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1、2022-8-6史忠植 高级计算机网络1 高级计算机网络高级计算机网络第第七七章章 宽带网络性能分宽带网络性能分析析 史忠植史忠植 中国科学院计算技术研究所中国科学院计算技术研究所 2022-8-6史忠植 高级计算机网络2内容提要内容提要7.1 7.1 概述概述7.2 现代通信中的排队理论现代通信中的排队理论 7.3 现代通信业务的自相似特性现代通信业务的自相似特性 7.4拥塞控制拥塞控制7.5 通信量控制通信量控制 7.6 ABR通信量管理通信量管理 2022-8-6史忠植 高级计算机网络37.1 7.1 概述概述 高速网络设计的关键是对性能参数的进行建模和估计的能高速网络设计的关键是对性能

2、参数的进行建模和估计的能力。设计者需要有能力在观察到的通信量的基础上估计未来的力。设计者需要有能力在观察到的通信量的基础上估计未来的通信量的大小和特性。通信量的统计特性对很多类设计和配置通信量的大小和特性。通信量的统计特性对很多类设计和配置问题都有影响问题都有影响,这些问题包括资源预留协议这些问题包括资源预留协议,在路由器和在路由器和ATMATM交交换机上使用的排队规则和缓存大小。另外换机上使用的排队规则和缓存大小。另外,为了做出明智的资为了做出明智的资源预留决定源预留决定,用户也需要能够对计划的通信量特性进行描述。用户也需要能够对计划的通信量特性进行描述。对描述数据通信量而言由许多参数很重要

3、。对描述数据通信量而言由许多参数很重要。2022-8-6史忠植 高级计算机网络4吞吐量特性吞吐量特性平均速率平均速率:信源提供的平均负载对于确定分配给该信源的总信源提供的平均负载对于确定分配给该信源的总量是十分关键的。平均速率表示信源在较长的时间里量是十分关键的。平均速率表示信源在较长的时间里持续发出的流量。持续发出的流量。2022-8-6史忠植 高级计算机网络5吞吐量特性吞吐量特性峰值速率峰值速率 这个参数告诉网络通信量最大的速率是多少这个参数告诉网络通信量最大的速率是多少,以便以便网络能够通过预留足够的数据传输容量和缓存空间接网络能够通过预留足够的数据传输容量和缓存空间接纳此通信量。纳此通

4、信量。2022-8-6史忠植 高级计算机网络6吞吐量特性吞吐量特性可变性可变性 峰值是可变性的一种度量峰值是可变性的一种度量;一种更直接的度量是吞一种更直接的度量是吞吐量的变化。可变性衡量一个信源的突发性吐量的变化。可变性衡量一个信源的突发性,它是统计它是统计复用被用于提高资源利用效率的程度的一个度量。复用被用于提高资源利用效率的程度的一个度量。2022-8-6史忠植 高级计算机网络7时延特性时延特性传输时延传输时延 这个参数度量的是数据从信源到目的地的过程这个参数度量的是数据从信源到目的地的过程中网络所施加的时延。最大传输时延也常常被中网络所施加的时延。最大传输时延也常常被应用程序作为一项需

5、求提出来。应用程序作为一项需求提出来。2022-8-6史忠植 高级计算机网络8时延特性时延特性时延偏差时延偏差 传输时延的偏差大小是实时应用的一个重传输时延的偏差大小是实时应用的一个重要参数要参数,在实时应用中目的端应该以平滑连续的在实时应用中目的端应该以平滑连续的速率播放收到的数据速率播放收到的数据,该速率与信源产生的速率该速率与信源产生的速率匹配。这些以及相似的参数对于网络配匹配。这些以及相似的参数对于网络配2022-8-6史忠植 高级计算机网络9网络性能分析网络性能分析排队分析提供了一个简单的排队分析提供了一个简单的,容易处理的方法来得到有用的结果容易处理的方法来得到有用的结果,这些结果

6、可以用来知道网络的设计和扩展。几十年来这些结果可以用来知道网络的设计和扩展。几十年来,基于泊基于泊松通信量假设的排队分析一直是网络性能分析人员的应用工具松通信量假设的排队分析一直是网络性能分析人员的应用工具。然而。然而,近些年出现了一个对于大家来讲是惊人的结果近些年出现了一个对于大家来讲是惊人的结果:至少在至少在某些情况下某些情况下,数据通信量实质上不是泊松分布的而是自相似数据通信量实质上不是泊松分布的而是自相似(self-similar)或分形或分形(fractal)的。对于这种通信量的。对于这种通信量,网络的性能不网络的性能不能再用排队分析的清楚的公式来描述能再用排队分析的清楚的公式来描述

7、,网络的时延比预期的更大网络的时延比预期的更大,吞吐量更低。自从最初的发现之后吞吐量更低。自从最初的发现之后,对于许多的通信量类型自对于许多的通信量类型自相似的结果被证实了很多次。相似的结果被证实了很多次。2022-8-6史忠植 高级计算机网络107.2 7.2 现代通信中的排队理论现代通信中的排队理论排队理论也称为随机服务理论，是现代运筹学以及通排队理论也称为随机服务理论，是现代运筹学以及通信网理论的重要基础之一。然而尽管经典的排队论有信网理论的重要基础之一。然而尽管经典的排队论有一些漂亮的数学结果，它还是与现代通信技术所要研一些漂亮的数学结果，它还是与现代通信技术所要研究的排队问题有一定的

8、差距。究的排队问题有一定的差距。2022-8-6史忠植 高级计算机网络11主要的排队分析法主要的排队分析法早期的排队研究，主要针对一类输入为泊松过程，服早期的排队研究，主要针对一类输入为泊松过程，服务时间为负指数分布的排队系统。在这种系统中，由务时间为负指数分布的排队系统。在这种系统中，由于到达和服务的无后效性特点，可用生灭过程于到达和服务的无后效性特点，可用生灭过程(或称生或称生死过程死过程)描述。描述。2022-8-6史忠植 高级计算机网络12扩大状态空间的方法扩大状态空间的方法当输入或服务不再具有无后效性时，直接应用生灭过当输入或服务不再具有无后效性时，直接应用生灭过程理论求解就显得无能

9、为力。这时采用补充变量，用程理论求解就显得无能为力。这时采用补充变量，用扩大状态空间的方法将非马尔柯夫过程的排队化成一扩大状态空间的方法将非马尔柯夫过程的排队化成一个状态空间为多维的马尔柯夫过程求解。这类方法统个状态空间为多维的马尔柯夫过程求解。这类方法统称为扩大状态空间法。处理称为扩大状态空间法。处理M/Er/1/和和Er/M/1/等排等排队系统便可以采用这种方法。我们经常提到的相位法队系统便可以采用这种方法。我们经常提到的相位法属于此类方法。属于此类方法。2022-8-6史忠植 高级计算机网络13半马氏分析法半马氏分析法当一个排队系统的服务过程不是马尔柯夫过程，但到达或服务当一个排队系统的

10、服务过程不是马尔柯夫过程，但到达或服务二者之间有一个具有无后效性时，往往可以采用嵌入马氏链法二者之间有一个具有无后效性时，往往可以采用嵌入马氏链法。当可以用半马氏过程描述排队队长变化过程，或输入过程。当可以用半马氏过程描述排队队长变化过程，或输入过程(或服务时间或服务时间)本身即为一个半马氏过程时，或可嵌入一个半马本身即为一个半马氏过程时，或可嵌入一个半马氏过程时，往往采用半马尔柯夫氏过程时，往往采用半马尔柯夫(Semi-Markov)理论对这类系理论对这类系统进行分析。这种方法称为半马氏分析法。统进行分析。这种方法称为半马氏分析法。2022-8-6史忠植 高级计算机网络14近似逼近法近似逼近

11、法对于更一般的排队系统，如对于更一般的排队系统，如G/G/1G/G/1排队系统，其队长排队系统，其队长变化过程是一般的随机过程。这时，要求出平稳分布变化过程是一般的随机过程。这时，要求出平稳分布极为困难。可采用积分微分方程法近似求解。不等式极为困难。可采用积分微分方程法近似求解。不等式定界法近年来也用于分析一般的排队系统，可将之看定界法近年来也用于分析一般的排队系统，可将之看作近似逼近法的一种。另外的近似逼近法包括系统逼作近似逼近法的一种。另外的近似逼近法包括系统逼近法和过程逼近法。流体流方法就是一种过程逼近法近法和过程逼近法。流体流方法就是一种过程逼近法。2022-8-6史忠植 高级计算机网

12、络15 现代通信中排队的特点现代通信中排队的特点现代通信的发展趋势之一是业务综合。它要求实现多种业务在现代通信的发展趋势之一是业务综合。它要求实现多种业务在同一个网中传输。显然排队系统的输入将是复合业务流，也就同一个网中传输。显然排队系统的输入将是复合业务流，也就是说输入过程将更加复杂，不再具有是说输入过程将更加复杂，不再具有Poisson输入过程的无后效输入过程的无后效性性(马尔柯夫性马尔柯夫性)特点。另外，服务过程和排队策略特点。另外，服务过程和排队策略(规则规则)也变也变得更复杂。即使是现有的通信网络在引入新业务之后也会表现得更复杂。即使是现有的通信网络在引入新业务之后也会表现出这些特点

13、。比如传统的出这些特点。比如传统的PSTN网主要是针对普通电话业务设网主要是针对普通电话业务设计的，在拨号入计的，在拨号入(Internet)网业务大量出现之后，描述呼叫的排网业务大量出现之后，描述呼叫的排队系统发生了深刻的变化，队系统发生了深刻的变化，Erlang公式不再适应。自然依据该公式不再适应。自然依据该公式设计的公式设计的PSTN网出现呼损急剧增大甚至系统崩溃等现象便网出现呼损急剧增大甚至系统崩溃等现象便不足为奇了。下面具体地针对不足为奇了。下面具体地针对ATM这一通信领域最新技术来加这一通信领域最新技术来加以分析。我们需要在三个层次上利用排队理论，分别是呼叫级以分析。我们需要在三个

14、层次上利用排队理论，分别是呼叫级、突发级和信元级。、突发级和信元级。2022-8-6史忠植 高级计算机网络16ATM网网对于呼叫级分析而言，由于对于呼叫级分析而言，由于ATM网中可以同时传输多种业务，网中可以同时传输多种业务，包括面向连接的数据业务、语音业务和视频业务，以及无连接包括面向连接的数据业务、语音业务和视频业务，以及无连接的业务等。业务呼叫的发生的业务等。业务呼叫的发生(即顾客到达即顾客到达)具有相当复杂的特点具有相当复杂的特点，用简单的，用简单的Poisson输入过程或输入过程或Erlang输入过程描述也许是不精输入过程描述也许是不精确的。同时每种业务的持续时间确的。同时每种业务的

15、持续时间(即服务时间即服务时间)也将是比较复杂也将是比较复杂的。突发级排队也具有类似的特点。呼叫级排队分析的目的是的。突发级排队也具有类似的特点。呼叫级排队分析的目的是要了解呼损的大小等参数。突发级排队分析的目的是要了解以要了解呼损的大小等参数。突发级排队分析的目的是要了解以突发级为单位的丢失大小等参数。突发级为单位的丢失大小等参数。2022-8-6史忠植 高级计算机网络17信元级分析信元级分析需要指出，需要指出，ATMATM网中的呼叫接入控制，带宽分配等是网中的呼叫接入控制，带宽分配等是以是否能满足一定的业务要求以是否能满足一定的业务要求(QOS)QOS)为判断标准的，为判断标准的，而而QO

16、SQOS是以信元丢失率、时延等量描述的。因此还需是以信元丢失率、时延等量描述的。因此还需要将以上两个层次上的分析结果，特别是以突发为单要将以上两个层次上的分析结果，特别是以突发为单位的丢失，转化为信元丢失率、时延等量。因此更为位的丢失，转化为信元丢失率、时延等量。因此更为关键的是信元级分析。关键的是信元级分析。2022-8-6史忠植 高级计算机网络18排队策略排队策略 ATMATM排队系统的排队策略排队系统的排队策略(规则规则)比较复杂。首先比较复杂。首先，ATMATM网中存在优先级，包括丢失优先级和时延优先网中存在优先级，包括丢失优先级和时延优先级。这样，信元到达排队系统后就要根据其优先级采

17、级。这样，信元到达排队系统后就要根据其优先级采取相应的排队策略，这是一个多优先级排队问题。其取相应的排队策略，这是一个多优先级排队问题。其次，为了满足多种业务的次，为了满足多种业务的QOSQOS要求，控制策略多种多要求，控制策略多种多样，对应于排队系统便是排队策略的不一致。比如样，对应于排队系统便是排队策略的不一致。比如ABRABR业务的引入使得其排队是一个有反馈的闭环系统业务的引入使得其排队是一个有反馈的闭环系统。另外，根据。另外，根据ATM ATM 论坛论坛关于业务分类的新建议，多队关于业务分类的新建议，多队列排队将是列排队将是ATMATM排队系统的另一特点。排队系统的另一特点。2022-

18、8-6史忠植 高级计算机网络19业务建模业务建模 业务模型业务模型 On-Off模型模型 MMPP模型模型 MMDP模型模型排队系统模型排队系统模型B/D/1/K(这里这里B表示表示On-Off输入输入)MMPP/D/1/KMMDP/D/1/K2022-8-6史忠植 高级计算机网络20现代通信研究中常用的排队现代通信研究中常用的排队分析方法分析方法不等式定界逼近方法不等式定界逼近方法扩大状态空间法扩大状态空间法半马氏分析法半马氏分析法流体流方法流体流方法2022-8-6史忠植 高级计算机网络21分组语音通信分组语音通信半马尔柯夫过程模型及连续时间马尔柯夫链模型。在前一个模半马尔柯夫过程模型及连

19、续时间马尔柯夫链模型。在前一个模型中，首先利用扩大状态空间法将状态定义为一个二维变量，型中，首先利用扩大状态空间法将状态定义为一个二维变量，包括信源状态和排队队长。由于采用了多个包括信源状态和排队队长。由于采用了多个On-Off语音模型的语音模型的复合信源作为排队输入，可以用一个马尔柯夫链复合信源作为排队输入，可以用一个马尔柯夫链(在这里更特在这里更特殊地它是一个生死链殊地它是一个生死链)描述，在每一个信源状态下语音分组按描述，在每一个信源状态下语音分组按一个与状态有关的速率均匀发出。在该文限定的条件下排队状一个与状态有关的速率均匀发出。在该文限定的条件下排队状态态(二维二维)服从一个半马尔柯

20、夫过程。我们可以认为这前一个排服从一个半马尔柯夫过程。我们可以认为这前一个排队模型所采用的分析方法是扩大状态空间法与半马氏分析法的队模型所采用的分析方法是扩大状态空间法与半马氏分析法的结合。结合。2022-8-6史忠植 高级计算机网络22分组语音通信分组语音通信后一个模型中，也利用扩大状态空间法将状态定义为一个二维后一个模型中，也利用扩大状态空间法将状态定义为一个二维变量，包括信源状态和排队队长。不过它的排队输入是多个两变量，包括信源状态和排队队长。不过它的排队输入是多个两状态状态MMPP模型的复合信源模型的复合信源(即多状态即多状态MMPP)，在每一个信源在每一个信源状态下语音分组的发出服从

21、状态下语音分组的发出服从Poisson过程。于是整个排队状态过程。于是整个排队状态(二维二维)服从一个连续时间马尔柯夫过程。显然这个排队模型所服从一个连续时间马尔柯夫过程。显然这个排队模型所采用的分析方法是扩大状态空间法。采用的分析方法是扩大状态空间法。2022-8-6史忠植 高级计算机网络23流体流方法流体流方法流体流方法流体流方法(Fluid Flow Method)Fluid Flow Method)是一种排队近似分析法。它是一种排队近似分析法。它忽略到达过程及排队队长的离散性质，将到达及队长变化看成忽略到达过程及排队队长的离散性质，将到达及队长变化看成连续变化，属于前面介绍的系统逼近法

22、。由于它计算简单、物连续变化，属于前面介绍的系统逼近法。由于它计算简单、物理意义明确，在文献理意义明确，在文献AnickAnick 82 82将之引入通信领域之后很快将之引入通信领域之后很快得到广泛运用。例如，文献得到广泛运用。例如，文献Daigle 86Daigle 86分析了它在分组语分析了它在分组语音通信中的应用。文献音通信中的应用。文献Yin 90Yin 90利用它研究语音通信利用它研究语音通信(多多On-On-OffOff复合输入复合输入)中的拥塞控制；文献中的拥塞控制；文献StamoulisStamoulis 94 94将之用于将之用于视频业务视频业务(生死链模型生死链模型)的排队

23、分析；文献的排队分析；文献Yin 91Yin 91用它分析用它分析了了On-OffOn-Off数据业务输入的漏桶监管策略；文献蒋志刚数据业务输入的漏桶监管策略；文献蒋志刚9595用用它分析了突发业务它分析了突发业务(多多On-OffOn-Off复合的生死链模型复合的生死链模型)输入的漏桶监输入的漏桶监管策略。管策略。2022-8-6史忠植 高级计算机网络24流体流方法流体流方法流体流方法的计算复杂度与排队容量大小流体流方法的计算复杂度与排队容量大小无关，这是一个优良性质。在信元缓冲区无关，这是一个优良性质。在信元缓冲区有增大趋势的今天，这是非常有利的。它有增大趋势的今天，这是非常有利的。它在计

24、算中的稍微困难之处在于特征值及特在计算中的稍微困难之处在于特征值及特征向量的求取。同时，在大维数情况下，征向量的求取。同时，在大维数情况下，稳定的数值解较难获得。稳定的数值解较难获得。2022-8-6史忠植 高级计算机网络25流体流方法流体流方法其中一方面是对输入信源适用范围的拓展，采用马尔柯夫调制其中一方面是对输入信源适用范围的拓展，采用马尔柯夫调制的确定速率过程的确定速率过程(MMDP)MMDP)，指出流体流方法可用于所有指出流体流方法可用于所有MMDPMMDP信源信源的排队分析。的排队分析。On-OffOn-Off模型、生死链调制速率过程只是其中特例模型、生死链调制速率过程只是其中特例。

25、另一方面发展了一套分析。另一方面发展了一套分析ATMATM网部分缓冲共享网部分缓冲共享(Partial Partial Buffer Sharing,PBS)Buffer Sharing,PBS)流量控制策略的流体流法，它可用于对流量控制策略的流体流法，它可用于对基于缓冲门限的流量控制策略的分析。采用这种方法分析具有基于缓冲门限的流量控制策略的分析。采用这种方法分析具有优先级管理的漏桶监管器的性能。优先级管理的漏桶监管器的性能。2022-8-6史忠植 高级计算机网络26大偏差理论大偏差理论是一种近似分析方法，可以归结为不等式定界逼近方法一类。是一种近似分析方法，可以归结为不等式定界逼近方法一类

26、。这种方法往往只能求出信元丢失率的近似值，而且在分析过程这种方法往往只能求出信元丢失率的近似值，而且在分析过程中涉及到求解超越方程。然而需要着重指出，这种方法可以没中涉及到求解超越方程。然而需要着重指出，这种方法可以没有有 M a r k o vM a r k o v 假 设，对 于 业 务 长 时 相 关 性假 设，对 于 业 务 长 时 相 关 性(l o n g r a n g e l o n g r a n g e dependence,LRD)dependence,LRD)的研究或许有特别的意义。的研究或许有特别的意义。2022-8-6史忠植 高级计算机网络277.3 7.3 现代通

27、信业务的现代通信业务的自相似特性自相似特性高速网络业务具有自相似性自相似性反映了业务在所有（或高速网络业务具有自相似性自相似性反映了业务在所有（或至少一个较大范围）时间标度上的统计相似性，突出表现为突至少一个较大范围）时间标度上的统计相似性，突出表现为突发（）没有明确的长度，我们不可能将它们平滑掉发（）没有明确的长度，我们不可能将它们平滑掉从传统模型得到的结论是：当业务源数目增加时，突发性会从传统模型得到的结论是：当业务源数目增加时，突发性会被吸收，聚集业务将变得越来越平滑；而对于自相似模型，其被吸收，聚集业务将变得越来越平滑；而对于自相似模型，其聚集业务的突发性将更突出而不是减少近年来的研究

28、结果表聚集业务的突发性将更突出而不是减少近年来的研究结果表明，自相似性对网络性能产生一些意想不到的影响，它直接影明，自相似性对网络性能产生一些意想不到的影响，它直接影响到网络的设计、控制、分析和管理目前，国外围绕这一新响到网络的设计、控制、分析和管理目前，国外围绕这一新课题的研究工作刚刚开始，取得了一些成果，大量的问题有待课题的研究工作刚刚开始，取得了一些成果，大量的问题有待解决主要的困难在于传统排队论基本上是在短相关的假定下解决主要的困难在于传统排队论基本上是在短相关的假定下研究队列性能，目前还没有一套完整的技术能解决长相关下队研究队列性能，目前还没有一套完整的技术能解决长相关下队列性能的分

29、析问题列性能的分析问题2022-8-6史忠植 高级计算机网络28自相似的定义自相似的定义对于广义平稳随机变量序列对于广义平稳随机变量序列X(X1，X2，)，设其均值为设其均值为EXt，自相关函数为自相关函数为r(k)=E(Xi-)(Xi+k)/E(Xi-)2 2022-8-6史忠植 高级计算机网络29自相似的定义自相似的定义我们定义我们定义Xmt为：为：Xmt=(1/m)*(X(t-l)(m-l)+Xtm)对于广义平稳随机变量序列对于广义平稳随机变量序列Xm(Xm1，Xm2，)，rm(k)为过程为过程Xm的自相关函数。如果的自相关函数。如果r(k)满足满足,则称随机变量序列则称随机变量序列X为

30、长相关为长相关(自相似自相似)的。如果的。如果VAR(X1+X2+Xn)的增长速度为的增长速度为n2H，则参数则参数H称为随机变量序列称为随机变量序列X的的Hurst参数参数(H1-/2)。自相似随机变量序列可以分为严自相似随机变量序列可以分为严格自相似序列和渐近自相似序列。格自相似序列和渐近自相似序列。2022-8-6史忠植 高级计算机网络30自相似的定义自相似的定义如果对所有如果对所有k，满足满足 r(k)1/2(k+1)2H-2k2H+(k-1)2H (7.3)则随机变量序列则随机变量序列X称为具有称为具有Hurst参数参数H的严格的严格自相似序列。自相似序列。2022-8-6史忠植 高

31、级计算机网络31自相似的定义自相似的定义 则过程则过程X称为渐近自相似序列。称为渐近自相似序列。)1(2)1()(lim222hhhmkkkrkr21ckkrk)(lim如果对所有如果对所有k，满足满足2022-8-6史忠植 高级计算机网络32自相似的业务建模自相似的业务建模通过生成具有自相似性的业务进行仿真研究，是目前一种有效的研究方法通过生成具有自相似性的业务进行仿真研究，是目前一种有效的研究方法生成自相似业务的方法，主要有以下几种：生成自相似业务的方法，主要有以下几种：（）（）考察队列系统考察队列系统/，队列的到达过程为泊松过程，服务时间服，队列的到达过程为泊松过程，服务时间服从方差无穷

32、的重尾分布记从方差无穷的重尾分布记Xt为时刻牠系统中的顾客数，则为时刻牠系统中的顾客数，则Xt是渐进是渐进自相似过程该方法需要在计算量和计算精度之间进行折衷处理自相似过程该方法需要在计算量和计算精度之间进行折衷处理（）（）随机中点置换方法是产生自相似过程的另一种方法它通随机中点置换方法是产生自相似过程的另一种方法它通过不断分割间隔来产生样本值每次分割时，利用一个高斯置换来确定子过不断分割间隔来产生样本值每次分割时，利用一个高斯置换来确定子间隔中点的样本值通过高斯置换方差的标度变化，可以产生自相似性间隔中点的样本值通过高斯置换方差的标度变化，可以产生自相似性这种方法的优点是计算速度快，在上生成这

33、种方法的优点是计算速度快，在上生成个样本只需几分钟的时间，而缺点是只能产生渐进自相似过个样本只需几分钟的时间，而缺点是只能产生渐进自相似过程程 (3)等利用模型产生渐进自相似过程，等利用模型产生渐进自相似过程，他们没有分析所生成样本的精度，但指出，产生他们没有分析所生成样本的精度，但指出，产生N个样本点的时间复杂度个样本点的时间复杂度为为O（n），），因此运算速度相对较慢限于篇幅其他方法不能在此一一列因此运算速度相对较慢限于篇幅其他方法不能在此一一列举举2022-8-6史忠植 高级计算机网络337.4拥塞控制拥塞控制已经开发出来的用于控制分组交换网和帧中继拥塞的已经开发出来的用于控制分组交换网

34、和帧中继拥塞的方法不适合于方法不适合于ATM网络，因为如下一些因素：网络，因为如下一些因素：1.很多通信量不接受拥塞控制。例如，话音和视很多通信量不接受拥塞控制。例如，话音和视频通信量甚至在网络发生拥塞时也不能停止发送信元频通信量甚至在网络发生拥塞时也不能停止发送信元。2.由于信元的发送时间大大小于通过网络的传播由于信元的发送时间大大小于通过网络的传播时延，因此反馈就很慢。时延，因此反馈就很慢。3.ATM网络通常可支持很大范围的应用，其所需网络通常可支持很大范围的应用，其所需带宽从几带宽从几kbps到几百到几百mbps，相对简单的拥塞控制方相对简单的拥塞控制方法只能适用于其中的一种。法只能适用

35、于其中的一种。4.2022-8-6史忠植 高级计算机网络347.4拥塞控制拥塞控制4.在在ATM网络上的各种应用可以产生非常不同的网络上的各种应用可以产生非常不同的通信量模式（例如，恒定比特率和可变比特率的信源通信量模式（例如，恒定比特率和可变比特率的信源）。另外，常规的拥塞控制技术难于公平的处理这样）。另外，常规的拥塞控制技术难于公平的处理这样多的种类。多的种类。5.ATM网络上的不同应用需要有不同的网络服务网络上的不同应用需要有不同的网络服务（例如，对话音和视频的时延敏感服务，以及对数据（例如，对话音和视频的时延敏感服务，以及对数据的丢失敏感服务）。的丢失敏感服务）。6.非常高速的交换和传

36、输使得非常高速的交换和传输使得ATM网络随着拥塞控制网络随着拥塞控制和通信量控制的方式不同而有很大的变化。若一种方和通信量控制的方式不同而有很大的变化。若一种方法主要依赖于对情况的变化作出反应，那么这将产生法主要依赖于对情况的变化作出反应，那么这将产生选路策略和流量控制的极大的和不必要的波动。选路策略和流量控制的极大的和不必要的波动。2022-8-6史忠植 高级计算机网络35高速率的信元插入高速率的信元插入考虑在一个网络中以考虑在一个网络中以150Mbps的数据率传送的数据率传送ATM信元。在此速信元。在此速率下，每隔（率下，每隔（538bit）/(15010bps)=310秒向网络发送一秒向

37、网络发送一个信元。从源用户到目的用户传送此信元所需的时间取决于中个信元。从源用户到目的用户传送此信元所需的时间取决于中间的间的ATM交换机的个数、在每个交换机的交换时间、以及从源交换机的个数、在每个交换机的交换时间、以及从源站到目的站的通路中所有链路上的传播时间。为简单起见，忽站到目的站的通路中所有链路上的传播时间。为简单起见，忽略略ATM的交换时延，并假定信号以光速传输。这样，如果源站的交换时延，并假定信号以光速传输。这样，如果源站和目的站横跨美国的东西海岸，则此往返传播时延约为和目的站横跨美国的东西海岸，则此往返传播时延约为3010秒。在这种情况下，假定丛源站秒。在这种情况下，假定丛源站A

38、到目的站到目的站B传送一个长文件传送一个长文件，并使用了隐式拥塞控制（即没有显式拥塞通知；源站根据有，并使用了隐式拥塞控制（即没有显式拥塞通知；源站根据有数据丢失就推论出发生了拥塞）。如果网络由于拥塞丢弃了信数据丢失就推论出发生了拥塞）。如果网络由于拥塞丢弃了信元，元，B就返回一个拒绝报文给就返回一个拒绝报文给A，A又重传丢弃的信元，和所有又重传丢弃的信元，和所有可能的后继信元。在网络拥塞通知返回到可能的后继信元。在网络拥塞通知返回到A以前，以前，A有可能已有可能已经发送了另外的经发送了另外的N个信元，而在个信元，而在A可能对拥塞作出反应之前已可能对拥塞作出反应之前已经有超过经有超过4Mb的数

39、据发送出去了：的数据发送出去了：2022-8-6史忠植 高级计算机网络36高速率的信元插入高速率的信元插入bitN64631024.410/10301030信元信元秒秒2022-8-6史忠植 高级计算机网络37信元时延偏差信元时延偏差 D(0)V(0)D(1)V(1)D(2)V(2)D(3)D(4)丢弃 时间 信元插入时间 V(4)连续的信元 图 7.2 CBR 信元的时间重装 2022-8-6史忠植 高级计算机网络38信元时延偏差信元时延偏差 0011VtVt 0101ttVV ititViV00 11ititiViV2022-8-6史忠植 高级计算机网络39UNIUNI上的信元时延偏差上的

40、信元时延偏差 H H H H H H H H H H H H H H H H H H 时间（连接 A,X Mbps）ATM 层 AAL （连接 B,Y Mbps）物理层 SAP ATM 层 SAP 物理层 物理层开销 OAM F4 OAM F5 图 7.3 信元时延偏差的产生原因 2022-8-6史忠植 高级计算机网络40ATMATM层通信量和拥塞控制的目标层通信量和拥塞控制的目标 l l ATMATM层通信量和拥塞控制必须能够支持一组层通信量和拥塞控制必须能够支持一组ATMATM层的各种层的各种QoSQoS类，它们能够满足所有可预计的网络类，它们能够满足所有可预计的网络服务。服务。l l A

41、TMATM层通信量和拥塞控制必须不依赖于特定网层通信量和拥塞控制必须不依赖于特定网络服务的络服务的AALAAL协议，也必须不依赖于特定应用的高层协议，也必须不依赖于特定应用的高层协议。协议。ATMATM层以上的各层协议可以利用层以上的各层协议可以利用ATMATM层所提供的层所提供的信息，以改变它们从网络得到的设施（信息，以改变它们从网络得到的设施（utilityutility）。）。l l ATMATM层通信量和拥塞控制的最佳设计必须使网层通信量和拥塞控制的最佳设计必须使网络和端系统的复杂性最小，同时使网络的利用率最大络和端系统的复杂性最小，同时使网络的利用率最大。2022-8-6史忠植 高级

42、计算机网络414 4级时间间隔级时间间隔 l l 信元插入时间：这一级的功能在信元发信元插入时间：这一级的功能在信元发送时就立刻作用到信元上。送时就立刻作用到信元上。l l l l往返传播时间：网络在信元在网络中的生存往返传播时间：网络在信元在网络中的生存时间内作出反应，同时提供反馈指示给信源。时间内作出反应，同时提供反馈指示给信源。l l l l连接持续时间：网络要决定是否能够接受一连接持续时间：网络要决定是否能够接受一个给定个给定QoSQoS的新的连接，以及要同意那些性能等级。的新的连接，以及要同意那些性能等级。l l长期：这些是控制影响一个以上的长期：这些是控制影响一个以上的ATMATM

43、连接，连接，并且是建立为长期使用的。并且是建立为长期使用的。2022-8-6史忠植 高级计算机网络42相应时间的关系相应时间的关系响应时间响应时间 通信量控制功能通信量控制功能 拥塞控制功能拥塞控制功能 长期长期 使用虚通道进行资源管理 连接持续时间连接持续时间 连接准许控制CAC 往返传播时间往返传播时间 快速资源管理 显式前向拥塞指示 EFCI ABR 流量控制 信元插入时间信元插入时间 使用参数控制 UPC 优先级控制 通信量整形 有选择地丢弃信元 帧丢弃 2022-8-6史忠植 高级计算机网络43通信量控制策略的基本要点通信量控制策略的基本要点 1.1.确定是否可以接受一个给定的新确定

44、是否可以接受一个给定的新的的ATMATM连接连接 2.2.同意向用户支持一些性能参数同意向用户支持一些性能参数 2022-8-6史忠植 高级计算机网络44通信量控制功能通信量控制功能l l 使用虚通道进行资源管理使用虚通道进行资源管理l l 连接准许控制（连接准许控制（CAC）l l 使用参数控制（使用参数控制（UPC）l l 有选择的丢弃信元有选择的丢弃信元l l 通信量整形通信量整形 2022-8-6史忠植 高级计算机网络45使用虚通道进行资源管理使用虚通道进行资源管理一个虚通道一个虚通道VPC提供了一种很方便的手段将一些相似的虚通路提供了一种很方便的手段将一些相似的虚通路VCC构成组。网

45、络给虚通道提供聚集的容量和性能特性，而这构成组。网络给虚通道提供聚集的容量和性能特性，而这些可以为许多虚通路共享。网络资源管理主要考虑的些可以为许多虚通路共享。网络资源管理主要考虑的QoS参数参数是：信元丢失率、最大信元传送时延、峰值信元时延偏差，它是：信元丢失率、最大信元传送时延、峰值信元时延偏差，它们都受网络分配给们都受网络分配给VPC的资源数量的影响。如果一个的资源数量的影响。如果一个VCC延伸延伸经过几个经过几个VPC，则则VCC的性能就取决于这几个连续的的性能就取决于这几个连续的VPC的性的性能，以及取决于在实现能，以及取决于在实现VCC相关功能的任何一个接点上这些连相关功能的任何一

46、个接点上这些连接是怎样被处理的。这些接点可以是一个交换机、集中器或其接是怎样被处理的。这些接点可以是一个交换机、集中器或其他的网络设备。每一条他的网络设备。每一条VPC的性能取决于该的性能取决于该VPC的容量，以及的容量，以及该该VPC中所包含的中所包含的VCC的通信量特性。每一个的通信量特性。每一个VCC相关功能相关功能的性能取决于结点的交换的性能取决于结点的交换/处理速率，以及不同信元在处理时的处理速率，以及不同信元在处理时的优先级。优先级。2022-8-6史忠植 高级计算机网络46连接准许控制连接准许控制连接准许控制（连接准许控制（connection admission control

47、）是网络保护自己免是网络保护自己免受过分负荷的第一道防线。当一个用户请求一条新的受过分负荷的第一道防线。当一个用户请求一条新的VPC或或VCC时时，用户就必须（显式的或隐式的）指明在该连接的每个方向所需的，用户就必须（显式的或隐式的）指明在该连接的每个方向所需的服务。请求包括以下一些内容：服务。请求包括以下一些内容：l l 服务种类（服务种类（CBR，rtVBR，nrtVBR，ABR，UBR）l l 通信量描述符，包括：通信量描述符，包括：源通信量描述符（源通信量描述符（PCR，SCR，MBS，MCR）CDVT请求的一致性定义请求的一致性定义l l 每一个每一个QoS参数的请求值和接受值（峰值

48、参数的请求值和接受值（峰值CDV，maxCTD，CLR）2022-8-6史忠植 高级计算机网络47使用参数控制（UPC）一旦连接准许控制（一旦连接准许控制（CAC）接受了一个连接，网络的使接受了一个连接，网络的使用参数控制用参数控制UPC（Usage Parameter Control）功能就监视功能就监视此连接，以决定通信量是否与通信量合约相一致。使用参此连接，以决定通信量是否与通信量合约相一致。使用参数控制数控制UPC的主要目的就是保护网络的资源，通过检测是的主要目的就是保护网络的资源，通过检测是否违背了已指派的参数并采取适当的措施，可使得一条连否违背了已指派的参数并采取适当的措施，可使得

49、一条连接上的过载不致使另一条连接的接上的过载不致使另一条连接的QoS恶化。恶化。2022-8-6史忠植 高级计算机网络48通信量合约参数值 显式指明的参数显式指明的参数 隐式指明的参数隐式指明的参数 在 连 接 建 立时 设 置 参 数值 在 预 定 时 指明参数值 使用默认规则设置参数值 由用户/NMS请求 由网络操作员指派 SVC 信令 预定 网络操作员默认规则 PVC NMS 预定 网络操作员默认规则 2022-8-6史忠植 高级计算机网络49虚拟调度算法虚拟调度算法 信元 k 在时间 kta到达 是 是 否 否)(ktTATa?)(ktTATa ITATTAT 与合约一致的信元 与合约

50、不一致的信元?)(LktTATa I=增量L=极限一个信元的到达时间)(kta TAT=理论到达时间 此连接的第一个信元到达时间)1(,aatTATt 2022-8-6史忠植 高级计算机网络50连续状态漏桶算法连续状态漏桶算法 信元 k 在时间 kta到达 与合约不一致的信元 LCTktXXa?0X?LX 与合约一致的信元ktLCTIXXa 是 是 否 否 否 否 0X I=增量L=极限一个信元的到达时间)(kta X=漏桶计数器的值 X=辅助变量 LCT=上一次遵守合约的时间 2022-8-6史忠植 高级计算机网络51峰值信元速率算法峰值信元速率算法 l l 峰值信元速率的控制和相关的峰值信