ATM网络无连接服务的拥塞控制策略

ATM网络无连接服务的拥塞控制策略 Ξ ATM 网络无连接服务的拥塞控制策略 林永旺钱华林 ( ) 中科院计算所 ,北京 100080 【摘 要】ATM 网络提供了两种途径来实现 LAN 互连 : 直接途径和间接途径 。 相比之下 ,直接法以其能连接更多的 LAN 和利用 ATM 网络的统计复用能力而更有 吸引力 。针对直接情形 ,这里提出了一种结合流控制和动态带宽的业务管理策略 ,并 用实验对它进行了性能分析 。从而证实了这一策略能带来带宽的增益 ,并能同时减 少网络性能对无连接业务特性的敏感性 。 无连接业务流量控制拥塞控制【关键词】ATM 网络 1 引言 () 异步转移模式 ATM是一种采用异步时分复用的快速分组交换方式 。ATM 是 ITU - T 建 () 议的未来宽带综合业务网 B - ISDN的最终传输方式 。ATM 技术的优点之一是能高效灵活地 适应各种通信业务的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 。ATM 网络所期待的应用之一是 LAN 互连 。今天越来越多的 LAN 通过 ATM 网络互连 ,以获得更高的带宽和在 LAN 上增加新业务 。然而 ATM 网络是面向连接 的网络 ,现有的 LAN 主要是基于无连接的网络 ,因此如何在面向连接的网络上提供无连接的 服务是一个很重要的问题 。ITU - T 建议 I. 211 在 B - ISDN 中采用两种方法提供无连接的服 ( ) 务 ,即直接服务和间接服务 direct service and indirect service。 () 在间接法中 ,网络通过在每一对 IWU ATM interworking units之间建立虚连接来提供无连 接服务 。一个 IWU 是 LAN 与 ATM 网络的接口界面 。在这种体系结构中 ,ATM 网络只是在 I2 WUs 之间提供传输路径 ,对网络而言 ,无连接服务是透明的 。这种连接既可以是永久虚拟线路 ( ) ( ) PVC,也可以根据需要 ,由交换虚拟线路 SVC建立 。在直接法中 ,网络通过使用无连接服务 ( ) ( ) 器 CLS实现无连接服务功能 CLSF。在这种方法中 , IWU 和 CLS 互相通信 。IWU 把无连接 网络连到面向连接的网络 ,它的功能只是简单地把接收到的 LAN 帧信息分裂成 ATM 信元后 发送给 CLS ,或者从 CLS 接收 ATM 信元 ,重新组装成完整的帧 。CLSF 处理无连接协议和选择 ( ) 路径 ,以便决定下一个跳点 hop 。直接法和间接法相比 ,有许多优点 ,主要有它可以连接更多 的 LAN 并且可以获得统计复用的好处 。 不论是在直接法还是在间接法 ,都需要解决如何分配带宽 。若分配给 VP 固定带宽 ,则会 造成带宽的很大浪费 ,带宽分配不足 ,会在网络中引起拥塞 ,从而对端 - 端连接产生有害作用 , 如包丢失率上升 ,时延增加 ,导致服务质量 QoS 下降 。同时业务源不停地重发报文进入网络 , 加重网络拥塞程度 ,降低资源利用率 。该文的目的是利用动态带宽分配思想 ,提出一种新的拥 Ξ 收稿日期 :1998 - 12 - 03 。 林永旺 :男 ,博士生 。主要研究方向为计算机网络及其安全和协议分析等 。 钱华林 :男 ,研究员 。主要研究领域有网络设计和分析 ,网络安全等 。 10 塞控制方法 ,并用实验进行检验 ,表明提出的机制能有效地增加带宽利用率 。2 无连接业务的拥塞控制 ATM 网络上的无连接业务被认为是 best - effort 业务和 ABR 业务 。这是因为网络不象对CBR ,VBR 这类受保护的业务一样 ,在呼叫建立阶段确定业务的业务特性 。网络根据网络拥塞 状况 ,接受呼叫并在整个连接期间保证业务的服务质量 ,或者由于资源不能满足要求拒绝连接 请求 。无连接业务的特征是突发的和不可预测的 。对这类业务 ,必须根据网络状况控制业务源的速率 。无连接业务尽管没有显式地要求服务质量 ,仍希望丢失率和时延越小越好 ,以免重 发使资源得不到有效利用 。 1 ,6 在以前的一些文章里 ,提出了多种不同的利用带宽进行拥塞控制的机制。它们大多2 基于间接方法 。Hossam为无连接服务提出了一种 congestion - avoidance 格式 。它要求报文在 传输之前输入网关从输出网关获取 permit ,这样避免了拥塞发生 ,但这种方法只在同一交换机 内实现 。Yamamoto 在 4 提出了一种拥塞控制机制 。其方法为在目的网关产生一定量 permit , 反馈回源网关 ,通过消耗 permit 限制帧传输 。它将流量控制与带宽分配结合起来 。在直接法 情形 ,只在访问链路上提出了动态带宽分配 。由于无连接业务的高度突发 ,给源分配固定 per2 mit 是不适合的 。特别是 ,最近对局域网流量的精确分析表明 ,自相似模型比传统使用的类泊 松模型更合理 ,而自相似模型中 ,业务不具有通常的突发长度 ,所以对于自相似的业务 ,如局域 网互连 ,采用动态带宽分配的流量管理策略是非常合适的 。 文章的拥塞控制策略由两部分组成 。一部分是反馈式流量控制机制 ,另一部分是动态带 宽分配机制 。结合这两种过程 ,可以有效地利用带宽 ,与未采用控制策略相比 ,在丢失率相同 情况下 ,大大节约了带宽 。详细过程如下 。 流控制机制为 :当一个无连接服务器 CLS 数据缓存队列达到某一限定值 T时 ,表示 CLSctrl 出现了严重的阻塞 ,这时该 CLS 要求降低其输入链接的输入速率 。每个 CLS 测量其缓冲区的 ( ) ρ到达率并降低其输入率 ,使输入速率与输出速率比值为一恒定值 用来表示,直到拥塞的 ( ) CLS 缓冲数据队列下降到另一限定值T下 T< T为止 。 rlserlse ctrl ( ) 动态带宽分配机制为 :当一 CLS 数据缓存队列达到某一限定值 S S < T时 ,表示 alloc alloc ctrl 分配给 CLS 的带宽不能满足带宽需求 。CLS 要求重新分配带宽 ,增加输出链路上的传输速率 。 根据网络资源利用状况 ,带宽请求可能被接受 ,也可能被拒绝 。若接受请求 ,CLS 输出链路上 的传输速率以固定速率 PMbits/ s 增加 。拥塞的 CLS 如果仍然拥塞的话 ,等待一定时间 ,然后 再度请求 。当 CLS 队列长度小于 S 时 ,认为 CLS 拥塞消失 。CLS 结束拥塞后 ,恢复它的输出 rlse ( ) 速率为初始速率 。拒绝的概率 P是已分配带宽的递增函数 。更精确地 ,它由下面公式定 ref usal ) ) ( ( ( ) 义 : P= min v- v/ PP,1,其中 v是初始速率 , v是请求速率 。如果一增加请求被 ref usal r i f i r 拒绝 ,CLS 等待一定时间 W 后 ,若发现仍然拥塞 ,则重新请求带宽增加 。 3 模拟分析 3 . 1 模拟分析 (() ) 所考虑的模型是一个输入为突发业务的 CLSs 网络 图 1。固定大小的 为 1 . 5k 字节包按 ( ) 中断泊松过程 IPP到达 ,在传输到该网络之前进入一源缓冲区 。该 CLS 网络是一种很简单的 ( ) ( ) 拓扑图 :两个 CLSs CLSs B 和 C传送包到第三个 CLS A。在源和 CLSs 以及 CLSs 之间有一不 11 可忽略的传播延迟 。这一传播时 间影响到流控制与动态带宽分配 的响 应 信 息 。所 有 CLSs 缓 冲 区 ( ) 的容 量 为 1000 包 1 . 5M 字 节 。 这些缓冲区是相应 CLS 的一个输 出链接的输出缓冲 。接着将分析 不同 情 形 的 源 缓 冲 区 大 小 , 并 采 用 C 语言在 SGI 工作站上做模拟 实验 。 下面是模拟研究中所选的参 数列 表 。由 于 一 些 参 数 , 尤 其 是 那些 关 于 与 源 有 关 的 到 达 过 程 的 ,在实验中可能会变化 ,如无特 1 网络模型图 殊说 明 , 下 面 给 出 的 值 都 是 有 效 的 。这些值是源数目 :80 ;平均突发时间 : 200ms ; 平均源比特率 : 1Mbit/ s ; 峰值比特率 : 100Mbit/ ρ s ; T= 900 个包 , T= 850 个包 ; P= 0 . 1 , P = 30Mbit/ s , W = 70ms , F = 20ms ,= 0 . 8 ; S =ctrl rlse f alloc 600 个包 , S = 500 个包 。rlse 3 . 2 模拟结果 通过数值结果证明了所提出的整体流量控制策略可以在带宽利用上获得一定的增益 。 () 1输入业务特性的影响 () ( ) 首先比较没有任何控制 曲线 NM ,即无控制与流控制 曲线 FC ,即流控制,以及与结合 () 流控制和动态带宽分配 曲线 FCDA ,即流控制结合动态分配的策略 。没有任何控制的 ,有流 控制的 ,与结合流控制和动态分配的系统分别用 NM 、FC 和 FCDA 来表示 。在第一个实验中 , 假定源的缓冲区具有无穷大容量 。 - 4 在所有情形下 “, 需求带宽”定义成保证由丢失率 10 和对 95 %的包最大延迟小于 30ms (所定义的服务质量所必须的最小带宽 这里延迟是指系统中一个包从进入一个源的时刻到离 ) 开 CLS A 的时刻所花费的时间。 ( 图 2 显示了 CLSs B 和 C 的输出链接要求的带宽 ,为平均突发时间的函数 。平均静默时 ) 间与平均突发时间按相同比例变化 ,以保持一定平均到达率。对系统 FCDA 而言 ,按照定义 , 这一带宽是所使用的不同速率的加权平均 ,各权重有每种速率被使用的时间比例来给出 。主 要结论如下 : a . FCDA 机制可获得一定的赢余 。即对 400ms 的平均突发时间而言 ,分别为 NM 系统的 39 %和 FC 系统的 9 % 。 b. FCDA 机制相对于 FC 机制的赢余是平均突发时间的递增函数 。由于所考虑的最大突 发时间相应于长度为 4 . 8M 字节的突发 ,这一参数的某些更大值 ,可能会导致更大的赢余 ,但 在 LAN 互连环境中是不实际的 。 c . FCDA 机制相应的曲线的斜率比其它两种机制要小 ,反映了这一机制对突发长度的较低 的敏感性 ,而突发长度是一个极难预测的参数 。 图 3 显示了到达过程的活动参数对需求带宽的影响 。当改变活动参数并同时改变源的数 量时 ,可使得到达的总平均速率保持不变 。这样做的目的是确定网络管理员是否能够有效地12 使用已分配的带宽 ,而不论无连接业务的特性如何 。这里 ,平均突发长度保持不变 ,为 200ms , 并改变静默间隔时间 。 图 2 平均突发度的影响图 3 活动参数的影响 从图中可得出的主要结论是 , FC 和 FCDA 机制似乎对源的活动参数几乎不敏感 。这是一种非常有趣的特性 ,因为 ,如果无连接服务的典型源的活动参数很小 ,它也会因源的类型不同 而变化很大 。 虽然从前两个实验可以说明 FCDA 机制的一些有趣的特性 ,它相对于 FC 机制的增益与 FC 机制相比还未得到很好地揭示 。 但直到现在 ,这些机制也只是在某个环境下比较 ,其中由于选择 CLS A 的输出链接的速 率 ,没有很多控制请求向 CLS B 和 C 发出 。这些条件现在可以通过加入一个背景输出源给 CLS A 而改变 。这一源的特性为 : 峰值速率 120Mbit/ s ,活动参数为 0 . 1 。这样便显然增加了 CLS A 的负载 。 图 4 显示了所得到的结果 ,并也只比较了 FC 和 FCDA 机制 ,但考虑了 FCDA 机制的两种情 况 ,它们依赖于所假设分配请求被拒绝的概率 。FCDA 1 相应于前面的情形即 , P= 0 . 1 , FCDA f 2 相应于 P= 0 . 05 。f 此时的需求带宽显然比前面的无外部负载加入到 CLS A 的情形要大 。还可以看到 , FCDA 机制相对于 FC 机制所得到的增益在这些条件下变得很显著 。在同样条件的拒绝率下为 P=f 15 % ,在更低拒绝率情况下甚至有 25 % 。这种概率很难描述 ,因为它与 ATM 网络容量有关 ,对 其流量而言 ,分配给了 CLSs 输出链接更多的带宽 。这主要跟网络采用的 CAC 函数有关 ,但这 里分析的情况似乎不是很乐观 。可以预计 ,在实际情况中所提出的策略会有更好的性能 。 () 2距离的影响 至此 ,只讨论了源缓冲区假设为无限容量的情况 。下面将取消此限制 ,并着重分析网络规 模对所需缓冲区的影响 。理想情况是 ,缓冲区容量要求对于网络规模更不敏感 。 图 5 显示了源与 CLS 之间和 CLSs 之间的影响 。这里 ,FC 情形下的带宽和 FCDA 情形下的初始带宽对应于保证所需 QoS 要求的最小值 。源的平均突发长度为 100ms ,并且整体负载与 前面保持不变 。 4 结论 针对建立在 ATM 网络结构之上的无连接网络 ,笔者提出了一种结合流控制和动态带宽分 13 配的流量管理策略 。这一策略允许在 ATM 网络带宽的利用上获得某种增益 ,并减小了无连接网络的性能对业务特性的敏感性 。下一步将分析在提供 ABR 传输能力的 ATM 网络之上的无 连接网络的性能 ,以便与文章中所分析系统的性能结论做比较 。 图 4 CLS A 的负载的影响图 5 距离对源缓冲区的影响 参考文献 1 Gerla M. LAN/ MAN inter - connection to ATM : a simulation study. Proceedings of INFOCOM92 ,1992 :2270,22792 Hassanein H S. A congestion - avoidance scheme for LAN interconnection over high - speed networks , Computer Communications ,1997 ; () 20:261,272 Vickers B J . Connectionless service for public ATM networks. IEEE Communications Magazine , 1994 ;August :34,423 4 Yamamoto M. Traffic control scheme for interconeectionfor FDDI networks through ATM network , Proceedings of INFOCOM93 ,1993 : 411,420 5 Li G L . Admission control for transmitting connectionless traffic across ATM networks. IEEE Communications Magazine , 1995 ;J uly :543 ,549 Li G L . Bandwidth function and its application to bandwidth managements and traffic control in B - ISDN. IEEE/ ACM Transaction on 6 Networking , under review 7 Vickers B J . Connectionless service for public ATM networks. IEEE Communications Magazine ,1994 ;August :34,42 One Congestion Control Pol icy f or Connectionless Service in ATM Net work Lin Yongwang Qian Hualin ( )Institute of Computing Technology , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100080 【Abstract】One important application in ATM networks is LAN interconnection. ATM technologyprovides two methods to aim it : direct approach and indirect approach. The direct approach is more attrac2 tive to interconnect more LANs and utilize statistical multiplexing ability than indirect approach. We pre2 sent a new traffic management policy combining with flow control and dynamic bandwidth allocation. We give our numerical analysis to its performance , which proves that the policy can attain gains in band2 width. In addition , it can decrease sensitivity to characteristics of different services. 【 Key words】ATM network ,connectionless service ,flow control ,congestion control 14