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1、1 9 9 8中 国 控 制 与 决 策学 术 年 会 论 文 集 一种用于 A T M 网络 A B R业务的 新型公平分组丢弃策略 张冬梅郑应平 ( 中科院自动化研究所。 北京a o o o s o 摘共A TM论坛已将葵于速率的控制作为A B R业务的流量控制策略.但如果存在一些不 合作的用户. 仍会造成网络拥塞. 塞于文献 月提出的F P D方法， 给出一种改进的F P D方法(IF - P D) 。 它在公平性准则下， 抑制了非合作用户的行为。 同时， 比 7 进一步有效地利用了网络带 宽。 关 性 词A T M . A B R 业 务 ，拥 塞 控 制 ，西 迸 的 公 平 丢 弃
2、 色 亏一 1 引言 A T M( A s y n c h r o n o u s t r a n s f e r m o d e 异步传输模式) 是实现B - I S D N( 宽带综合业 务数字 网) 的一种重要手段。A T M技术的研究对现在和未来的通信网络有着至关重要的作用.在诸 多向题中， 拥塞控制问题一直是人们研究的热点与难点。我们的研究一直基于这样的观点， 即 AT M 网络中拥塞是不可避免的， 如何从拥塞状态中尽快恢复， 以最小的损失换取网络的通 畅。 而在A TM提供的服务种类中， C B R( 不变比特率) 和V B R ( 可变比特率) 类型中， 都没有为 发送端提供速率
3、的反馈机制， 因此在拥塞状态 网络难以采取主动措施.只有对于A B R ( 可利 用比特率) 、 网络可通过为发送端提供速率反馈机制， 使发送端在网络拥塞状态下， 将信元的发 送率降 低， 以减轻网络负 荷， 尽快恢复到正常状态， 并且当网络恢复后， 又通过该机制使发送端 速率恢复到正常速率。因此， 在 1 9 9 4 年， A T M论坛m将荃于速率的策略( R a t 。 一b a s e d s c h e m e ) 作为A B R 业务的拥塞控制方法. 它通过R M( R e s o u r c e M a n a g e m e n t , 资源管 理) 信元 所 包含的显式速率(
4、 E x p l i c i t R a t e ) ， 动态调整发 送端速率， 以达到避免拥塞， 控制拥塞的目 的。 然而， 文献【 幻中已证明， 基于速率的策略只有当所有网络用户在合作方式工作时， 才可以 达到拥塞控制的目的. 即使少数用户为了自己的利益。 不遵从AT M网络中提供的显式速率改 变发送速率， 也可能导致网络拥塞的加剧， 极大地破坏网络中其它用户的利益。 因此文献 3 中 提出一种公平丢弃( F a i r m e s s D i s c a r d i n g ) 的方法， 通过在过载情况下 交换结构主动丢弃非合 作用户 所发送的信元， 来 确保 每个用户公平地享用网络资源
5、。该方法采用 激励 控制手段， 对不 听 从网 络管 理， 故意破坏网 络通杨的用户予以严厉制裁， 即将它传翰的信元丢弃， 使它不得不 服从网络管理.同时通过公平丢弃( F D) 方法， 减轻了网络负荷， 使网络拥塞状态快速恢复， 也 使听从网 络管理的用户发 送速率尽快上升。 但是， 公平丢弃( F D ) 方法通过激励控制达到 公平性的同时， 由 于过分地丢弃非合作用户 所发送的信元， 必然造成网络资源的浪费， 即没有充分利用网络所提供的带宽。单从充分利用 .国 泉 自 然 科 拿 羞 全 资 助 项 目 8 2 9 网络带宽的角度。 曾提出 一些丢弃方法. 如E P D ( 早期分组丢弃
6、E a r l y P a c k e t D is c a r d ) “ ， 和 T D ( 尾部丢弃T a il D r o p p in g ) “。 这些方法是从传输层或用户角度考 虑， 信息以P a c k e t ( 分组) 表示， 在网络层 A T M 将分成若干个信元。 一个信元的丢弃必然造成传输层对整个的重发. 因 此， 如果已经丢弃一 1 ” 一个信元 . 或者打算丢弃一个信元， 那么再传输与此信元同属一个P a c k e t 的其它信元就是对网络资源的浪费. 所以要将这些信元一并丢弃， 由此分别提出 E P D和 T D 方法。文献厂 6 中比 较了 这两种方法的吞吐
7、量( t h r o u g h o u t ) ， 认为E P D的吞吐量比T D的要 高。但是E P D方法曾被 A T M 论坛以公平性不好为由拒绝作为拥塞控制的方法， 因为该方法 是在网络拥塞时， 在AT M交换结构中， 对下一个到达的 P a c k e : 的所有信元全部丢弃， 而这个 很可能不是造成拥塞的那些用户所发送的， 因此不满足公平性。 由此文献 7 口 将F D( 公平性丢弃) 与E P D这两种方法结合， 提出 F P D( 公平分组丢弃) 方 法， 它克服了E P D方法中公平性不好的缺点 又在一定程度上克服了F D方法中对带宽的浪 费 。 F P D方法是在检测到网
8、络拥塞时， 利用已有的每 个用户 的带宽利用率 记录， 丢弃那些已 超 出申请的QO S ( 服务质量Qu a l i t y o f S e r v i c e ) 用户的整个P a c k e t 中的信元。 我们在研究中发现， 文献 7 中丢弃策略可以作进一步改进. 引入 带宽比 概念， 使带宽 分配 在带宽比 意义下到达公平， 由 此提出改 进的公平分组丢弃方法Q F P D , I m p r o v e d F a ir P a c k e t D is c a r d ) 。 本文通过理论分析说明了I F P D方法满足文中提到的公平性准则。 且该方法比F P D, 方法的吞吐量
9、大。同时， 从实用角度分析认为A T M 可以实现本文所采取的激励控制策略。 2 定义与分析 为便于 说明 与比 较， 对同一物理量的描述仍与文献【 7 保持一致。 如文献 7 中图I 所示. 令k 表示复用的虚通路( V C ) 个数. 即在A T M网 络中 这k 个V C 是 由不同的用户多路复用同一虚通道( V P )它们都要到达同一 目的地。 该VP在单位时间T内 的可利用容量为: . 即该 V P在T内最多可吞吐c 个信元。 令: . 为第i 个V C在时间T内发送的 信 元 数 ， 习a , 令a 为 网 络 第 * 个V C 预留 的 带 宽， 即 在 时 间 T内 网 络 最
10、 多 应 为 它 发 送 的 信 元数( 注: 在 A B R服务中， 预留的带宽是可选项. 所以a也可能不存在， 在后面的策略中， 我们 要对两种情况分别分析) 。 当由 信元突发引起拥塞时， 也就是在一段时问T内， 所 有V C发送的信元总数超过V P 可 吞 吐 的 信 元 数， 即习r : 。 定义 1 称所有 V C发送的信元总数超过 V P可利用的容量c 的那部分信元数为过剩载 荷， 记 为E , 即E =习， 一 二 。 二 1 当E 。 时， 很显然， 如果 Q o S参数设置了预留带宽 a， 那么一定存在一个或几个这样的 V C ， 它们满足 ， . a; 如果没设置“， 那
11、么k 个 : . 平均享用可利用容量 ， 也一定存在一个或几 个这样的V C ， 它们满足 r ; e l k 。 这祥的VC 是造成网络拥塞的源， 如果在网络拥塞时， 必须丢 弃一些 信元， 那么丢弃的信元应属于这些V C . 文献 7 将这些V C 定义为被控V C . 为了 提高网 络利用率. 本文认为可以放宽被控VC的定义. 下面， 我们进一步分析。 假设在 k 个V C中， 有h个V C ( 为便于分析， 假设为前h 个V C) 发送的信元数没有超出它 8 3 n 们在网络中 应 I 的份额， 即 对预留 带宽情况. r , 1 有预留带宽时， 满足公平性准则。 当均匀分配时， 对非
12、受控VC , r ; c / k , p: 一牛 h 二冬( k 一h ) : _ ; R尼 C , k c ( k 一 h ) k (k - h )k c k R 一n少 当均匀分配时， 满足公平性准则. ( 证毕) 3 I F P D方法及实现 由以上分析得出， I F P D方法既充 分利用了 7 中的一些剩余 带宽， 又在公平性准则约束 下， 满足公平性 ， 下面阐述I F P D方法的可实现性。 I F P D方法也采用 7 中F P D 方法的A T M结构。 A T M交换结构为带输出缓冲区的结构。 8 3 1 到达不同目 的地的信元 在不同的 输出缓冲区 排队。 A T M交换
13、 结构可以 记录每个V C在单位时 间T内到达 轴出 端的信元数， 即r 。 与预留带宽a 。 或 应分得 带宽c / k 相比 较， 可以判 断该V C 是 否 超过它应有的带宽。 如果缓冲区 对长超 过预先设定 的对长， 交 换结构寻 找下一个到达P a c k e t 的第一个信元。 如 果此信元属于受控V C , 交换结 构将丢弃此信元及其后所有属于该P a c k e t 的 信元; 如 果此信元不属于受控V C ， 而且输出缓冲区未满， 此信元进入输出缓冲区。 由 此， 抑制 了非合作用户的行为， 实现了所有用户公平 享用 带宽。 在每个V C到A T M交换机的 入口 前， 设
14、置统计信元 到达个数的装置， 并且具有的一些 计 算功能是可以实现的。 同时由于 A T M适配层AA L S 协议， 为 P a c k e t 的最后一个信元设定标 志， 因此可以方便地实现丢弃整个 P a c k e t 的所有信元。 4 结语 本文提出的1 F P D方法， 能够通过公平性准则主动抑制 A B R业务中对反馈的速率采取不 合作态 度的 用户， 又能够有效地利用网络带宽. 同时， 该 策略具 有工程 可实 现性， 能 够有效地解 决 A TM网络中AB R业务的拥塞问题。 参考文献 T a n e n b a u m A S . C o mp u t e r n e t
15、w o r k s ( T h i记 e d it io n ) . P r e n ti c e -h a l l , 1 9 9 6 M Z u k e r m a n . S C h a n . C o n g e s t io n c o n t r o l b y m a in t a i n i n g fa ir n e s s i n h ig h s p e e d n e t w o r k s , I n , P ro c 压E EG L O B E C O M 9 4 . 1 9 9 4 C O N e ill . F a i r n e s s d is c a r
16、d i n g fo r c o n g e s t io n c o n t rol i n A T M n e t w o r k s . 1 n , P r o c A u s tr a l ia n B r o a d b a n d S w it c h i n g a n d S e r v ic e s S y m p 9 2 . Me l b o u rne . A u s t r a l ia . 1 9 9 2 . 1 : 1 8 5 - 1 9 2 K e n o K a l w a h a r a e r a l . P a c k e t lo a s p e r f o r m a n c e o f s e le c ti v e c e ll d i s c a rd s c h e m a in AT M s w it c h es. I E E E J o u rna l o n S e - l e c t e d A r e n a
