什么是ATM流量控制和擁塞控制

什么是ATM流量控制和擁塞控制

流量控制是網(wǎng)絡技術(shù)中的一個重要課題，此處以ATM網(wǎng)絡為例對流量控制的各個問題進行說明。ATM網(wǎng)絡能夠?qū)Σ煌瑯I(yè)務提供服務質(zhì)量的保證，在分析ATM網(wǎng)絡所支持業(yè)務的特點及其相應參數(shù)的基礎上，ATM網(wǎng)絡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，并對各種業(yè)務提供服務質(zhì)量保證，使網(wǎng)絡達到很高的資源利用率，要達到這些目的需要對不同業(yè)務運用不同的流量控制和擁塞控制機制。概括地說流量控制就是為了避免網(wǎng)絡擁塞的出現(xiàn)而采取的一系列操作( ATM層的擁塞是指網(wǎng)絡不能達到連接建立時所簽訂的流量合同)；擁塞控制是當網(wǎng)絡發(fā)生擁塞時，為避免網(wǎng)絡進一步惡化和緩解網(wǎng)絡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)絡性能，保證業(yè)務服務質(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：

. 保護網(wǎng)絡和用戶的預先約定的性能(服務質(zhì)量即 Q0S)，如信元丟失率、信元傳輸時延等參數(shù)，避免網(wǎng)絡擁塞的出現(xiàn)。

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

2、流量控制的實現(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)。

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)務特性、Q0S及流量合同

ATM網(wǎng)絡能對不同的業(yè)務進行接入，流量控制是針對不同的業(yè)務和業(yè)務質(zhì)量來進行的，因此業(yè)務類型和不同的業(yè)務質(zhì)量是流量控制制定的基礎。 ATM Forum對業(yè)務進行了分類，分為 CBR、 rt—VBR、nrt—VBR、ABR、 UBR。可見業(yè)務分類主要以速率為基礎，但僅以速率來表征業(yè)務是不夠的，因此又制定了以下參數(shù)來衡量接入的業(yè)務質(zhì)量：

3．1 業(yè)務特性

表示業(yè)務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)務對時間特性要求的有信元時延抖動允許容限( CDVT)。

3．2 Q0S

QOS是指網(wǎng)絡對業(yè)務所能提供的質(zhì)量保證，即這些業(yè)務的 ATM層 Q0S，有峰峰信元時延抖動 peak—to—peak CDV、最大信元傳送時延 MaxCTV、信元丟失率 CLR、信元錯誤率 CER、嚴重出錯的信元塊比率 SECBR、信元誤插入率 CMR。其中前三個是最基本和最重要的參數(shù)。

CBR業(yè)務速率恒定，用 PCR即可以表征，要求網(wǎng)絡根據(jù)該參數(shù)預留帶寬。 CBR還是時延敏感業(yè)務，對 CTD、 CDV的指標要求嚴格，同時也要求較低的 CLR。 VBR業(yè)務屬于突發(fā)性業(yè)務，對用 PCR、 SCR、MBS表征， rt—VBR為時延敏感性業(yè)務，而 nrt—VBR則無時延方面的要求。 UBR業(yè)務的 Q0S級別最低，信息源與 ATM網(wǎng)絡間只需約定 PCR，其它方面均無保證。ABR業(yè)務只保證最低信元速率，對于以 MCR傳輸?shù)男畔ⅲ?ATM網(wǎng)絡保證其傳輸?shù)目煽啃? CLR)。業(yè)務分類與業(yè)務特性間的關(guān)系見表l。

• ：僅用作CAC、UPC

• ：對ABR業(yè)務，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，提交網(wǎng)絡以流量合同，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)絡簽訂的流量合同來進行(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)務流量違反所簽訂的流量合同。ITU— T I．371建議定義了兩個通用信元速率算法( GCRA)： VS(虛調(diào)度)算法和 LA算法(漏桶算法一 Leak Bucket A1gorithm)，其中漏桶算法應用得最多也最為成熟，目前已經(jīng)有實現(xiàn)漏桶算法的專用 ATM芯片。連續(xù)狀態(tài)漏桶算法是一個有限容量的漏桶算法，漏桶以每單位時間一個容量單位的連續(xù)向外滲漏，同時，每當一個非違約信元到達時其容量增加 T，當有一個信元到達時，若漏桶里的信元數(shù)小于 r時，則該信元未違約，否則認為信元違約，漏桶的最大容量是 T十 r。在網(wǎng)絡人口處可設置1個或多個漏桶，帶有 CLP標記的信元到達時，可以作以下處理：設置標記(即 CLP位由0改為 l)，丟棄或傳到下一個漏桶。 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)絡入口時，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記并送人網(wǎng)絡中。

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現(xiàn)流量控制： CAC、 UPC( Usage Parameter Controll )、網(wǎng)絡資源管理、優(yōu)先權(quán)控制、流量整形、擁塞控制、 ABR業(yè)務的流量控制等。實際應用時常常根據(jù)需要選擇其中幾項同時運行來實現(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最基本的功能是對一己知呼叫連接請求，按照其業(yè)務質(zhì)量，根據(jù)整個網(wǎng)路資源是否能滿足現(xiàn)有以建立呼叫的業(yè)務質(zhì)量來決定對此呼叫連接請求是否予以接受， CAC作出決定時需要對QOS類型、信元時延變化容限等進行用戶和網(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)絡參數(shù)控制)定義為網(wǎng)絡分別在用戶／網(wǎng)絡接口和網(wǎng)絡節(jié)點接口上執(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，則當網(wǎng)絡終端設備發(fā)生故障或由于用戶的誤操作等都會引起網(wǎng)絡其它業(yè)務的QOS，并可能使網(wǎng)絡擁塞。因此其主要目的是保護網(wǎng)路資源避免受誤操作、不影響已建立的各連接的業(yè)務質(zhì)量。

4．3 資源管理模塊

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

4．4 選擇信元丟棄

當網(wǎng)絡需要同時滿足高、低優(yōu)先級流量的性能指標時，則網(wǎng)絡有選擇地丟棄一些低優(yōu)先級的業(yè)務信元，或?qū)π旁蛏?a target="_blank">標簽( tag)，設置其 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)務特性以使網(wǎng)絡利用率提高的機制，本機制可以將業(yè)務流特性加以修正，但它必需同時保證 ATM連接的序列完整性。業(yè)務流整形可以通過降低峰值速率、限制突發(fā)業(yè)務流的長度、及時調(diào)整信元間隔以降低信元時延變化、業(yè)務排隊機制等幾個方面來實現(xiàn)。 Traffic shaping可在網(wǎng)絡中任何地方實現(xiàn)，例如在網(wǎng)絡交換機出口處，通過消除累積突發(fā)信元和信元時延抖動，能使 ATM終端用戶獲得更好的Q0S。

4．6 擁塞控制

網(wǎng)絡擁塞時可以進行以下幾個方面的處理：

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

直接前向擁塞指示( EFCI)是用于協(xié)助網(wǎng)絡避免擁塞狀態(tài)或從擁塞狀態(tài)恢復的擁塞證實機制指示。當網(wǎng)絡認為發(fā)生擁塞或?qū)l(fā)生擁塞時，可在發(fā)往終端的 ATM信元頭中設置 EFCI ( PTI中)，終端檢測到 EFCI后就知道前方網(wǎng)絡的擁擠情況，從而可適當降低自身流量。用戶設備使用本機制是可選的，因此網(wǎng)路不能希望通過本機制來控制擁塞。處于擁塞狀態(tài)的網(wǎng)路成分將在信元頭中設置一個直接的擁塞指示，以便用戶設備檢查本指示；當網(wǎng)路成分未處于擁塞狀態(tài)時，則對本指示不進行修改。

. 對 UPC／NPC失敗的處理：引入管理平面的特定進程來處理。

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

4．7 ABR業(yè)務的流量控制

ABR業(yè)務也稱之為 best—effort業(yè)務，主要用作數(shù)據(jù)的傳輸，如文件傳輸服務等，ABR業(yè)務對時延和信元丟失率都沒有很高的要求，業(yè)務流量參數(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)務可能達到的最大信元速率和要求網(wǎng)絡保證的最小信元速率， ACR表示當前ABR業(yè)務實際發(fā)送信元的速率。 PCR和 MCR通過信令在源和網(wǎng)絡之間協(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 流量控制機制，基于速率的方法是一種端到端的流量控制機制，通過反饋中間節(jié)點的擁塞情況來控制信元輸出設備的發(fā)射速率。

圖4 ABR業(yè)務流量控制

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個信元產(chǎn)生一 RM信元( PTI＝6)， RM信元中包含有當前的 ACR值。在網(wǎng)絡任何位置發(fā)生擁塞時， RM信元被標記為交換機或網(wǎng)絡鏈路擁塞。 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)絡傳輸過程中，網(wǎng)絡吞吐量隨著輸入負載的增大而下降，不可避免地出現(xiàn)的信息傳輸?shù)膿頂D現(xiàn)象和網(wǎng)絡擁塞的極端情況，即網(wǎng)絡吞吐量下降為0的癱瘓現(xiàn)象。

ATM流量控制：

ATM網(wǎng)絡的最主要特點是它能夠根據(jù)網(wǎng)絡反饋的信息調(diào)整傳輸速率,確保用戶的交通不超過ATM網(wǎng)絡的容量。如果用戶節(jié)點的交通不受限制,就會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)絡資源,在多個連接之間合理分配網(wǎng)絡資源、避免發(fā)生擁擠,以下簡略介紹三種ATM網(wǎng)絡流量控制與服務方式:

1．流量控制：

①網(wǎng)絡資源預訂 ：以某種方式分配網(wǎng)絡資源

②連接許可控制 ：網(wǎng)絡防止自己超載

③使用參數(shù)控制

④優(yōu)先級控制

⑤快速資源管理

2．服務方式：

●固定位速率CBR(Constant Bit Rate)

固定位速率(CBR) 在ATM網(wǎng)絡中,在兩個用戶之間建立一個連接時,必須指定連接服務的類別,其中包括服務參數(shù)與服務質(zhì)量。CBR是ATM服務類別中最簡單的一種，CBR的特點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又進一步分為實時VBR與非實時VBR。實時VBR對信元的延遲要求較為嚴格,用于傳輸影像與聲音信息;非實時VBR對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)絡資源的多少在最低信元速率與峰值信元速率之間進行調(diào)節(jié),這種調(diào)節(jié)是根據(jù)可用資源的反饋信息來實現(xiàn)的。ABR服務用于一般的數(shù)據(jù)傳輸,不適于對數(shù)據(jù)延遲較為敏感的實時應用場合。ABR擁擠控制管理基于ATM的基于速率的流量控制,在定義服務方面給予網(wǎng)絡用戶與服務提供者以非常大的靈活性,當應用增加導致?lián)頂D時能降低網(wǎng)絡的傳輸率,雖然增加了某些延遲,卻能保證不丟失信元。而VBR服務在當應用增加時,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)絡為了盡量減小擁塞的強度、擴散程度及持續(xù)時間而采取的一系列的動作。這些動作由一個或多個網(wǎng)絡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