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1、分类号U C D密级学位论文A T M 网络中若干控制问题的研究作者姓名鲎堡指导教师姓名盐垂堡塑撞壅i ! 盘茔堡! 垦登生量兰堡堂堕鱼盈垡丛塞盟申请学位级别塑学科类别兰茎学科专业名称撞剑堡迨量控剑兰猩论文提交日期2 Q 鲤壬1 2 旦论文答辩日期2 Q Q 生! 旦学位授予日期论文评阅人至鱼盔高皇叠答辩委员会主席盏皇壁东北大学 2 0 0 4 年1 2 月东北大学硕士学位论文摘要计算机和通信技术的快速发展，以及信息高速公路I n t e m e t 的兴起，人们普遍认识到信息及资源共享的重要意义。因此，基于I n t e r n e 坍n t r a n c t 技术的应用系统被广泛采用。而
2、在其上传输的信息可能是数据、话音、图像或视频等。对这些多功能的需求，现今的任何网都无法完成，因为这些网都是面对特定业务类型设计的。A T M 网络综合了电路交换和分组交换的优点，既有电路交换的可靠性和低延时性，又有分组交换的高效性。因此，A T M 网络能较好地适应多媒体业务的需要，是对传统网络的一种根本性的改变。但是，A r M 网络也面临着一些急需解决的问题。其中，为解决网络中的时延问题，而进行的拥塞控制和流量控制是研究的热点方向。目前，有许多应用控制理论方法解决网络中的延迟问题的例子，且都取得了较好的控制效果。于是，本文利用控制理论中的极点配置算法和有限拍控制 方法，进行删网络的流量控制
3、。首先，在基于极点配置方法的A T M 网络控制中，讨论了将极点配置在不同的位置以实现动态跟踪网络状态的问题。将一般的传递函数转换为状态空间方程的形式，利用现代控制理论中极点配置方法，得到了网络系统闭环稳定的反馈控制律，从而拓展了解决网络问题的新思路。所应用的极点配置方法不仅能根据网络状态的变化动态地调整信源的发送速率，从而使信源快速响应网络状态的变化，解决了时延对网络控制带来的不利影响；而且使链路带宽和网络资源得到了充分的利用。仿真结果验证了所采用的极点配置算法能使网络具有良好的动态性能。其次，应用有限拍方法讨论了A T M 网络的A B R 通信中基于速率反馈的流量控制问题。改进了原有模型
4、，引入新的对象传函，使之更接近实际应用。提出了结构简单的缓冲器队列长度的控制方法。此方法使系统的响应在有限拍的时间内严格地到达稳态，信源发送速率能够快速响应网络状态的变化，较好地克服了时延对流量控制快速性和稳定性的影响，从而有效地避免拥塞发生，同时降低信元丢失率。仿真结果验证了此算法的有效性。另外，A T M 网络在管理技术方面还存在着有待解决的问题。于是，本文从管理者的角度出发，讨论了如何使网络和用户的整体利益得以保障的问题。将对策论中的N a s h 平筏和s t a c k e l b e r g 策略概念引入多用户网络模型中，较好地引导各用I I独创性声明本人声明所呈交的学位论文是在导
5、师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示谢意。本人签名：唰多日期：伊、弓学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。f 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。)学位论文作者签名：签字日期：导师签名：
6、签字目期：东北大学硕士学位论文第1 章绪论第1 章绪论随着社会的进步、经济的发展和教育的普及，信息在人们的工作、学习和生活中发挥着越来越重要的作用，人们也提出了更多的通信业务，如电视会议、可视电话、点播电视、远程教育、高速数据传输等。对这些多功能的需求，现今的任何网都无法完成，因为这些网都是面对特定业务类型设计的，它们存在以下几个问题：各网资源不能共享，即使一个网络中有空闲资源，也不能被其它网络中的业务使用；大量的网络和不同硬件使维护、管理费用居高不下，同时维护管理人员需熟悉不同业务网的操作规程，从而不利于形成商效的管理体系；各种网络专业化程度高，不利于综合新业务和多媒体通信的发展；同时要求多
7、种通信业务的用户，需要多个用户号码，多种接续方式和多台通信终端，用户不仅投资大，而且使用不方便。因此，无论从用户的角度还是从网络经营者的角度，都希望建立一个单一的网络。既能传递低速信号，也能传送高速信号；既能适应语音信号时延特性，又能适应数据信号误码特性，进而也能适应图像信号时延和误码两种特性。这个网便是宽带综合业务数字网( B I s D ，1 9 8 8 年，异步转移方式( A s ”c h r o n o u sT r a n s f e rM o d e ，即A T M l 被正式确定为B I S D N 的信息传递的方式。1 1A T M 网络技术概述1 1 1A T M 的概念和特
8、点A r M 是一种面向连接的高速交换和多路复用技术，它使用5 3 个字节的固定长度的信元，可以同时传递各种信息( 包括图像、声音和数据) 。A T M 综合了电路交换和分组交换的优点，既有电路交换的可靠性和低延时性，又有分组交换的高效性。总之，其优点如下：灵活性和适应性强，能够适应将来新业务的要求和新技术的发展；能够有效地利用资源。在A T M 网中，所有的资源都能被任何业务所使用，分配资源的方法是根据信息传送东北大学硕士学位论文第1 章绪论A T M 网络是一个单一的通用网络，通过这个网络能提供所有的业务，节省了网络设计、安装和维护费用。A T M 采用统计复用的方式，将来自不同信息源的信
9、元汇集在一起，在一个缓冲器内排队，按照F I F O 的原则，队列中的信元逐个输出到传输线路，形成首尾相接的信源流。信元的信头中写有信息的标志，说明信元所去的地址。队列中的信元按输出次序复用在传输线路上，信元在传输线路上并不对应某个固定的时隙，也不是按周期出现的。这使得朋M 有很大的灵活性：任何业务都按照实际需要占用资源，对特定业务，传送的速率随信息到达的速率而变化，因此资源可以得到最大限度的利用。另外，A T M 网络可以适用于任何业务，不论其特性如何，网络都按同样的模式处理，做到完全的业务综合。A T M 的传输介质常常是光纤，传输距离可达数千米远。A T M 主要有以下四个特点f 1 ：
10、A T M 是以面向连接的方式工作的。在终端向网络传送信息之前，必须发出连接请求，网络要为这个呼叫保留必要的资源，建立虚电路。在信息传送完毕后。网络还要释放这些资源，拆除虚电路。A T M 网中没有逐段链路的差错控制和流量控制。由于传输线路可靠性的提高，使得逐段进行差错控制和流量控制已没有必要，A T M 将这两项工作交给终端去做，大大简化了交换节点的工作。 信头的工作被简化。删信元的信头功能十分有限，主要功能是虚电路、标志信元的优先级和对信头进行差错校验等。因此，信头处理速度很快，处理时延很小。A T M 采用固定长度的信元，信息段的长度较小。这样可以减少信息在缓冲区内排队的时延和时延抖动，
11、很适合实时业务。1 1 2A 1 M 基本结构A T M 基本原理主要体现在它的信元格式和交换过程。( 1 ) A T M 的信元格式A T M 是固定长度的分组，共有5 3 个字节。其中，前5 个字节为信头，用来表征信元去向的逻辑地址、优先级等控制信息；后4 8 字节为信息段，用来装载来自不同用户、不同业务的信息。话音、数据、图像等所有的数字信息都要经过切割、封装成统一的信元在A T M 网络中传递，并在接收端恢复成所需的格式。这种短小而固定的信元传输，灵活机动，不仅可以携带任何类型的信息f 数字、2东北大学硕士学位论文第l 章绪论语音、图像、视频) 支持多媒体通信，还能进一步降低传输时延，
12、按业务的需要动态地分配网络带宽，既可以像线路交换那样传输话音业务，又可以像分组交换那样传输数字业务。同时，这种短小的固定长度的信元，使得交换可以由硬件进行处理，提高了处理速度，加大了传输容量。( 2 1 A T M 交换过程在A T M 网络中，各A T M 交换机利用V c I f v i r t u a lc h a n n e l I d e n t i n e r 虚信道标识符) 和v P “r t u a lP a t l lI d c n t me r ，虚通道标识符) 字段，将信元从源终端传送到目的终端。交换过程是通过一张交换匹配表来实现的，即根据信元中的V P I 和V c I
13、字段的值计算出来的输入端口和输出端口之间的匹配关系表。A T M 具有如图1 1 所示的分层模型。I T u T 建议I 3 2 1 定义了A T M 的参考模型，它是一个立体的分层模型。用户面负责用户业务信息的传递以及与用户业务信息流直接相关的控制功能( 如链路控制、差错恢复等) 。控制面提供呼叫控制和连接控制功能，处理与呼叫和连接的建立、监控及释放等有关的各种信令。用户面和控制面都是分层的，它在各层上提供它们所负责的功能。管理面有面管理和层管理两个功能，面管理没有分层结构。层管理实施与资源以及协议实体内参数有关的管理功能，并处理层中的运行、管理和维护信息流，层管理是分层的。 在删的参考模型
14、中【2 1 ，从下到上分别是：物理层、删层、删适配层( A A L l 和高层。用户面和控制面在A A L 层是分开的，在物理层和A T M 层是采用相同的方式处理信息。图1 1A T M 协议参考模型F i g u r e l 1A r Mp r o t o c o l r e f b r e n c em o d e l 在此模型中，A T M 层提供的基本服务是完成删网上用户和设备间的信息3东北大学硕士学位论文第1 章绪论拥塞出现后，就通过让源节点减慢发送速度即减少网内包的数量的方式来缓解直至消除拥塞为止。其缺点是不能够实现选择性丢弃策略，可能不但不能有效解决拥塞问题，反而会加重随后的拥
15、塞状况。( 2 ) 流量控制的原理及措施流量控制 m M 】是为了协调发送方和接收方对信息的处理能力的个技术。当发送方在一个相对速度较快或负载较轻的机器上运行，而接收方却在一个相对速度较慢或负载较重的机器上运行时，就会出现发送方向接收方发送的信息接收方来不及接收的现象，这样下去，发送方不断发出的信息最终将会“淹没”接收方，造成信息丢失而出错。因此，流量控制实际上就是限制发送方的数据流量，使其发送的速率不要超过接收方的处理速度。在这个过程中，需要通过一定的反馈机制使发送方能够知道接收方是否能收到信息，从而调整自己的进程。传输层的流量控制是在连接建立后，为保证连接的正常工作，需要对连接进行必要的管
16、理。其中流量控制是连接管理的基本内容之一。正如数据链路层对流量控制的方法一样，流量控制主要是控制发送端的速度，这就要求对数据作缓存处理。缓存是实现流量控制的必要措旄。究竟是在发送端缓存还是在接收端缓存，与消息的类型有关。通常对于低速、突发性的消息，如终端产生的信息，由于不知道接收方的状态，最好在发送端缓存。对于高速、平稳的信息，如文件传输，最好在接收端缓存。在传输层，由于报文的大小是不确定的，因此，缓冲区的管理相对网络层而言更困难。( 3 ) 流量控制和拥塞控制的联系和区别与拥塞控制相关的是流量控制。流量控制是对一条通信路径上的流量进行控制，其目的是保证发送者的发送速度不超过接收者的接收速度。流量控制只涉及一个发送者和接收者，是局部控制。拥塞控制是对整个通信子网的流量进行控结i件差蒿裂掣“豪冀嫠争髦凹舁型b 婷i 孓莹鬟沙匿褂引掣鬟。烈彦备量裂x东北大学硕士学位论文第1 幸绪论避免死锁；匹配传输速度。拥塞控制程序可以保证要求传送的分组数不高于网络所能处理的分组数。有两种类型的程序：网络入口j I l 塞控制程序
