ＡＴＭ宽带网络流量与拥塞控制研究

ＡＴＭ流量控制是ＡＴＭ网络为了

避免拥塞发生而采取的一系列措施。

ＡＴＭ层拥塞控制是ＡＴＭ网络在发生

拥塞后为减轻拥塞程度、控制拥塞扩散、

缩短拥塞持续时间而采取的一系列措施。

    流量与拥塞控制并不是有了ＡＴＭ宽带网络才开始研究的新课题。它随着分组交换模式的诞生而发展，成为进行可靠而迅速的分组交换所不可缺少的重要手段。ＡＴＭ网络从根本上讲是一种快速分组交换网络，而ＡＴＭ技术又是实现Ｂ－ＩＳＤＮ的关键技术，因此，在ＡＴＭ网络中进行流量与拥塞控制是实现Ｂ－ＩＳＤＮ必须采用的技术。

    本文第１部分阐明流量与拥塞控制和ＡＴＭ网络分组服务特性之间的关系。第２部分说明有效的流量与拥塞控制是ＡＴＭ实现Ｂ－ＩＳ-ＤＮ的关键。第３部分说明分组交换网络中广泛应用的流量与拥塞控制不适用于ＡＴＭ网络的原因。第４部分介绍ＡＴＭ网络自动比特率（ＡＢＲ）流量与拥塞控制机制研究现状。第５部分则提出了ＡＢＲ流量与拥塞控制中有待解决的一些问题。

１ 进行流量与拥塞控制 是ＡＴＭ网络分组服务特性所决定的

    在传统的电路交换模式中，两个终端用户之间的通路表现为时间轴上周期出现的一组时隙，通路的传输带宽在整个通信过程中保持恒定。因而在通信过程中占用的带宽不会大于网络总带宽，网络不会出现拥塞现象，所以不必进行流量的控制。

    分组交换模式则不同。在分组交换网络中?两个终端用户之间的连接建立后，网络并不为该连接保留固定的带宽资源。在通信过程中，数据转接设备对来自各个数据终端设备的分组进行排队和异步时分复用，并送往分组交换网络。连接只在有分组要传送时才占用时隙，称为虚连接。将数据进行分组传送，可允许峰值带宽之和大于传输带宽，这在电路交换系统中是不可想象的。虽然如此，一个运行良好的网络，在任意时刻实际被占用的带宽应该小于传输带宽。为了保证这一点，流量与拥塞控制成为分组交换网络之中不可缺少的组成部分。

     ＡＴＭ网络从根本上讲是一种快速分组交换网络，进行流量与拥塞控制是由ＡＴＭ网络的分组服务的本质所决定的。但是ＡＴＭ网络又有许多不同于传统分组交换网络的特点，因此有必要对ＡＴＭ网络中流量与拥塞控制进一步进行深入的研究。

２ 有效的流量与拥塞控制是实现Ｂ－ＩＳＤＮ的保证

    ＡＴＭ网络传输单位是信元，它是一种长度为５３字节的小分组。从流量与拥塞控制的角度来看，ＡＴＭ网络与分组交换网络有如下差别：

   （１）ＡＴＭ网络所支持的各种业务，在业务特性和服务质量（ＱＯＳ）的要求上差别很大，ＡＴＭ不仅支持固定比特率业务，还支持可变比特率业务，速率范围可从每秒千比特的数量级到每秒吉比特数量级。既有实时性要求很高的语音通信、视频通信，也有可靠性要求很高的计算机文件传送等。在这种综合业务环境下要做到流量与拥塞控制，困难很大。而分组交换网络是为计算机通信而设计的，业务单一，因而流量与拥塞控制相对简单，容易实现。

   （２）ＡＴＭ网络带宽非常宽，其用户网络接口至少能提供３４Ｍｂｉｔ／ｓ以上的数据速率，这就要求流量控制能对业务量的变化很快作出反应。而分组交换网络中接口速率要低得多，高性能智能网卡速率一般也只能做到２５６ｋｂｉｔ／ｓ。

   （３）ＡＴＭ网络的物理媒体是光纤，光纤传输损耗低、抗干扰能力强、无串音干扰，在这种情况下，ＡＴＭ网络数据链路层功能得以简化，流量与拥塞控制可在ＡＴＭ层或更高层完成。从分层的角度看，ＡＴＭ网络简化了分组交换网的流量与拥塞控制。

    从分层结构的角度来看，ＡＴＭ流量与拥塞控制只在ＡＴＭ层进行，而分组交换网络的流量与拥塞控制却在数据链路层上进行后又在网络层进行。但并不意味着ＡＴＭ的流量与拥塞控制变得简单，相反，由于ＡＴＭ要实现比分组交换更复杂的功能，流量与拥塞控制也变得更为复杂。过于复杂的流量控制会给工程实现带来困难，这与ＡＴＭ追求“简化网络设计，提高性能价格比”的初衷是相违背的，所以，流量控制算法的复杂度是研究者需考虑的重要问题。

    帧中继也是一种高速分组服务技术，同Ｘ．２５网相比，帧中继的体系结构只有物理层和数据链路层。数据链路层只实现检错，没有纠错，不进行错帧和帧丢失通知，没有错帧重发这些差错控制和流量控制功能。帧中继网络所追求的目标是在较低的输入负载下获得高速的服务，而在ＡＴＭ网络，为了传输多种性能差异很大的业务，在同时需提高链路利用率的情况下，网络暂性拥塞是难以避免的，只有实行有效的流量与拥塞控制，才能满足宽带综合业务数字网对服务质量的要求。

３ 分组交换网络流量与拥塞控制机制的回顾

     分组交换网络为了实现数据可靠和迅速地传输，在网络体系结构的第２层、第３层均设置了流量与拥塞控制功能，形成了流量与拥塞控制体系。各层所采用的机制基本相同，都是采用接收方控制发送方的反馈控制机制，用得最广泛的是滑动窗口法。然而滑动窗口法却不适用于ＡＴＭ流量与拥塞控制。首先，滑动窗口法要求网络内每一个虚连接都设一对窗口，而ＡＴＭ网络中有成千上万的ＡＢＲ虚连接，若要为每一个ＡＢＲ虚连接单独作流量与拥塞控制，网络太复杂，成本过高。其次，滑动窗口法除了有流量与拥塞控制功能外，还有分组顺序管理功能，控制是在排序过程中完成的，而ＡＴＭ网络信元的传输是有序的，顺序管理功能在ＡＴＭ网络中成为多余；第３，滑动窗口法的实现依赖协议数据单元结构的支持，而ＡＴＭ信元，其信头上根本没有序号，滑动窗口无法在ＡＴＭ层实施。综上所述，滑动窗口法虽然在Ｘ．２５分组交换通信中取得了成功，在ＡＴＭ网络中却根本无法使用，但是，滑动窗口法所包含的反馈控制思想，由于在分组交换网络中得到成功的应用，它对ＡＴＭ网络的流量与拥塞控制产生了巨大的影响，这也是本文花一定篇幅追溯流量与拥塞控制源头的原因。

４ ＡＴＭ网络流量与拥塞控制研究现状

    在ＡＴＭ论坛ＵＮＩ３．０中，ＡＴＭ流量控制与拥塞控制这两个概念是有区别的，ＡＴＭ层流量控制的定义是：ＡＴＭ网络为了避免拥塞发生而采取的一系列措施。而ＡＴＭ层拥塞控制的定义是：ＡＴＭ网络在发生拥塞后，为减轻拥塞程度，控制拥塞扩散，缩短拥塞持续时间而采取的一系列措施。由于这两种控制经常在网络中协同工作，一起出现，拥塞控制方案中经常会有流量控制的内容，故而在文献中经常被不加区别地使用。

    ＡＴＭ业务管理、流量与拥塞控制是一个复杂而庞大的体系，ＡＴＭ论坛ＵＮＩ ３．０和ＴＭ ４．０规定该体系有以下功能：网络资源管理、连接接纳控制、使用参数控制、优先级控制、流量整形、帧丢弃、ＡＢＲ流量控制。通信开始前，ＡＴＭ网络对申请建立连接者进行连接接纳控制；连接建立后，网络对虚连接进行资源管理，并对该连接上的业务量进行使用参数控制，对每一信元规定一个丢失优先级，对不符合通信协议的信元进行流量整形。为了充分利用网络未利用的带宽，引入了ＡＢＲ业务，并对ＡＢＲ业务进行流量控制。另外，为了提高传输有效性，对有信元丢失的帧进行早期帧丢弃。这一系列控制都是ＡＴＭ网络流量与拥塞控制的有机组成部分，它们必须协调工作，才能最终使ＡＴＭ技术与Ｂ－ＩＳＤＮ获得成功。同ＡＢＲ流量控制相比较，连接接纳控制、使用参数控制、优先级控制和流量整形是研究得比较成熟的领域，而ＡＢＲ流量控制还有许多问题有待解决。下面着重对ＡＴＭ网络流量与拥塞控制中的ＡＢＲ反馈机制进行讨论。

    提交ＡＴＭ论坛斟酌讨论的反馈式流量与拥塞控制方案有很多种，它们主要可分为基于速率（Ｒａｔｅ－Ｂａｓｅｄ）方案与基于信用证（Ｃｅｄｒｉｔ－ｂａｓｅｄ）方案两大类。在基于信用证的机制中，由收方向发方发放信用证，信用证的个数表明收方缓冲区允许从相应虚连接上接收的数据信元个数。发方只有当收到信用证后才能发送数据信元，最多发送数据信元的个数由收到的信用证个数决定。这种机制的控制目标是防止接收方缓冲区发生溢出，主要优点是，传送突发性强的业务时，也能保证无信元丢失。基于速率的机制直接以连接所占用的带宽为控制目标，根据网络负载情况，调整ＡＢＲ信源发送信元的速率。事实上，控制信源速率而不是控制可发送信元个数，对于提高链路利用率，是一种更为自然的想法。在１９９４年底，ＡＴＭ论坛投票决定，采用基于速率的端到端的流量控制机制，放弃基于信用证的逐段流量控制策略。

    使ＡＴＭ论坛作出这一决定的一个主要原因是基于速率的流量控制机制。其性能价格比优于基于信用证的流量控制机制。在基于速率的流量控制机制中，网络为每个连接反馈一个速率信息，信源按这个反馈信息调整，算法的复杂度同连接所经由的链路数Ｎ１无关，只跟网络接纳的连接个数Ｎｃ有关；而基于信用证的策略，由于是逐段控制，因此算法复杂度不仅与Ｎｃ有关，还同Ｎ１有关。当然还有一些其它的理由，例如基于速率的流量控制机制使用与业务速率有关的参数，便于同使用参数控制的业务管理功能相结合，共同服务于ＡＴＭ网络；另外，基于速率的流量控制机制对ＡＴＭ网络元件的设置更具灵活性。在上述因素中，网络性能价格比直接关系到ＡＴＭ网络能否在未来的通信网中生存下来并最终走向实用，因此是一个至关重要的因素。事实上，这种把性能价格比置于首要位置的思想在ＡＴＭ论坛的其它决策中时有体现。

     基于速率的流量控制机制按调整信源数据发送速率的方式可分为两类：一类是二值指示方式，即信源按照反馈信息中网络有无拥塞这两种状态决定发送速率的增减，变化的幅度在连接建立时确定；另一类是明晰速率指示方式，网络在反馈信息中明确指出该ＡＢＲ信源所能获得的许可速率。

     在数据结构上，ＡＴＭ数据信元头部的流量普控域（ＧＦＣ）及资源管理信元用来对流量与拥塞控制实行支持。

     在ＡＴＭ论坛ＵＮＩ ３．０及ＴＭ４．０中，就流量与拥塞控制对ＡＴＭ信源、信宿及交换节点的作用作了一定的描述，但对流量控制方案的实现却没有具体的规定，保留了很大的灵活性，如定量描述拥塞的方法；交换节点如何为每个ＡＢＲ连接计算带宽分配；在各种业务综合传输的情况下，如何获得某一链路上可以提供ＡＢＲ业务使用的总带宽等，都是开放研究课题，流量与拥塞控制的研究也因此引起了广泛的兴趣。

５ 目前ＡＢＲ流量与拥塞控制存在的问题

    首先，ＡＴＭ的网络流量与拥塞控制机制中一个很基本的问题是如何判断拥塞即将发生。目前常将交换节点处缓冲队列长度作为判断的依据（方法ａ），当队列长度超过某一阈值时就判定为即将发生拥塞。下面简单的定量分析可说明方法ａ的不合理之处。设某一节点缓冲队列长度为Ｌ，输入速率为Ｖｉｎ，输出速率为Ｖｏｕｔ，我们来看当Ｌ（ｔ）＝Ｌ０时，方法ａ判定即将发生拥塞，可实际上并不一定发生拥塞，因经过时间Δｔ，队列长度变为：

Ｌ（ｔ＋Δｔ）＝Ｌ（ｔ）＋ＶｉｎΔｔ－ＶｏｕｔΔｔ

        ＝Ｌ（ｔ）＋（Ｖｉｎ－Ｖｏｕｔ）Δｔ

     显然，只有在Ｖｉｎ＞Ｖｏｕｔ的情况下，方法ａ才是合理的，在Ｖｉｎ＜Ｖｏｕｔ或Ｖｉｎ＝Ｖｏｕｔ时拥塞并不发生。如用一定长度时间内缓冲队列长度增加是否超过某一阈值来判断拥塞是否即将发生（方法ｂ），或通过直接比较输入链路与输出链路上数据速率的差（方法ｃ）来判断，均比方法ａ更加合理。

第２个问题是，基于速率的流量控制方案如何能在多种业务综合传输时，及时确定非控制业务所占的带宽，从而确定ＡＢＲ业务所能获得的可用带宽。解决这个问题并不简单。带宽的概念在传输系统中其实是占用时隙的多少，为了求得所占用的带宽，必须在一定时段内统计某连接占用的时隙数，统计结果只有在时段结束时才能获得，而等到统计结果出来时，对业已结束的时段已失去意义，而对于下一个时段，这个结果只有不确切的使用意义，因为ＡＴＭ网络的使用状况始终处于高速的变化之中，所以难以确定带宽。

     第３个问题是，目前的流量控制方案，其性能有待进一步提高。使用二值指示的流量控制方案，各ＡＢＲ信源所获得的许可速率不能稳定在理想流量控制分配给它的公平份额（ＦＳ）上，而是一直在ＦＳ附近上下振荡，而且振幅很大。我们把ＡＢＲ信源收敛到公平份额的过程称为暂态过程。在暂态过程中，信源速率超过ＦＳ时会引起缓冲队列变长，低于ＦＳ时链路利用率又下降，可见振荡的暂态过程会在很大程度上给网络带来不良的影响，暂态过程持续的时间越长，影响越大，因此暂态过程是衡量某一流控方案性能优劣的重要依据。另外，二值指示的流量控制方案在带宽分配的公平性上也存在问题。相比较而言，明晰速率指示方案在上述两个方面有较大的改善，但是问题依然存在。

    第４个问题是，目前的基于速率的端到端反馈控制机制不能在广域网的环境下有效地工作。由于ＡＴＭ网络支持综合业务，包括突发性很强的业务，其带宽占用状况处于经常的变化中，而广域传输距离远，传输时延非常大，当反馈信号经历很长的延迟到达信源时，网络的状况可能早发生了变化，反馈信息因此也失去了意义。为解决这个问题，ＡＴＭ论坛建议网络交换节点可作为虚拟信源／信宿点，把端到端控制环路分成若干个相互独立、相互邻接的子环路，各子环路内流量控制分别独立进行。但这种方法存在两个方面的问题，首先是带宽分配的公平性和链路利用的高效性得不到保证，即使子环路内有很好的公平性，但这种公平性仅仅是局部的，不等于端到端环路的公平性；其次是子环路内只有两个交换节点，但这两个交换节点相距很远，依然会有很高的时延。由此可见，虚拟节点的概念是有局限性的。□

参考文献：

１ 谢希仁，陈鸣，张兴元．计算机网络．电子工业出版社，１９９４

２ 周明天，汪文勇．ＴＣＰ／ＩＰ网络原理与技术．清华大学出版社，１９９３

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４  Ｆ Ｂｏｎｏｍｉ，Ｋ．Ｗ Ｆｅｎｄｉｃｋ．Ｔｈｅ Ｒａｔｅ－Ｂａｓｅｄ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎ-ｔｒｏｌ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｆｏｒ ｔｈｅ Ａｖａｉｌａｂｌｅ Ｂｉｔ Ｒａｔｅ ＡＴＭ Ｓｅｒ-ｖｉｃｅ．ＩＥＥＥ Ｎｅｔｗｏｒｋ，Ｍａｒｃｈ／Ａｐｒｉｌ，１９９５：２５～３９

５  Ｈ Ｔ Ｋｕｎｇ，Ｒ Ｍｏｒｒｉｓ．Ｃｒｅｄｉｔ－Ｂａｓｅｄ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ＡＴＭ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＩＥＥＥ Ｎｅｔｗｏｒｋ，Ｍａｒｃｈ／Ａｐｒｉｌ，１９９５：４０～４８

６  ＡＴＭ Ｆｏｒｕｍ．Ｕｓｅｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｖｅｒｓｉｏｎ ３．０．ＰＴＲ Ｐｒｅｔｉｃｅ Ｈａｌｌ，１９９３

７  ＡＴＭ Ｆｏｒｕｍ．Ｔｒａｆｆｉｃ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｖｅｒ-ｓｉｏｎ ４．０．

８  Ｐ Ｓｍｉｔｈ．Ｆｒａｍｅ Ｒｅｌａｙ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ａｄｄｉｓｉｏｎ Ｗｅｓｌｅｙ，１９９３

（收稿日期：１９９８－０５－２６）

[摘要] 文章阐明对ＡＴＭ网络进行流量与拥塞控制不仅是由ＡＴＭ网络的分组交换本质所决定，也是实现Ｂ－ＩＳＤＮ的基本要求。文章还对目前ＡＴＭ网络的ＡＢＲ流量与拥塞控制机制进行了评述，提出了ＡＢＲ流量控制尚待解决的一些问题。

[关键词] 异步转移模式 ＡＢＲ流量控制 拥塞控制

[Abstract] Ｔｈｅ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ ｃｏｎ-ｔｒｏｌ ｆｏｒ ＡＴＭ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｄｅｃｉｄｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐａｃｋｅｔ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｎａｔｕｒｅ ｏｆ ＡＴＭ ｎｅｔｗｏｒｋ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｆｏｒ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ Ｂ－ＩＳＤＮ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ＡＢＲ ｆｌｏｗ ｃｏｎ-ｔｒｏｌ ａｎｄ ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ＡＴＭ ｎｅｔｗｏｒｋ，ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｓｏｍｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｎ ＡＢＲ ｆｌｏｗ ｃｏｎ-ｔｒｏｌ，ｗｈｉｃｈ ｎｅｅｄ ｔｏ ｂｅ ｒｅｓｏｌｖｅｄ．

[Keywords] ＡＴＭ ＡＢＲ ｆｌｏｗ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ■