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贵州大学
贵州大学
本科生毕业论文
论文题目：
ATM网络流量控制方法
----服务质量保证机制
学院：
信息与计算机科学学院
系别：
计算机科学与技术
年级：
99级
指导老师:
段迅
学生：
彭勉
ATM网络拥塞控制方法
——服务质量保证机制
贵州大学计算机科学与技术99级彭勉（小1班28号）
指导老师：
段迅（讲师）
摘要：
本文研究了ATM网络拥塞控制方法，并对其中拥塞管理在电信中的服务质量保证机制进行实际分析。
并参与了智能帧丢失，闭环式拥塞控制机制，动论文态缓存机制的实践。
学到了理论与实践相结合的能力。
关键词：
ATM，拥塞管理，智能帧丢失，闭环式拥塞控制机制，动态缓存机制
SolutiontoATMNetworkCongestionControl
——ServiceGuaranteeSystem
ComputerScienceDepartmentofGuizhouUniversity
99class
Zhangjinggang
Abstract:
ThispaperinvestigatesthesolutionofATMNetworkCongestionControl,andpracticablyanalysesthecongestionmanagementintheServiceGuaranteeSystemoftelecommunication.Italsoinvolvesthepracticeoflossofintelligentframe,mechanismofclosed-circuitcongestioncontrol,mechanismofdynamicbuffermemory.Inaddition,thispapertriestoapplytheoryintopractice.
KeyWords:
ATM,InformationCongestionManagement,lossofintelligentframe,mechanismofclosed-circuitcongestioncontrol,mechanismofdynamicbuffermemory
目录
引言。
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（1）
第一章问题定义报告。
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1．问题定义的任务。
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2．问题的基本情况。
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3．问题的结论。
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（4）
第二章ATM网络拥塞控制方法理论研究。
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（5）
1．拥塞控制特点和分类。
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（5）
2．拥塞管理。
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（7）
3．拥塞回避。
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（8）
4．拥塞恢复。
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（12）
第三章可行性研究报告。
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1．引言。
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（15）
2．可行性研究的前提。
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（15）
3．对问题的分析。
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（15）
4．ATM网络技术的可行性分析。
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（15）
5．ATM网络拥塞控制方法的可行性。
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第四章拥塞管理在电信中的运用。
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1．采用ATM技术组建的基础网络的特点。
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2．服务质量保证机制的类别。
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第五章实践总结。
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（22）
课题开发进度表。
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结束语。
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参考文献。
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（25）
引言
科学技术的高速发展导致了计算机的产生及计算机技术的飞速提高。
在现代社会里。
计算机技术已经深入到人们工作和生活的每个角落，给各个行业实现更高效，更快捷的发展提供了可能。
随着各行各业的发展，导致了信息量的剧增，处理也越发复杂，为了适应当今社会快速发展，因此对信息管理要求更加严格，对网络的拥塞控制要求更高。
我们在老师的指导下对ATM网络拥塞控制问题进行了研究，并对电信中的拥塞管理提出了具体解决方案。
比如：
流量监管，输入端队列管理，中断队列管理，智能去帧机制，
ATM闭环式拥塞控制等。
我们通过了这次毕业实习使我们在调研，查询资料，实际解决问题中学到了理论与实践相结合的能力，为我们走上工作岗位奠定了很好的基础。
1
第一章问题定义报告
1．问题定义的任务：
问题定义阶段必须回答的问题是：
“要研究的问题是什么?
”
2.问题的基本情况：
拥塞是我们许多人都经历过的，交通堵塞、商店中长长的付款队列等等。
对于ATM，拥塞定义为一种状态，用户对网络提出的负荷（要求）接近或超过了保证通信规约所规定的服务质量（QoS）的网络设计极限。
由于ATM网络内传送的业务种类繁多，使得对业务流量的预测更加困难。
另一方面，ATM网内的信息速率很高，网络的拥塞和故障对业务质量的影响更加严重，甚至造成网络的瘫痪，因此对ATM网络的流量控制和拥塞控制非常重要。
2.1ATM简介:
在即将到来的21世纪，ATM将使企业网络能够满足迅猛发展的需要，将会成为全球
通信领域新的热点。
所谓ATM，是一种面向连接的交换式高速网络技术。
ATM技术是在传统的电路转移
模式和分组转移模式基础上发展起来的一种全新的信息转移模式。
其本质是一种高速分组转移模式，不仅包括ATM交换技术，还包括传输技术以及其它一些相关技术。
ATM技术的主要特点，在于它能克服电路转移模式下的网络资源利用率偏低，分组转移模式信息时延大以及处理方法复杂等各种缺点，能够比较简便地将各种特性的信息进行统一的处理。
ATM技术的由来可以追溯到80年代。
80年代以来，跨越广阔地域实现LAN的互连越
来越多，网络技术开始出现了互相不协调的情况：
专有的局域网采用共享媒体技术，并且针对数据传输进行优化；而用于互连局域网的公用电话网是带宽专用的，并且是针对声音传进行优化的。
为了解决这些问题，国际电报电话咨询委员会（现称一个专门研究小组，研究如何开发一各可统一处理声音、数据和各种其他服务的高速综合网络。
最终结果是BISDN（宽带综合业务数字网）标准的问世。
BISDN服务要求有高速通道来传输数字化的声音、数据、视像和多媒体信息。
异步传输模式（ATM）则是支持BISDN服务的一种多工交换技术。
制定ATM标准，最棘手的问题是确定一种能够有效地处理任何信息类型的结构。
这
种结构必须能适应各种传输速率，支持突发通信，这是因为声音、数据和视像的传输流都示出突发传输的特性。
虽然大多数人以为线路接转的声音传输不是突发的，但谈话一方所产生的声能实际只存在约40%的时间，为了解决这个棘手的问题，ATM技术采用信元（cell）作为信息交换和传输的单位。
所谓信元，它是一个长度固定的信息组，它由5个字节的信元头和48字节的载荷组成，信元头的作作用主要是提供路由和载荷类型等各种信息。
以信元作为信息传输、复用、交换和处理单位的异步转移传输模式（ATM）技术开始成为实现宽带综合业务数字支柱。
ATM对信元进行统计复用，只要获得空信元，即可插入信息发送其结果是信息插入位置没有周期性，因而称为异步转移模式。
统计提高了网络资源利用率，同时固定长度的信息分组以及简化的网络协议提高了网络了通信处理能力。
在ATM技术中，不对用户进行逐链路的差错窑，而将这种功能放到端到端进行，并且由硬件进行协议处理正是由于这些特性，使得ATM成为B-ISDN的主要的关键技术而受到业界的青睐。
世界上许多著名大公司的高层领导都对ATM给予了极高的评价。
NEC公司美国网络业务部经理DaveSmith指出：
“在商业方面，网络已经成为日益重要的战略角色。
网络对于商业的战略意义
2
越大，商业采用新兴技术以增加产值、创造竞争优势的速度就越快。
例如，因特网作为通用市场策划的一种高效手段被迅速接受，就是需要采用新技术的一个有力证明。
只有ATM能够提供释放这种新媒体的潜能所需的带宽与业务能力。
”Cisco公司系统生产线经理StavePomeroy也指出：
“作为路由器与LAN交换器网络的高速骨干网，ATM确实大有益处。
今天，Cisco公司的客户们已经有大约1500套与ATM相连的路由器安装并投和入运行。
即将推出的基于标准的ATM新产品，将进一步推动从传统的共享媒体式网络向基于信元的交换型网络的演变。
”FORE系统ATM交换机生产线主管JeffWhite也认为：
“今天，ATM将给成百上千的公司带来真正具有战略性意义的优势。
尽管ATM还处于发展阶段，但其标准、产品特性以及互连网络的能力，目前即可提供很大范围内的应用产品。
ATM在高性能工作组以及骨干网中的应用迅速增加，而且它在广域网络中的应用需求也很紧迫。
由于对大多数人来说，ATM还是一项崭新的技术，所以，为了设计出优良的ATM产品，应当使ATM网络更易于实现完善的管理。
”
2.2拥塞简介：
拥塞是我们许多人都经历过的，交通堵塞、商店中长长的付款队列等等。
拥塞通常定义为一种状况，在对资源的需求超过了可用资源一段时间之后便会出现这种状况。
以日常生活中的交通堵塞为例，拥塞的发生是由于要驶过道路的车辆数（的要求）超出了可能在此道路上运行的车辆数，而且又在上下班时间（一段时间）。
在计算机网络中的链路容量，交换结点中的缓冲区和处理机等，都是网络的资源。
在某
段时间，若对网络中某一资源的需求超过啦该资源所能提供的可用部分，网络的性能就要变坏。
这种情况就叫做拥塞。
可以将出现资源拥塞的条件表示为：
对资源的需求的总和大于可
用资源。
若网络中有许多资源同时产生拥塞，网络的性能就要明显变差，整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降。
拥塞往往是由许多因素引起的。
例如：
当某个结点缓冲区的容量太小时，到达该节点
的分组因无空间暂存而不得不被丢弃。
现在设想该结点缓冲区的容量扩展到非常大。
于是凡是到达该结点的分组均可在这缓冲区的对列中排队，不受任何限制。
由于输出链路的容量和处理机的速度并为提高，因此在这队列中的绝大多数分组的排队等待时间将会很长很长。
结果上层软件只好将它们进行重传。
由此可见，简单的扩大缓冲区的存储空间不但会造成网络资源的严重浪费，而且解决不了网络拥塞的问题。
又如，处理机处理的速度太慢固然可能引起网络的拥塞。
如某个路由器的cpu运行太慢，使得缓冲区的队列变得很长，即使线路的容量还很富裕。
简单的将处理机的速度提高，
可能使得上述情况缓解一些，但往往又会将瓶颈转移到其他地方。
问题得时质往往是整个系统的不匹配。
只有所有的部分平衡了，问题才会得到解决。
如果不及时解决拥塞问题，那么问题很有可能会趋于恶化，因此拥塞问题是我们的重要研究
2.3ATM拥塞流量控制:
对于ATM，拥塞定义为一种状态，用户对网络提出的负荷（要求）接近或超过了保证通信规约所规定的服务质量（QoS）的网络设计极限。
在ATM网络中可能发生拥塞的资源有交换机端口、缓冲、传输链路、ATM适配层（AAL）处理器和接受控制（CAC）处理器。
资源要求超出了能力称为瓶颈、拥塞点或约束。
由于ATM网络内传送的业务种类繁多，使得对业务流量的预测更加困难。
另一方面
3，
ATM网内的信息速率很高，网络的拥塞和故障对业务质量的影响更加严重，甚至造成网络的瘫痪，因此对ATM网络的流量控制和拥塞控制非常重要。
3．问题的结论：
为了提高ATM网的信息速度，对ATM网的拥塞控制问题的研究很重要。
4
第二章ATM网络拥
控制方法理论
研究
一、拥塞控制特点和分类
在拥塞控制中有两个比较重要的基本度量--有用吞吐量和有效延迟。
有用吞吐量指最终应用可实际达到的吞吐量。
有效延迟不是第一次不成功发送分组所产生的延迟，而是从第一次发送直到最后在目的地成功收到的整个时间间隔。
有用吞吐量和有效延迟对某些应用及其ATM支撑网络是相同的。
例如，声音和视频要编码成即使丢失也能被接受而不必重传。
因此对于ATM层有用吞吐量和有效延迟是相同的。
实际上，丢失和延迟只有在达到某一临界值前才是可接受的；超出之后应用性能，图像的主观感觉，或者音响和回放都将变得不可接受。
拥塞发生时，可能造成一种称为拥塞崩溃的临界现象，用图1来说明。
当提交的负荷增
图1拥塞区域和崩溃的说明
到中度拥塞区域时，实际承载的负荷受到带宽的缓冲资源的限制而达最大值。
负荷继续增加进入严重拥塞区域时，由于丢失和过度的延迟引起的用户应用重传使承载的负荷实际上下降了。
在严重阻塞区域中承载负荷下降的程度即被认为是拥塞崩溃现象。
崩溃取决于应用和网络特点两者。
5
文件传输的例子中有一种负荷敏感的拥塞崩溃倾向。
在达到严重拥塞时我们可见到一个有用吞吐量下降的峭壁。
这是由于无效的重传反而更增加了提交的负荷而使拥塞变得更糟。
另一个音像编码的例子则更顶得住丢失，将峭壁向前推移直到提交的负荷大于瓶颈资源的某个部分；换句话说，它是丢失有限的。
理想的拥塞控制方案是没有拥塞崩溃。
承载负荷可一直增加到瓶颈资源的可用能力并保持恒定。
在严重拥塞区域，主要的QoS恶化是由于延迟或丢失的显著增加。
一个特殊的拥塞控制方案的有效性也可以这样度量：
当提交的负荷超设计极限时有多大的延迟或丢失才会发生。
如图2说明了一个负荷极其敏感的应用在严重拥塞发生时，其延迟和丢失急剧增加。
而一个丢失有限的应用直到达到中等和严重拥塞的阀值前依次达到了可接受的性能。
理想的拥塞可控的应用对于任何提交的负荷值都只有有限的延迟和丢失。
其他应用则对于负荷的延迟和丢失不那么敏感。
图2只是说明了延迟和丢失对负荷的共同倾向一般当我们画出延迟和丢失对负荷的曲线时，二者看起来显著不同的。
正常情况下，延迟画出来是成线性比例的，而丢失却是成对数比例的。
图2拥塞对延迟的影响
拥塞控制种类较多，这里主要描述下面三种：
管理、回避、恢复。
每一种都可在信元级、突发级或呼叫级上运行。
表1拥塞控制分类和级别
拥塞管理运行于无拥塞区域，目标是保证永远不会进入图1和图2所示拥塞区
6
域这包括资源分配、丢弃性的用量参数控制（UPC）、全预订、绝对保证带宽、连接接受控制（CAC）和网络工程。
拥塞回避的作用是在偶然的峰值通信需求或网络过载时期回避拥塞或从拥塞中恢复。
其应用的一例是当结点或链路发生故障时。
拥塞回避过程通常运作于无拥塞或中度拥塞的某点或在整个中度拥塞区域内运行，拥塞回避包括显示的正向拥塞指示（EFCI），用量参数控制（UPC），用信元丢失优先级（CLP）位作标签，过度预订的连接接受控制（CAC），阻塞CAC，用窗口基、速率基或额度为基的流量控制。
拥塞恢复过程的启动是为了防止拥塞造成最终用户感受到的由网络提供的服务质量（QoS）的严重恶化。
当网络由于拥塞而开始经受丢失或显著增加延迟时便典型地启动这些过程。
拥塞恢复包括选择性的信元丢弃，动态设置UPC参数，由实际丢失或断开连接引起的反馈和运作过程。
下面稍详细介绍这三种拥塞控制方法：
拥塞管理、拥塞回避和拥塞恢复
二、拥塞管理
拥塞管理全面保证拥塞永远不会产生。
ATM中主要有以下几种管理方法：
资源分配，丢弃式的用量参数控制，全预订的连接接受控制（CAC），网络工程。
1、资源分配
当然，控制拥塞的方法之一是完全避免它。
这可通过适当的资源分配来做到。
要进行分配的资源包括：
干线容量，缓冲空间，UPC/NPC参数，虚通道连接（VPC）参数。
如果UPC（管制）动作设定丢弃超出峰值速率的信元，而且为峰值速率分配了全部干线和缓冲资源，则拥塞就不会产生。
这种设计可推广到处理最坏的故障场合。
这样在正常情况下，网络将某些能力保留以分配给恢复之用，因而网络在远离充全负荷的条件下运行，虽然这种方法完全避免了拥塞，但结果网络利用率可能很低。
这使它成为一种昂贵的方法。
这种方法也叫做"过度工程化"的网络。
当然，以何种方式分配资源以满足有保证的QoS是网络的决定。
例如，是否任何资源都分配给CLP=1的流是一个可选项。
为了满足所期望的QoS通信类别的总体性能需求应该有充足的可分配资源。
连接接受控制（CAC）功能对呼叫逐个进行判定：
根据可用资源是否可以接受这个连接请求。
资源可放在可用于所有QoS类别的一个共享池中，但为了在各类别间隔离也可以放在单独的池中。
2、用量参数控制（UPC）的丢弃
用量参数控制（UPC）的作用就象在网络入口点的一个交通警察。
带有丢弃能力的UPC
能保证只要充分分配资源拥塞就不会发生。
UPC是在网络中的第一个结点实施的，因此凡是可能拥塞网络的通信是不会被允许进入网络的。
也就不可能去拥塞下游结点。
UPC丢弃也可和过度预订一起使用。
在那种情况下拥塞则可能在网络内部发生。
3、全预订的连接接受控制（CAC）
对信元丢弃优先级流定义于通信规约中蜂值信元速率，持续信元速率，和最大突发长度可用于全部预订各种缓冲，干线和交换机资源。
这就保证了即使全部资源在最坏情况下发送，守信信元流仍可达到指定的服务质量（QoS）。
这所以称为"全预订"连接接受控制是由于它只接受这样的呼叫，其通信参数不会使其他连接的QoS违规。
这些通信参数必须受用量参数控制（UPC）的强制控制。
4、网络工程
有效分配资源的一种方法是将这种决定置于长期，历史性的倾向和规划之上。
在今天这种方法已用在大多数专用的和公用的网络中。
此类决策包括决定在何时和何处安装，或者将
7
交换机或干线能力升级。
可收集通信和实际性能的各种统计度量，对通信源作精确的模型以用于网络规划算法中。
三、拥塞回避
拥塞回避的意图只是避免严重的拥塞--但继续将提交的负荷推进到中度拥塞区域。
换句话说，它企图在吞吐量负荷曲线的膝盖处运行。
这类似于在快节奏的现代世界生活中我们试着赶在上下班高峰时间之前或之后出门。
或者试着以尽可能最少的时间赶到机场。
主要有以下几种拥塞避免方法：
显式的正向拥塞指示（EFCI）；用量参数控制（UPC）作标签；连接接受控制（CAC）"过度预订"；阻塞呼叫；窗口、速率或额度流量控制。
1、显式的正向拥塞指示（EFCI）
处在拥塞状态中的一网络元素可在信元头部设置显式的正向拥塞指示（EFCI）净荷类型代码值以供网络中其他结点或目的地设备使用。
当缓冲中的阈值被超过时就可以设置EFCI。
注意因为EFCI净荷类型是设置在信元中的，因此此信元不能丢弃，这样才适合于作拥塞避免。
网络元素即使不处于拥塞状态中也不应该修改EFCI，因为这是用于将拥塞的存在通知到接收端的所有中间点的。
由更高层次协议来使用EFCI目前尚未标准化。
帧中继（FR）具有类似的拥塞指示称为正向显式拥塞通知（EFCN）。
此外，帧中继还有一个反向显式拥塞通知（BECN）。
反向显式拥塞通知（BECN）在ATM中还没有标准化，其中一个原因是这样考虑的：
如果网络已经拥塞，则目的地应用协议应当发命令通知源目的地协议减少传输。
在很大程度上由帧中继来的（FECN和BECN）类似的拥塞指示，还没有被末端系统或更高层协议，如传输控制协议（TCP）所利用。
在ATM中对EFCI也可能发生类似的状况，EFCI在许多末端系统或更高层次协议和应用中未曾被利用。
对中间设备，例如路由器，在利用拥塞指示信息中也有一个问题。
如果路由器减缓了发送，而源应用协议没有，那么丢失就一定会在中间设备中发生。
大多数路由器肯定会收集收到的拥塞报文个数的统计数据，这有利于网络规划。
网络可以利用ATMEFCI和目前非标准的内部的反向拥塞通知，如图3所示。
基本上，如果在路径的任何一处发现了拥塞，包括如图所示的在出口链路的拥塞，就会有一个反馈拥塞报文发给源结点。
源结点可以减缓此连接的业务，选择性的丢弃信元，或者二者结合起来用。
不管那一种情况，引起拥塞的源都应节流以从拥塞状态中恢复。
希望结果是有用吞吐量，例如在文件传输应用中，不会被拥塞崩溃所害。
图3反馈控制举例
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只有当拥塞间隔大大大于周转时延时这种方法才有效，否则反馈控制还没有能起作用之前拥塞就可能已经不存在了。
对于这种反馈方案的最坏情况是周期性的输入通信，其周期大约和周转时间相等。
在长期过载下可形成的实际状况是网络在忙碌时期中主干线和结点发生故障。
这很可能造成在故障期间持续的拥塞。
这种情况下反馈控制可能是从拥塞中恢复和将损害公平地分给各不同的源的一种有效的技术。
2、用量参数控制（UPC）作标签
用量参数控制（UPC）主要在通信控制时使用，但也可以用于拥塞回避。
UPC用改变信元丢失优先级位（CLP）的方法来对信元作标签，以指示不守信信元（CLP＝1）。
这样如果允许超出通信参数的通信可以进入网络，就可能引起拥塞发生。
如果采用了这种拥塞回避技术，如果发生严重拥塞的话，那么相应地必须使用诸如选择性信元丢弃或动态UPC以求恢复。
3、连接接受控制（CAC）"过度预订"
比在拥塞管理中描述的"全预订"更为激进的一种连接受控制（CAC）形式是允许某种程度的"过度预订"。
过度预订的原理是连接申请的通信参数，例如峰值信元速率，大于大多数时间中实际所用的值。
当大量这种连接共享一公用资源时，不大可能它们都以其峰值需求级别来使用资源。
因此可以接纳比之通信参数指出能支持的更多的连接，而仍然达到指定的服务质量（QoS）。
象UPC作标签一样，采用UPC用"过度预订"也必须和一个拥塞恢复机构，例如UPC的动态断链一起作用。
4、阻塞呼叫
在网络变得严重阻塞之前，连接接受控制（CAC）可简单地阻塞任何新的连接请求。
这类拥塞回避的一个好例子就是电话网络--如果
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