什么是ATM流量控制和拥塞控制
什么是atm流量控制和拥塞控制
流量控制是网络技术中的一个重要课题，此处以atm网络为例对流量控制的各个问题进行说明。atm网络能够对不同业务提供服务质量的保证，在分析atm网络所支持业务的特点及其相应参数的基础上，atm网络除了可为信息提供高速率、高带宽的转移功能外，更为重要的是能灵活地支持现有的和将来可能出现的各种业务，并对各种业务提供服务质量保证，使网络达到很高的资源利用率，要达到这些目的需要对不同业务运用不同的流量控制和拥塞控制机制。概括地说流量控制就是为了避免网络拥塞的出现而采取的一系列操作( atm层的拥塞是指网络不能达到连接建立时所签订的流量合同)；拥塞控制是当网络发生拥塞时，为避免网络进一步恶化和缓解网络拥塞而采取的一系列操作。流量控制和拥塞控制都是为了提高网络性能，保证业务服务质量，通常统一称之为流量控制。
1、流量控制的作用
根据 itu—t i．371的建议，流量控制的作用主要是：
. 保护网络和用户的预先约定的性能(服务质量即 q0s)，如信元丢失率、信元传输时延等参数，避免网络拥塞的出现。
. 优化网络资源的使用，提高网络的利用率。
2、流量控制的实现途径
根据 uni和 nni接口 atm信元头格式的不同(见图 l)，信元头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(信元净荷类型)、 cip(信元丢失优先级)。
图1 uni和nni接口atm信元头格式
其中， pti共3bits，含义如下:最高位为0表示本信元为数据信元，为 l表示0am信元；对于数据信元，第2 bit用于前向拥塞指示( efci)，最低位用于 aal5，可用作确定信元的边界；对于0am 信，第 l、2 bit分别用于表示 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信元来作为流量控制的信息载体。
3、业务特性、q0s及流量合同
atm网络能对不同的业务进行接入，流量控制是针对不同的业务和业务质量来进行的，因此业务类型和不同的业务质量是流量控制制定的基础。 atm forum对业务进行了分类，分为 cbr、 rt—vbr、nrt—vbr、abr、 ubr。可见业务分类主要以速率为基础，但仅以速率来表征业务是不够的，因此又制定了以下参数来衡量接入的业务质量：
3．1 业务特性
表示业务本身流量特性的有峰值信元速率( pcr)、可维持信元速率( scr)、最小信元速率( mcr)、最大突发长度( mbs);表示业务对时间特性要求的有信元时延抖动允许容限( cdvt)。
3．2 q0s
qos是指网络对业务所能提供的质量保证，即这些业务的 atm层 q0s，有峰峰信元时延抖动 peak—to—peak cdv、最大信元传送时延 maxctv、信元丢失率 clr、信元错误率 cer、严重出错的信元块比率 secbr、信元误插入率 cmr。其中前三个是最基本和最重要的参数。
cbr业务速率恒定，用 pcr即可以表征，要求网络根据该参数预留带宽。 cbr还是时延敏感业务，对 ctd、 cdv的指标要求严格，同时也要求较低的 clr。 vbr业务属于突发性业务，对用 pcr、 scr、mbs表征， rt—vbr为时延敏感性业务，而 nrt—vbr则无时延方面的要求。 ubr业务的 q0s级别最低，信息源与 atm网络间只需约定 pcr，其它方面均无保证。abr业务只保证最低信元速率，对于以 mcr传输的信息， atm网络保证其传输的可靠性( clr)。业务分类与业务特性间的关系见表l。
：仅用作cac、upc ：对abr业务，采用反馈流量控制来调整信元输入速率后其clr可忽略 3．3 流量合同( traffic；contract)
atm终端用户通过信令建立连接时，提交网络以流量合同，若能满足则建立连接，此后 atm的流量控制都是根据用户和网络签订的流量合同来进行(见图2)。流量合同由 q0s参数、流量参数和一致性定义组成。一致性定义是指依据何种算法来判断业务流量违反所签订的流量合同。itu— t i．371建议定义了两个通用信元速率算法( gcra)： vs(虚调度)算法和 la算法(漏桶算法一 leak bucket a1gorithm)，其中漏桶算法应用得最多也最为成熟，目前已经有实现漏桶算法的专用 atm芯片。连续状态漏桶算法是一个有限容量的漏桶算法，漏桶以每单位时间一个容量单位的连续向外渗漏，同时，每当一个非违约信元到达时其容量增加 t，当有一个信元到达时，若漏桶里的信元数小于 r时，则该信元未违约，否则认为信元违约，漏桶的最大容量是 t十 r。在网络人口处可设置1个或多个漏桶，带有 clp标记的信元到达时，可以作以下处理：设置标记(即 clp位由0改为 l)，丢弃或传到下一个漏桶。 clp＝ 1的信元直接传至下一漏桶，只有 clp＝0的信元才作一致性检查。如图3所示，信元提交至网络入口时，如果超过了流量合同中规定的 pcr或 cdvt值，则信元被丢弃或 clp位置标记， clp＝0的信元被传送至下一漏桶并作 scr和 ubs检查，这些信元可能被置标记并送人网络中。
图2 atm流量控制
图3 连续状态漏桶算法
4、流量控制的一般方法
itu—t1．371定义了以下功能模块来实现流量控制： cac、 upc( usage parameter controll )、网络资源管理、优先权控制、流量整形、拥塞控制、 abr业务的流量控制等。实际应用时常常根据需要选择其中几项同时运行来实现流量控制。
4．1 连接接纳控制( cac)攒块
cac是一种基本的也是重要的流量控制方法，是 atm交换机在呼叫建立阶段为决定是否建立 vcc 或 vpc而采取的一系列措施。 cac最基本的功能是对一己知呼叫连接请求，按照其业务质量，根据整个网路资源是否能满足现有以建立呼叫的业务质量来决定对此呼叫连接请求是否予以接受， cac作出决定时需要对qos类型、信元时延变化容限等进行用户和网路之间的协商(签订流量合同)。
4．2 upc／npc模块
upc(使用参数控制)／npc(网络参数控制)定义为网络分别在用户／网络接口和网络节点接口上执行的一系列操作，按照已提供的流量合同和 atm连接的灵活性，为监视和控制流量而采取的一系列操作。若没有 upc／npc功能，则当网络终端设备发生故障或由于用户的误操作等都会引起网络其它业务的qos，并可能使网络拥塞。因此其主要目的是保护网路资源避免受误操作、不影响已建立的各连接的业务质量。
4．3 资源管理模块
网络资源管理模块用来分配和管理 vpi／vci资源，以便按照业务特性，区分各业务流量。网络资源管理中，对虚通道和虚通路的管理有具体要求。
4．4 选择信元丢弃
当网络需要同时满足高、低优先级流量的性能指标时，则网络有选择地丢弃一些低优先级的业务信元，或对信元打上标签( tag)，设置其 clp＝l。
4．5 traffic shaping(流量整形)
traffic shaping是一种改变 vcc或 vpc上的信元流的业务特性以使网络利用率提高的机制，本机制可以将业务流特性加以修正，但它必需同时保证 atm连接的序列完整性。业务流整形可以通过降低峰值速率、限制突发业务流的长度、及时调整信元间隔以降低信元时延变化、业务排队机制等几个方面来实现。 traffic shaping可在网络中任何地方实现，例如在网络交换机出口处，通过消除累积突发信元和信元时延抖动，能使 atm终端用户获得更好的q0s。
4．6 拥塞控制
网络拥塞时可以进行以下几个方面的处理：
. 已拥塞的网络成分可以将 clp＝ 1的信元丢弃，对于 clp＝0的信元可以将其 cip置为 1以降低其优先级。
直接前向拥塞指示( efci)是用于协助网络避免拥塞状态或从拥塞状态恢复的拥塞证实机制指示。当网络认为发生拥塞或将发生拥塞时，可在发往终端的 atm信元头中设置 efci ( pti中)，终端检测到 efci后就知道前方网络的拥挤情况，从而可适当降低自身流量。用户设备使用本机制是可选的，因此网路不能希望通过本机制来控制拥塞。处于拥塞状态的网路成分将在信元头中设置一个直接的拥塞指示，以便用户设备检查本指示；当网路成分未处于拥塞状态时，则对本指示不进行修改。
. 对 upc／npc失败的处理：引入管理平面的特定进程来处理。
. 帧丢弃：当拥塞的网络成分需要丢弃信元时，在很多情况下，在帧一级上丢弃比在信元级上丢弃更有效些。例如送往 aal层的 sdu可以放入多个 atm信元中，如果其中的一个或多个信元被丢弃，则整个 sdu可能就不能恢复了，此时采用帧丢弃比信元丢弃效果会更好。
4．7 abr业务的流量控制
abr业务也称之为 best—effort业务，主要用作数据的传输，如文件传输服务等，abr业务对时延和信元丢失率都没有很高的要求，业务流量参数只有： pcr、 mcr(最小信元速率)和 acr(允许的信元速率)。 pcr和 mcr分别表示abr业务可能达到的最大信元速率和要求网络保证的最小信元速率， acr表示当前abr业务实际发送信元的速率。 pcr和 mcr通过信令在源和网络之间协商， acr则根据信源收到的 rm信元内容调整，但 acr必须介于 pcr和 mcr之间。其流量控制采用基于速率的 流量控制机制，基于速率的方法是一种端到端的流量控制机制，通过反馈中间节点的拥塞情况来控制信元输出设备的发射速率。
图4 abr业务流量控制
如图4所示，abr信元发送端的速率为 acr， acr介于 pcr和 mcr之间，abr信源每隔 n个信元产生一 rm信元( pti＝6)， rm信元中包含有当前的 acr值。在网络任何位置发生拥塞时， rm信元被标记为交换机或网络链路拥塞。 rm信元由信元接收端返回至 abr信源端后，若发生拥塞，信源端依据以下公式调整信元发射速率：
acr= max(acr× mdf，mcr)
其中 mdf为信元倍减因子；若无拥塞发生，信源端依据以下公式调整信元发射速率：
acr= min(acr十air，pcr)
其中air 为速率增加率。
atm流量控制和拥塞控制(一)
背景和起因：
流量控制是解决输入负荷与吞吐量关系，从而避免线路过载或线路空闲。拥塞控制是解决在网络传输过程中，网络吞吐量随着输入负载的增大而下降，不可避免地出现的信息传输的拥挤现象和网络拥塞的极端情况，即网络吞吐量下降为0的瘫痪现象。
atm流量控制：
atm网络的最主要特点是它能够根据网络反馈的信息调整传输速率,确保用户的交通不超过atm网络的容量。如果用户节点的交通不受限制,就会造成缓存的溢出与数据的丢失。 为了更有效地利用网络资源,在多个连接之间合理分配网络资源、避免发生拥挤,以下简略介绍三种atm网络流量控制与服务方式:
1．流量控制：
①网络资源预订 ：以某种方式分配网络资源
②连接许可控制 ：网络防止自己超载
③使用参数控制
④优先级控制
⑤快速资源管理
2．服务方式：
●固定位速率cbr(constant bit rate)
固定位速率(cbr) 在atm网络中,在两个用户之间建立一个连接时,必须指定连接服务的类别,其中包括服务参数与服务质量。cbr是atm服务类别中最简单的一种，cbr的特点是它能在最小信元丢失与较低的信元延迟变化下保持足够的数据吞吐率
●可变位速率vbr(variable bit rate)
可变位速率vbr 可变位速率vbr又进一步分为实时vbr与非实时vbr。实时vbr对信元的延迟要求较为严格,用于传输影像与声音信息;非实时vbr对信元的延迟要求不那么苛刻,适用于传输猝发信息,如事务处理等。
●可用位速率abr(available bit rate)
可用位速率abr abr连接能根据可用网络资源的多少在最低信元速率与峰值信元速率之间进行调节,这种调节是根据可用资源的反馈信息来实现的。abr服务用于一般的数据传输,不适于对数据延迟较为敏感的实时应用场合。abr拥挤控制管理基于atm的基于速率的流量控制,在定义服务方面给予网络用户与服务提供者以非常大的灵活性,当应用增加导致拥挤时能降低网络的传输率,虽然增加了某些延迟,却能保证不丢失信元。而vbr服务在当应用增加时,信元丢失的可能性也随之增加。
atm拥塞控制：
atm拥塞控制指的是网络为了尽量减小拥塞的强度、扩散程度及持续时间而采取的一系列的动作。这些动作由一个或多个网络元素上的拥塞事件触发。
①选择性信元丢弃
②显式前向拥塞指示
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1、流量控制的作用
根据 itu—t i．371的建议，流量控制的作用主要是：
. 保护网络和用户的预先约定的性能(服务质量即 q0s)，如信元丢失率、信元传输时延等参数，避免网络拥塞的出现。
. 优化网络资源的使用，提高网络的利用率。
2、流量控制的实现途径
根据 uni和 nni接口 atm信元头格式的不同(见图 l)，信元头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(信元净荷类型)、 cip(信元丢失优先级)。
图1 uni和nni接口atm信元头格式
其中， pti共3bits，含义如下:最高位为0表示本信元为数据信元，为 l表示0am信元；对于数据信元，第2 bit用于前向拥塞指示( efci)，最低位用于 aal5，可用作确定信元的边界；对于0am 信，第 l、2 bit分别用于表示 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信元来作为流量控制的信息载体。
3、业务特性、q0s及流量合同
atm网络能对不同的业务进行接入，流量控制是针对不同的业务和业务质量来进行的，因此业务类型和不同的业务质量是流量控制制定的基础。 atm forum对业务进行了分类，分为 cbr、 rt—vbr、nrt—vbr、abr、 ubr。可见业务分类主要以速率为基础，但仅以速率来表征业务是不够的，因此又制定了以下参数来衡量接入的业务质量：
3．1 业务特性
表示业务本身流量特性的有峰值信元速率( pcr)、可维持信元速率( scr)、最小信元速率( mcr)、最大突发长度( mbs);表示业务对时间特性要求的有信元时延抖动允许容限( cdvt)。
3．2 q0s
qos是指网络对业务所能提供的质量保证，即这些业务的 atm层 q0s，有峰峰信元时延抖动 peak—to—peak cdv、最大信元传送时延 maxctv、信元丢失率 clr、信元错误率 cer、严重出错的信元块比率 secbr、信元误插入率 cmr。其中前三个是最基本和最重要的参数。
cbr业务速率恒定，用 pcr即可以表征，要求网络根据该参数预留带宽。 cbr还是时延敏感业务，对 ctd、 cdv的指标要求严格，同时也要求较低的 clr。 vbr业务属于突发性业务，对用 pcr、 scr、mbs表征， rt—vbr为时延敏感性业务，而 nrt—vbr则无时延方面的要求。 ubr业务的 q0s级别最低，信息源与 atm网络间只需约定 pcr，其它方面均无保证。abr业务只保证最低信元速率，对于以 mcr传输的信息， atm网络保证其传输的可靠性( clr)。业务分类与业务特性间的关系见表l。
：仅用作cac、upc ：对abr业务，采用反馈流量控制来调整信元输入速率后其clr可忽略 3．3 流量合同( traffic；contract)
atm终端用户通过信令建立连接时，提交网络以流量合同，若能满足则建立连接，此后 atm的流量控制都是根据用户和网络签订的流量合同来进行(见图2)。流量合同由 q0s参数、流量参数和一致性定义组成。一致性定义是指依据何种算法来判断业务流量违反所签订的流量合同。itu— t i．371建议定义了两个通用信元速率算法( gcra)： vs(虚调度)算法和 la算法(漏桶算法一 leak bucket a1gorithm)，其中漏桶算法应用得最多也最为成熟，目前已经有实现漏桶算法的专用 atm芯片。连续状态漏桶算法是一个有限容量的漏桶算法，漏桶以每单位时间一个容量单位的连续向外渗漏，同时，每当一个非违约信元到达时其容量增加 t，当有一个信元到达时，若漏桶里的信元数小于 r时，则该信元未违约，否则认为信元违约，漏桶的最大容量是 t十 r。在网络人口处可设置1个或多个漏桶，带有 clp标记的信元到达时，可以作以下处理：设置标记(即 clp位由0改为 l)，丢弃或传到下一个漏桶。 clp＝ 1的信元直接传至下一漏桶，只有 clp＝0的信元才作一致性检查。如图3所示，信元提交至网络入口时，如果超过了流量合同中规定的 pcr或 cdvt值，则信元被丢弃或 clp位置标记， clp＝0的信元被传送至下一漏桶并作 scr和 ubs检查，这些信元可能被置标记并送人网络中。
图2 atm流量控制
图3 连续状态漏桶算法
4、流量控制的一般方法
itu—t1．371定义了以下功能模块来实现流量控制： cac、 upc( usage parameter controll )、网络资源管理、优先权控制、流量整形、拥塞控制、 abr业务的流量控制等。实际应用时常常根据需要选择其中几项同时运行来实现流量控制。
4．1 连接接纳控制( cac)攒块
cac是一种基本的也是重要的流量控制方法，是 atm交换机在呼叫建立阶段为决定是否建立 vcc 或 vpc而采取的一系列措施。 cac最基本的功能是对一己知呼叫连接请求，按照其业务质量，根据整个网路资源是否能满足现有以建立呼叫的业务质量来决定对此呼叫连接请求是否予以接受， cac作出决定时需要对qos类型、信元时延变化容限等进行用户和网路之间的协商(签订流量合同)。
4．2 upc／npc模块
upc(使用参数控制)／npc(网络参数控制)定义为网络分别在用户／网络接口和网络节点接口上执行的一系列操作，按照已提供的流量合同和 atm连接的灵活性，为监视和控制流量而采取的一系列操作。若没有 upc／npc功能，则当网络终端设备发生故障或由于用户的误操作等都会引起网络其它业务的qos，并可能使网络拥塞。因此其主要目的是保护网路资源避免受误操作、不影响已建立的各连接的业务质量。
4．3 资源管理模块
网络资源管理模块用来分配和管理 vpi／vci资源，以便按照业务特性，区分各业务流量。网络资源管理中，对虚通道和虚通路的管理有具体要求。
4．4 选择信元丢弃
当网络需要同时满足高、低优先级流量的性能指标时，则网络有选择地丢弃一些低优先级的业务信元，或对信元打上标签( tag)，设置其 clp＝l。
4．5 traffic shaping(流量整形)
traffic shaping是一种改变 vcc或 vpc上的信元流的业务特性以使网络利用率提高的机制，本机制可以将业务流特性加以修正，但它必需同时保证 atm连接的序列完整性。业务流整形可以通过降低峰值速率、限制突发业务流的长度、及时调整信元间隔以降低信元时延变化、业务排队机制等几个方面来实现。 traffic shaping可在网络中任何地方实现，例如在网络交换机出口处，通过消除累积突发信元和信元时延抖动，能使 atm终端用户获得更好的q0s。
4．6 拥塞控制
网络拥塞时可以进行以下几个方面的处理：
. 已拥塞的网络成分可以将 clp＝ 1的信元丢弃，对于 clp＝0的信元可以将其 cip置为 1以降低其优先级。
直接前向拥塞指示( efci)是用于协助网络避免拥塞状态或从拥塞状态恢复的拥塞证实机制指示。当网络认为发生拥塞或将发生拥塞时，可在发往终端的 atm信元头中设置 efci ( pti中)，终端检测到 efci后就知道前方网络的拥挤情况，从而可适当降低自身流量。用户设备使用本机制是可选的，因此网路不能希望通过本机制来控制拥塞。处于拥塞状态的网路成分将在信元头中设置一个直接的拥塞指示，以便用户设备检查本指示；当网路成分未处于拥塞状态时，则对本指示不进行修改。
. 对 upc／npc失败的处理：引入管理平面的特定进程来处理。
. 帧丢弃：当拥塞的网络成分需要丢弃信元时，在很多情况下，在帧一级上丢弃比在信元级上丢弃更有效些。例如送往 aal层的 sdu可以放入多个 atm信元中，如果其中的一个或多个信元被丢弃，则整个 sdu可能就不能恢复了，此时采用帧丢弃比信元丢弃效果会更好。
4．7 abr业务的流量控制
abr业务也称之为 best—effort业务，主要用作数据的传输，如文件传输服务等，abr业务对时延和信元丢失率都没有很高的要求，业务流量参数只有： pcr、 mcr(最小信元速率)和 acr(允许的信元速率)。 pcr和 mcr分别表示abr业务可能达到的最大信元速率和要求网络保证的最小信元速率， acr表示当前abr业务实际发送信元的速率。 pcr和 mcr通过信令在源和网络之间协商， acr则根据信源收到的 rm信元内容调整，但 acr必须介于 pcr和 mcr之间。其流量控制采用基于速率的 流量控制机制，基于速率的方法是一种端到端的流量控制机制，通过反馈中间节点的拥塞情况来控制信元输出设备的发射速率。
图4 abr业务流量控制
如图4所示，abr信元发送端的速率为 acr， acr介于 pcr和 mcr之间，abr信源每隔 n个信元产生一 rm信元( pti＝6)， rm信元中包含有当前的 acr值。在网络任何位置发生拥塞时， rm信元被标记为交换机或网络链路拥塞。 rm信元由信元接收端返回至 abr信源端后，若发生拥塞，信源端依据以下公式调整信元发射速率：
acr= max(acr× mdf，mcr)
其中 mdf为信元倍减因子；若无拥塞发生，信源端依据以下公式调整信元发射速率：
acr= min(acr十air，pcr)
其中air 为速率增加率。
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背景和起因：
流量控制是解决输入负荷与吞吐量关系，从而避免线路过载或线路空闲。拥塞控制是解决在网络传输过程中，网络吞吐量随着输入负载的增大而下降，不可避免地出现的信息传输的拥挤现象和网络拥塞的极端情况，即网络吞吐量下降为0的瘫痪现象。
atm流量控制：
atm网络的最主要特点是它能够根据网络反馈的信息调整传输速率,确保用户的交通不超过atm网络的容量。如果用户节点的交通不受限制,就会造成缓存的溢出与数据的丢失。 为了更有效地利用网络资源,在多个连接之间合理分配网络资源、避免发生拥挤,以下简略介绍三种atm网络流量控制与服务方式:
1．流量控制：
①网络资源预订 ：以某种方式分配网络资源
②连接许可控制 ：网络防止自己超载
③使用参数控制
④优先级控制
⑤快速资源管理
2．服务方式：
●固定位速率cbr(constant bit rate)
固定位速率(cbr) 在atm网络中,在两个用户之间建立一个连接时,必须指定连接服务的类别,其中包括服务参数与服务质量。cbr是atm服务类别中最简单的一种，cbr的特点是它能在最小信元丢失与较低的信元延迟变化下保持足够的数据吞吐率
●可变位速率vbr(variable bit rate)
可变位速率vbr 可变位速率vbr又进一步分为实时vbr与非实时vbr。实时vbr对信元的延迟要求较为严格,用于传输影像与声音信息;非实时vbr对信元的延迟要求不那么苛刻,适用于传输猝发信息,如事务处理等。
●可用位速率abr(available bit rate)
可用位速率abr abr连接能根据可用网络资源的多少在最低信元速率与峰值信元速率之间进行调节,这种调节是根据可用资源的反馈信息来实现的。abr服务用于一般的数据传输,不适于对数据延迟较为敏感的实时应用场合。abr拥挤控制管理基于atm的基于速率的流量控制,在定义服务方面给予网络用户与服务提供者以非常大的灵活性,当应用增加导致拥挤时能降低网络的传输率,虽然增加了某些延迟,却能保证不丢失信元。而vbr服务在当应用增加时,信元丢失的可能性也随之增加。
atm拥塞控制：
atm拥塞控制指的是网络为了尽量减小拥塞的强度、扩散程度及持续时间而采取的一系列的动作。这些动作由一个或多个网络元素上的拥塞事件触发。
①选择性信元丢弃
②显式前向拥塞指示
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