢弃。Kung他Chapman提出了几个FCVC方案。它们的共性是当且仅当该链路的宿端能提供足够的“许可证（Credits）”时源端才被允许在该链路上发送信元。它们中最有前途的方案是“N23方案”：将每个中继点的每条VC所需的缓存划分为两个区域――执行区域N3和一个小区域N2，N3的大小由到下功夫不念旧恶中继点的周转时延与分配给该VC的峰值带宽的乘积决定。N2区域由收端使用以集结传送到上游的所有“许可证”，它的大小决定了上游许可证信元的传送频率。N23方案不允许VC间共享缓存，因此在一个WAN中（可能成千上万的VC共享同一链路）所需的缓存量可能使人难以承受。这个问题可通过允许VC共享可用的缓存来解决。Kung等和Varghese等提出了两个类似的方案。Kung利用统计复用减少了缓存需求量，仅需提供所有VC运行于峰值带宽所需的缓存的一部分，当许多VC同时拥塞时可能引入小概率的信元丢弃。Varghese通过限制在拥塞条件下单个VC的带宽而避免信元丢失。
宽带网络中各种拥塞控制方案的优劣比较还在争论之中。这些方案包括基于反馈的拥塞控制、分组丢弃算法和虚拟信道VC（Virtual Channel）的流量控制即FCVC（Flow-Controlled Virtual Channel）等。总的来说，在调整网络（如ATM）中，由于传播时延时于数据的发送速度来说，不再是一个可以忽略的因素，因此预防式的拥塞控制机制更适用于CBR和VBR等对QoS要求较高的实时性业务。而对于ABR业务，因其实时性的要求不高，对QoS的要求不太苛刻，采用反馈工的拥塞控制机制更有利于提高带宽的利用率。
参考文献：
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