基于ATM网络拥塞控制问题的研究

文/仇伟明

ATM(异步传输模式)网络不但要处理因为突发性通信传输而引起的短时间拥塞，还要处理因超过系统处理能力的通信量而引起的长时间拥塞，对于这个问题人们曾考虑采用不同的应对策略，这些应对策略中比较重要的策略有三类，分别是：许可证控制、资源预订、基于速率的拥塞控制。

一、许可证控制

在拥塞发生时，传输速率较低的网络会迅速做出反应，告诉源端应该减慢发送分组，这就行了。但当拥塞发生时，传输速率较高的网络仍然采用此方法的话，则其效果会显得很差，网络将拥塞通知信息传送到源端的延迟时间里，成千数百个分组也已传输到达了。并且，很多ATM网络采用实时通信源，该实时通信源将会以固定的速率来传送数据。告诉此类通信源减慢发送速率是不可行的。

防止网络拥塞是ATM网络的首要工作。但是，对于恒定比特率类通信、可变比特率类通信、未定比特率类通信，根本无动态拥塞控制机制，因此预防拥塞发生的重要性就显得不言而喻，预防拥塞发生比拥塞发生后再去恢复网络重要的多，也显得更有意义。这时候许可证控制就是预防拥塞的一个主要工具。一台主机在能够描述出被提供的通信和服务的前提下，网络便作出检测来看网络需要一条新的虚电路是否有可能，同时处理该虚电路也在不对已经存在的虚电路造成有害影响的基础上进行，因此可能需要检查多条可能的虚电路，从而进一步发现哪一条虚电路将可以做此项工作，如果没有虚电路可以分配，呼叫便被拒绝。

否决许可应该做到公平合理。要是不采取任何控制措施的话，少数的高带宽用户将会很大程度上影响大量的低带宽用户。为了防止此类情况发生，一般把用户按照用途分为几类。同时对用户类别而言，拒绝服务的概率应大致相等。

二、资源预订

事先预定资源是同许可证控制密切相关的控制策略，该策略一般是在呼叫建立时进行。因为通信量描述符给出了信元发送峰值速率，网络就会预留充足的带宽来处理该峰值速率。网络通过使用SETUP消息从而把线路上的某部分带宽标记出来，这样的话，带宽就可以被预订。当然，应该保证线路的容量大于线路中被标记带宽的总和。在线路满负荷的情况下，SETUP消息就按照原路退回并且寻找另一条通路。

通信描述符既含有带宽峰值，同时也含有带宽平均值。例如，如果每台计算机峰值带宽为200000信元/秒，平均带宽仅需要50000信元/秒，一般情况下在同一条物理线路上采用多路复用技术复用4条虚电路就可以了。但问题在于所有的四条线路有可能在一定的时间内空闲无事，随后又以峰值速率发送信元，导致大量的信元丢失。因为可变比特率类型的通信可以在统计上进行多路复用，采用这种服务类型可能会出现问题。目前尚在研究相关的解决方案。

三、基于速率的拥塞控制

在恒定比特率通信和可变比特率通信中，由于信息源所具有的实时和半实时的特性，所以即便是在发生网络拥塞的情况下，一般也不太可能让发送者降低其发送速率。在可变比率特通信服务中，只需要把过多的多余信元丢弃掉就行。

然而，在平均比特率类型通信中，网络去通知一个或多个发送者并且要求暂时降低发送速率，以便于使网络恢复，这是合乎情理的。网络可以通过丢弃发送者的(超出来的)信元使得发送者遵守协定。

四、ABR通信拥塞解决方案

ATM标准发展过程中的一个热门话题是如何检测、通知和控制平均比特率类型通信中的拥塞。这里先来了解、讨论一些将要被淘汰或已经被淘汰的方案，从而得到比较合适的解决方案。

在第一个方案中，无论发送者何时发送突发性数据，它必须先发送代表预订所需带宽的一个特殊信元。在该特殊信元返回确认后，突发性传输便开始。它的最大优势是不会发生拥塞，因为所要求的带宽总是存在的。由于主机开始发送之前会有很长时间的延迟，所以ATM论坛拒绝了该方案。

在第二个方案中，交换机在发生拥塞时候总会发回抑制报文。因为抑制报文本身也有可能在拥塞中丢失，所以这个方案也被拒绝了，同时该方案对于学校用户来说是极为不合理的，比如，考虑一台交换机从5个用户中的每一个得到100Mb/s的数据流，而从另一个用户处得到100Kb/s的数据流，让100Kb/s的用户放弃50Kb/s是不恰当的，因为在网络拥塞时，该用户并没有起到较大的作用。

使用的第三种方案是用最后的信元中的一位来标识分组的分界线。其想法是丢弃信元以减轻拥塞，采取这样的措施需要较强的选择能力。交换机扫描正在进入的信元流直至一个分组结束，然后将下一个分组中的所有信元发出。当然，一段时间以后会将这个分组中的信元送出，但是最后落入分组中的所有N个信元，它将导致一个分组的再传送。 这样比落入随机信元N好得多。这种设计不是在公平环境中实施的，因为它见到的下一个分组尾可能不属于正超负荷工作的交换发送端。这种设计也不需要制订标准。任何交换机发送端在网络拥塞发生时，都能自由地选择该放弃哪些信元。

经过以上很多讨论之后，现在主要有两个方面问题：建立在信用基础上的解决方案和建立在速度基础上的解决方案。第一种方案其实是一种必要的动态滑行窗口协议。它要求任何交换机的每个实际电路都应该保持一种信用，即对该实际电路需要提供有效的缓冲区，只要每个被传送的信元都有一个等待它的缓冲区，那么拥塞就不会发生。

值得说明的是，交换机的制造商们反对建立在信用基础上的解决方案。他们不想进行复杂的计算，用以记住这些设备的电路信用，同时也不想预先提供很多缓冲区，这样会造成设备成本的极大提高。因此，采用建立在速度基础上的拥塞控制系统。