什么是ATM流量控制和擁塞控制

流量控制是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的一個(gè)重要課題，此處以ATM網(wǎng)絡(luò)為例對(duì)流量控制的各個(gè)問題進(jìn)行說明。ATM網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)Σ煌瑯I(yè)務(wù)提供服務(wù)質(zhì)量的保證，在分析ATM網(wǎng)絡(luò)所支持業(yè)務(wù)的特點(diǎn)及其相應(yīng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，ATM網(wǎng)絡(luò)除了可為信息提供高速率、高帶寬的轉(zhuǎn)移功能外，更為重要的是能靈活地支持現(xiàn)有的和將來可能出現(xiàn)的各種業(yè)務(wù)，并對(duì)各種業(yè)務(wù)提供服務(wù)質(zhì)量保證，使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到很高的資源利用率，要達(dá)到這些目的需要對(duì)不同業(yè)務(wù)運(yùn)用不同的流量控制和擁塞控制機(jī)制。概括地說流量控制就是為了避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的出現(xiàn)而采取的一系列操作( ATM層的擁塞是指網(wǎng)絡(luò)不能達(dá)到連接建立時(shí)所簽訂的流量合同)；擁塞控制是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，為避免網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步惡化和緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞而采取的一系列操作。流量控制和擁塞控制都是為了提高網(wǎng)絡(luò)性能，保證業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量，通常統(tǒng)一稱之為流量控制。

1、流量控制的作用

根據(jù) ITU—T I．371的建議，流量控制的作用主要是：

. 保護(hù)網(wǎng)絡(luò)和用戶的預(yù)先約定的性能(服務(wù)質(zhì)量即 Q0S)，如信元丟失率、信元傳輸時(shí)延等參數(shù)，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的出現(xiàn)。

. 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的使用，提高網(wǎng)絡(luò)的利用率。

2、流量控制的實(shí)現(xiàn)途徑

根據(jù) UNI和 NNI接口 ATM信元頭格式的不同(見圖 l)，信元頭中有一些字段可用于流量控制目的： GFC(一般流量控制)字段、 PTI(信元凈荷類型)、 CIP(信元丟失優(yōu)先級(jí))。

圖1 UNI和NNI接口ATM信元頭格式

其中， PTI共3bits，含義如下?:最高位為0表示本信元為數(shù)據(jù)信元，為 l表示0AM信元；對(duì)于數(shù)據(jù)信元，第2 bit用于前向擁塞指示( EFCI)，最低位用于 AAL5，可用作確定信元的邊界；對(duì)于0AM 信，第 l、2 bit分別用于表示 F5 0AM及RM信元。因此可以利用上述字段及信令信元、RM信元、0AN信元來作為流量控制的信息載體。

3、業(yè)務(wù)特性、Q0S及流量合同

ATM網(wǎng)絡(luò)能對(duì)不同的業(yè)務(wù)進(jìn)行接入，流量控制是針對(duì)不同的業(yè)務(wù)和業(yè)務(wù)質(zhì)量來進(jìn)行的，因此業(yè)務(wù)類型和不同的業(yè)務(wù)質(zhì)量是流量控制制定的基礎(chǔ)。 ATM Forum對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行了分類，分為 CBR、 rt—VBR、nrt—VBR、ABR、 UBR。可見業(yè)務(wù)分類主要以速率為基礎(chǔ)，但僅以速率來表征業(yè)務(wù)是不夠的，因此又制定了以下參數(shù)來衡量接入的業(yè)務(wù)質(zhì)量：

3．1 業(yè)務(wù)特性

表示業(yè)務(wù)本身流量特性的有峰值信元速率( PCR)、可維持信元速率( SCR)、最小信元速率( MCR)、最大突發(fā)長度( MBS);表示業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)間特性要求的有信元時(shí)延抖動(dòng)允許容限( CDVT)。

3．2 Q0S

QOS是指網(wǎng)絡(luò)對(duì)業(yè)務(wù)所能提供的質(zhì)量保證，即這些業(yè)務(wù)的 ATM層 Q0S，有峰峰信元時(shí)延抖動(dòng) peak—to—peak CDV、最大信元傳送時(shí)延 MaxCTV、信元丟失率 CLR、信元錯(cuò)誤率 CER、嚴(yán)重出錯(cuò)的信元塊比率 SECBR、信元誤插入率 CMR。其中前三個(gè)是最基本和最重要的參數(shù)。

CBR業(yè)務(wù)速率恒定，用 PCR即可以表征，要求網(wǎng)絡(luò)根據(jù)該參數(shù)預(yù)留帶寬。 CBR還是時(shí)延敏感業(yè)務(wù)，對(duì) CTD、 CDV的指標(biāo)要求嚴(yán)格，同時(shí)也要求較低的 CLR。 VBR業(yè)務(wù)屬于突發(fā)性業(yè)務(wù)，對(duì)用 PCR、 SCR、MBS表征， rt—VBR為時(shí)延敏感性業(yè)務(wù)，而 nrt—VBR則無時(shí)延方面的要求。 UBR業(yè)務(wù)的 Q0S級(jí)別最低，信息源與 ATM網(wǎng)絡(luò)間只需約定 PCR，其它方面均無保證。ABR業(yè)務(wù)只保證最低信元速率，對(duì)于以 MCR傳輸?shù)男畔ⅲ?ATM網(wǎng)絡(luò)保證其傳輸?shù)目煽啃? CLR)。業(yè)務(wù)分類與業(yè)務(wù)特性間的關(guān)系見表l。

• ：僅用作CAC、UPC

• ：對(duì)ABR業(yè)務(wù)，采用反饋流量控制來調(diào)整信元輸入速率后其CLR可忽略

3．3 流量合同( Traffic；contract)

ATM終端用戶通過信令建立連接時(shí)，提交網(wǎng)絡(luò)以流量合同，若能滿足則建立連接，此后 ATM的流量控制都是根據(jù)用戶和網(wǎng)絡(luò)簽訂的流量合同來進(jìn)行(見圖2)。流量合同由 Q0S參數(shù)、流量參數(shù)和一致性定義組成。一致性定義是指依據(jù)何種算法來判斷業(yè)務(wù)流量違反所簽訂的流量合同。ITU— T I．371建議定義了兩個(gè)通用信元速率算法( GCRA)： VS(虛調(diào)度)算法和 LA算法(漏桶算法一 Leak Bucket A1gorithm)，其中漏桶算法應(yīng)用得最多也最為成熟，目前已經(jīng)有實(shí)現(xiàn)漏桶算法的專用 ATM芯片。連續(xù)狀態(tài)漏桶算法是一個(gè)有限容量的漏桶算法，漏桶以每單位時(shí)間一個(gè)容量單位的連續(xù)向外滲漏，同時(shí)，每當(dāng)一個(gè)非違約信元到達(dá)時(shí)其容量增加 T，當(dāng)有一個(gè)信元到達(dá)時(shí)，若漏桶里的信元數(shù)小于 r時(shí)，則該信元未違約，否則認(rèn)為信元違約，漏桶的最大容量是 T十 r。在網(wǎng)絡(luò)人口處可設(shè)置1個(gè)或多個(gè)漏桶，帶有 CLP標(biāo)記的信元到達(dá)時(shí)，可以作以下處理：設(shè)置標(biāo)記(即 CLP位由0改為 l)，丟棄或傳到下一個(gè)漏桶。 CLP＝ 1的信元直接傳至下一漏桶，只有 CLP＝0的信元才作一致性檢查。如圖3所示，信元提交至網(wǎng)絡(luò)入口時(shí)，如果超過了流量合同中規(guī)定的 PCR或 CDVT值，則信元被丟棄或 CLP位置標(biāo)記， CLP＝0的信元被傳送至下一漏桶并作 SCR和 UBS檢查，這些信元可能被置標(biāo)記并送人網(wǎng)絡(luò)中。

圖2 ATM流量控制

圖3 連續(xù)狀態(tài)漏桶算法

4、流量控制的一般方法

ITU—T1．371定義了以下功能模塊來實(shí)現(xiàn)流量控制： CAC、 UPC( Usage Parameter Controll )、網(wǎng)絡(luò)資源管理、優(yōu)先權(quán)控制、流量整形、擁塞控制、 ABR業(yè)務(wù)的流量控制等。實(shí)際應(yīng)用時(shí)常常根據(jù)需要選擇其中幾項(xiàng)同時(shí)運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)流量控制。

4．1 連接接納控制( CAC)攢塊

CAC是一種基本的也是重要的流量控制方法，是 ATM交換機(jī)在呼叫建立階段為決定是否建立 VCC 或 VPC而采取的一系列措施。 CAC最基本的功能是對(duì)一己知呼叫連接請(qǐng)求，按照其業(yè)務(wù)質(zhì)量，根據(jù)整個(gè)網(wǎng)路資源是否能滿足現(xiàn)有以建立呼叫的業(yè)務(wù)質(zhì)量來決定對(duì)此呼叫連接請(qǐng)求是否予以接受， CAC作出決定時(shí)需要對(duì)QOS類型、信元時(shí)延變化容限等進(jìn)行用戶和網(wǎng)路之間的協(xié)商(簽訂流量合同)。

4．2 UPC／NPC模塊

UPC(使用參數(shù)控制)／NPC(網(wǎng)絡(luò)參數(shù)控制)定義為網(wǎng)絡(luò)分別在用戶／網(wǎng)絡(luò)接口和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口上執(zhí)行的一系列操作，按照已提供的流量合同和 ATM連接的靈活性，為監(jiān)視和控制流量而采取的一系列操作。若沒有 UPC／NPC功能，則當(dāng)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備發(fā)生故障或由于用戶的誤操作等都會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)其它業(yè)務(wù)的QOS，并可能使網(wǎng)絡(luò)擁塞。因此其主要目的是保護(hù)網(wǎng)路資源避免受誤操作、不影響已建立的各連接的業(yè)務(wù)質(zhì)量。

4．3 資源管理模塊

網(wǎng)絡(luò)資源管理模塊用來分配和管理 VPI／VCI資源，以便按照業(yè)務(wù)特性，區(qū)分各業(yè)務(wù)流量。網(wǎng)絡(luò)資源管理中，對(duì)虛通道和虛通路的管理有具體要求。

4．4 選擇信元丟棄

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)需要同時(shí)滿足高、低優(yōu)先級(jí)流量的性能指標(biāo)時(shí)，則網(wǎng)絡(luò)有選擇地丟棄一些低優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)信元，或?qū)π旁蛏?a target="_blank">標(biāo)簽( tag)，設(shè)置其 CLP＝l。

4．5 Traffic shaping(流量整形)

Traffic shaping是一種改變 VCC或 VPC上的信元流的業(yè)務(wù)特性以使網(wǎng)絡(luò)利用率提高的機(jī)制，本機(jī)制可以將業(yè)務(wù)流特性加以修正，但它必需同時(shí)保證 ATM連接的序列完整性。業(yè)務(wù)流整形可以通過降低峰值速率、限制突發(fā)業(yè)務(wù)流的長度、及時(shí)調(diào)整信元間隔以降低信元時(shí)延變化、業(yè)務(wù)排隊(duì)機(jī)制等幾個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)。 Traffic shaping可在網(wǎng)絡(luò)中任何地方實(shí)現(xiàn)，例如在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)出口處，通過消除累積突發(fā)信元和信元時(shí)延抖動(dòng)，能使 ATM終端用戶獲得更好的Q0S。

4．6 擁塞控制

網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)可以進(jìn)行以下幾個(gè)方面的處理：

. 已擁塞的網(wǎng)絡(luò)成分可以將 CLP＝ 1的信元丟棄，對(duì)于 CLP＝0的信元可以將其 CIP置為 1以降低其優(yōu)先級(jí)。

直接前向擁塞指示( EFCI)是用于協(xié)助網(wǎng)絡(luò)避免擁塞狀態(tài)或從擁塞狀態(tài)恢復(fù)的擁塞證實(shí)機(jī)制指示。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)認(rèn)為發(fā)生擁塞或?qū)l(fā)生擁塞時(shí)，可在發(fā)往終端的 ATM信元頭中設(shè)置 EFCI ( PTI中)，終端檢測(cè)到 EFCI后就知道前方網(wǎng)絡(luò)的擁擠情況，從而可適當(dāng)降低自身流量。用戶設(shè)備使用本機(jī)制是可選的，因此網(wǎng)路不能希望通過本機(jī)制來控制擁塞。處于擁塞狀態(tài)的網(wǎng)路成分將在信元頭中設(shè)置一個(gè)直接的擁塞指示，以便用戶設(shè)備檢查本指示；當(dāng)網(wǎng)路成分未處于擁塞狀態(tài)時(shí)，則對(duì)本指示不進(jìn)行修改。

. 對(duì) UPC／NPC失敗的處理：引入管理平面的特定進(jìn)程來處理。

. 幀丟棄：當(dāng)擁塞的網(wǎng)絡(luò)成分需要丟棄信元時(shí)，在很多情況下，在幀一級(jí)上丟棄比在信元級(jí)上丟棄更有效些。例如送往 AAL層的 SDU可以放入多個(gè) ATM信元中，如果其中的一個(gè)或多個(gè)信元被丟棄，則整個(gè) SDU可能就不能恢復(fù)了，此時(shí)采用幀丟棄比信元丟棄效果會(huì)更好。

4．7 ABR業(yè)務(wù)的流量控制

ABR業(yè)務(wù)也稱之為 best—effort業(yè)務(wù)，主要用作數(shù)據(jù)的傳輸，如文件傳輸服務(wù)等，ABR業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延和信元丟失率都沒有很高的要求，業(yè)務(wù)流量參數(shù)只有： PCR、 MCR(最小信元速率)和 ACR(允許的信元速率)。 PCR和 MCR分別表示ABR業(yè)務(wù)可能達(dá)到的最大信元速率和要求網(wǎng)絡(luò)保證的最小信元速率， ACR表示當(dāng)前ABR業(yè)務(wù)實(shí)際發(fā)送信元的速率。 PCR和 MCR通過信令在源和網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)商， ACR則根據(jù)信源收到的 RM信元內(nèi)容調(diào)整，但 ACR必須介于 PCR和 MCR之間。其流量控制采用基于速率的 流量控制機(jī)制，基于速率的方法是一種端到端的流量控制機(jī)制，通過反饋中間節(jié)點(diǎn)的擁塞情況來控制信元輸出設(shè)備的發(fā)射速率。

圖4 ABR業(yè)務(wù)流量控制

如圖4所示，ABR信元發(fā)送端的速率為 ACR， ACR介于 PCR和 MCR之間，ABR信源每隔 N個(gè)信元產(chǎn)生一 RM信元( PTI＝6)， RM信元中包含有當(dāng)前的 ACR值。在網(wǎng)絡(luò)任何位置發(fā)生擁塞時(shí)， RM信元被標(biāo)記為交換機(jī)或網(wǎng)絡(luò)鏈路擁塞。 RM信元由信元接收端返回至 ABR信源端后，若發(fā)生擁塞，信源端依據(jù)以下公式調(diào)整信元發(fā)射速率：

ACR= max(ACR× MDF，MCR)

其中 MDF為信元倍減因子；若無擁塞發(fā)生，信源端依據(jù)以下公式調(diào)整信元發(fā)射速率：

ACR= min(ACR十AIR，PCR)

其中AIR 為速率增加率。

ATM流量控制和擁塞控制(一)

背景和起因：

流量控制是解決輸入負(fù)荷與吞吐量關(guān)系，從而避免線路過載或線路空閑。擁塞控制是解決在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨著輸入負(fù)載的增大而下降，不可避免地出現(xiàn)的信息傳輸?shù)膿頂D現(xiàn)象和網(wǎng)絡(luò)擁塞的極端情況，即網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降為0的癱瘓現(xiàn)象。

ATM流量控制：

ATM網(wǎng)絡(luò)的最主要特點(diǎn)是它能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)反饋的信息調(diào)整傳輸速率,確保用戶的交通不超過ATM網(wǎng)絡(luò)的容量。如果用戶節(jié)點(diǎn)的交通不受限制,就會(huì)造成緩存的溢出與數(shù)據(jù)的丟失。 為了更有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源,在多個(gè)連接之間合理分配網(wǎng)絡(luò)資源、避免發(fā)生擁擠,以下簡略介紹三種ATM網(wǎng)絡(luò)流量控制與服務(wù)方式:

1．流量控制：

①網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)訂 ：以某種方式分配網(wǎng)絡(luò)資源

②連接許可控制 ：網(wǎng)絡(luò)防止自己超載

③使用參數(shù)控制

④優(yōu)先級(jí)控制

⑤快速資源管理

2．服務(wù)方式：

●固定位速率CBR(Constant Bit Rate)

固定位速率(CBR) 在ATM網(wǎng)絡(luò)中,在兩個(gè)用戶之間建立一個(gè)連接時(shí),必須指定連接服務(wù)的類別,其中包括服務(wù)參數(shù)與服務(wù)質(zhì)量。CBR是ATM服務(wù)類別中最簡單的一種，CBR的特點(diǎn)是它能在最小信元丟失與較低的信元延遲變化下保持足夠的數(shù)據(jù)吞吐率

●可變位速率VBR(Variable Bit Rate)

可變位速率VBR 可變位速率VBR又進(jìn)一步分為實(shí)時(shí)VBR與非實(shí)時(shí)VBR。實(shí)時(shí)VBR對(duì)信元的延遲要求較為嚴(yán)格,用于傳輸影像與聲音信息;非實(shí)時(shí)VBR對(duì)信元的延遲要求不那么苛刻,適用于傳輸猝發(fā)信息,如事務(wù)處理等。

●可用位速率ABR(AvailaBle Bit Rate)

可用位速率ABR ABR連接能根據(jù)可用網(wǎng)絡(luò)資源的多少在最低信元速率與峰值信元速率之間進(jìn)行調(diào)節(jié),這種調(diào)節(jié)是根據(jù)可用資源的反饋信息來實(shí)現(xiàn)的。ABR服務(wù)用于一般的數(shù)據(jù)傳輸,不適于對(duì)數(shù)據(jù)延遲較為敏感的實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)合。ABR擁擠控制管理基于ATM的基于速率的流量控制,在定義服務(wù)方面給予網(wǎng)絡(luò)用戶與服務(wù)提供者以非常大的靈活性,當(dāng)應(yīng)用增加導(dǎo)致?lián)頂D時(shí)能降低網(wǎng)絡(luò)的傳輸率,雖然增加了某些延遲,卻能保證不丟失信元。而VBR服務(wù)在當(dāng)應(yīng)用增加時(shí),信元丟失的可能性也隨之增加。

ATM擁塞控制：

ATM擁塞控制指的是網(wǎng)絡(luò)為了盡量減小擁塞的強(qiáng)度、擴(kuò)散程度及持續(xù)時(shí)間而采取的一系列的動(dòng)作。這些動(dòng)作由一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)元素上的擁塞事件觸發(fā)。

①選擇性信元丟棄

②顯式前向擁塞指示