计算机网络系统的竞争特性研究

[摘要]计算机网络复杂系统中的竞争性在各级子系统结构中均有体现,并且在用户节点和各类交换节点上都存在竞争,竞争的资源有所不同。按竞争发生的位置将其分为局域网内级、路由器级以及域间级并予以详细讨论。

[关键词]计算机网络竞争特性

中图分类号:TP3文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0820056-01

局域网内系统成员竞争问题。在局域网内,系统成员竞争的是信道或网络共享设备的使用权。为了有效利用网络资源,局域网对参与竞争的系统成员进行了有序控制和冲突解决。作为下一代互联网的关键技术之一,光突发交换网中突发数据包之间竞争链路资源问题成为一个研究热点。其竞争解决机制主要包括光缓存、波长转换、偏转路由以及突发分片的竞争解决方法。文章按竞争发生的位置将其分为局域网内级、路由器级、域间级三个竞争级别,并予以详细讨论。

一、局域网内系统成员竞争问题

局域网内的信道、网络共享设备等网络资源的数量通常是远小于网内成员个数。当同时想要使用网络资源的成员数量超过可供使用的网络资源数量时,这些成员之间就构成了竞争关系。它们竞争的是信道或网络共享设备的使用权。为了有效利用网络资源,局域网内对成员进行了有序控制和冲突解决。

(一)有序控制。采取了有序控制后,成员间只是存在合作关系,不会有冲突发生。有序控制的实质是预防了冲突发生。常见的有序控制方式有:

1.轮询:网络控制程序按一定顺序逐个询问各系统内成员是否需要使用网络资源,如有,则被询问的成员立即使用;如无则接着询问下一成员。有限定式、门限式、穷尽式、混合式等服务方式。

2.预约:需要使用网络资源的成员必须先预约,再按预约顺序使用。分为集中预约和分布式预约。集中预约方式下的各成员先集中预约,再集中使用。分布式预约采用的是用户成员边预约边使用。

3.令牌控制:多在环形局域网中采用。在网内流动的令牌相当于一个通行证,有发送请求的用户成员要捕获到闲令牌,才能将信息附在令牌后发送。分为单令牌和多令牌方式。

4.时槽方式:信息在环网上的传输时间分成固定大小的若干段,每一段称为一个时槽,相应的用户成员分别使用自己的时槽发送信息。有固定式槽环和随机时槽环两种。

(二)冲突解决。有些局域网不采取有序控制,而是采取冲突解决方法,主要有以下几种:

1.后退:发生冲突时,不服务,令所有待发信息全部后退1个随机时间再来竞争,只有无冲突时的l个成员才受到服务。例如以太网中广泛应用的带有冲突检测的载波侦听多路访问。

2.淘汰:如同社会生活中的随机仲裁一样,网络中也有仲裁机构。仲裁机构从请求服务的用户成员中随机选取一次能够服务的数量,其余成员等下次再请求服务。例如星形局域网中存在的竞争一冲突淘汰存取方式。

3.限制:即冲突限制方式。对参加竞争的用户成员作某些限制,每次让部分用户成员产生的信息参与竞争,使信息发生冲突的可能性变小。例如自适应存取、缸存取。

二、路由器级或域间级的竞争

当快速局域网发出的大量信息到达信息速率较慢的局域网时,会由于带宽限制形成瓶颈,这正是竞争带宽引起的冲突。当过多的信息占据了路由器输入端的缓存,而路由器的输出能力不足时,就会由于竞争缓存和路由器的处理能力而引起冲突。我们将路由器级/域间级的冲突解决策略分为“预防机制”和“冲突解决”两大类。“预防机制”是在冲突发生前设法避免可能发生的冲突。“冲突解决”则是在冲突发生后采取一系列的措施化解冲突,达到成员合作的目的。

(一)预防机制。当数据量越发送越变大而不加以控制的话,必然有发生冲突的危险。引入一个慢启动闽值,当数据发送量小于闽值时,TCP处于慢启动阶段,否则就进入“拥塞避免”阶段,减小用户端的发送速率。提高路由器性能也是减少冲突发生的方法。在硬件方面,设置适当的缓存容量、提高运算速度和采用路由器集群结构。路由器集群结构可以使多个路由器通过内连网络连接在一起,利用负载均衡技术,将大量的输入端数据分担给多个路由器。在软件方面,改进路由算法和输入、输出缓存中的队列调度算法,以提高交换节点的处理效率和缓存的利用率。目前Diffsery体系结构中避免内部不发生冲突的方法是在边界节点严格控制进入区域的总数据流量。通过动态反馈机制:内部节点到边界点的反馈。内部节点收集周边情况,并通报边界节点,边界节点根据反馈来的内部信息调控进入区域内的总数据流量;边界节点到边界节点的动态反馈。区域的边界出口节点将数据传输速率反馈给边界入口节点,入口节点根据此速率调控进入区域内的数据传输速率,最终达到入口速率等于出口速率,从而避免区域内发生拥挤冲突。

(二)冲突解决。“丢弃”数据包是所有交换节点都支持的一种操作。当大量数据包竞争有限的输入、输出缓存或输出带宽时,由于资源“供给”<“需求”引起冲突,就需要丢弃一部分数据包。但是究竟丢弃哪些数据包、何时丢弃有不同的算法,丢尾算法是当缓存中的队列长度超过缓存大小时,丢弃队列尾部的数据包。随机早期检测算法是通过以一定概率丢失或标记报文来通知端节点网络冲突的情况。

三、结论

在复杂计算机网络系统中,竞争具有普遍性和客观性,合作具有特殊性和暂时性。系统内部竞争可以说是无处不在,既然存在资源共享,就必然有竞争。竞争的存在如同双刃剑:当网络繁忙时,也就是在竞争一冲突的高峰期容易造成拥塞,要设法避免冲突的发生;而在竞争一冲突的低谷期,竞争会提高网络资源的利用率。所以要根据人们的需求和竞争的特性改进冲突解决策略,化解冲突,从而实现成员间的有序合作。可利用竞争的时间性提高系统效率。避开竞争一冲突高峰期,更有效地利用网络资源,避免拥塞发生。

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作者简介:

崔仁杰(1969-),男,山西稷山人,西安工程大学现代教育技术中心,工程师,研究方向为:网络建设与管理。