什么是ATM流量控制和擁塞控制

流量控制是網絡技術中的一個重要課題，此處以ATM網絡為例對流量控制的各個問題進行說明。ATM網絡能夠對不同業務提供服務質量的保證，在分析ATM網絡所支持業務的特點及其相應參數的基礎上，ATM網絡除了可為信息提供高速率、高帶寬的轉移功能外，更為重要的是能靈活地支持現有的和將來可能出現的各種業務，并對各種業務提供服務質量保證，使網絡達到很高的資源利用率，要達到這些目的需要對不同業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絡擁塞的出現而采取的一系列操作( ATM層的擁塞是指網絡不能達到連接建立時所簽訂的流量合同)；擁塞控制是當網絡發生擁塞時，為避免網絡進一步惡化和緩解網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絡性能，保證業務服務質量，通常統一稱之為流量控制。

1、流量控制的作用

根據 ITU—T I．371的建議，流量控制的作用主要是：

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

. 優化網絡資源的使用，提高網絡的利用率。

2、流量控制的實現途徑

根據 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表示本信元為數據信元，為 l表示0AM信元；對于數據信元，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、業務特性、Q0S及流量合同

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

3．1 業務特性

表示業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)、最大突發長度( MBS);表示業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是指網絡對業務所能提供的質量保證，即這些業務的 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。

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

• ：僅用作CAC、UPC

• ：對ABR業務，采用反饋流量控制來調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用戶和網絡簽訂的流量合同來進行(見圖2)。流量合同由 Q0S參數、流量參數和一致性定義組成。一致性定義是指依據何種算法來判斷業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，目前已經有實現漏桶算法的專用 ATM芯片。連續狀態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，信元提交至網絡入口時，如果超過了流量合同中規定的 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絡中。

圖2 ATM流量控制

圖3 連續狀態漏桶算法

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流量控制： CAC、 UPC( Usage Parameter Controll )、網絡資源管理、優先權控制、流量整形、擁塞控制、 ABR業務的流量控制等。實際應用時常常根據需要選擇其中幾項同時運行來實現流量控制。

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，按照其業務質量，根據整個網路資源是否能滿足現有以建立呼叫的業務質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路之間的協商(簽訂流量合同)。

4．2 UPC／NPC模塊

UPC(使用參數控制)／NPC(網絡參數控制)定義為網絡分別在用戶／網絡接口和網絡節點接口上執行的一系列操作，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，則當網絡終端設備發生故障或由于用戶的誤操作等都會引起網絡其它業務的QOS，并可能使網絡擁塞。因此其主要目的是保護網路資源避免受誤操作、不影響已建立的各連接的業務質量。

4．3 資源管理模塊

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

4．4 選擇信元丟棄

當網絡需要同時滿足高、低優先級流量的性能指標時，則網絡有選擇地丟棄一些低優先級的業務信元，或對信元打上標簽( tag)，設置其 CLP＝l。

4．5 Traffic shaping(流量整形)

Traffic shaping是一種改變 VCC或 VPC上的信元流的業務特性以使網絡利用率提高的機制，本機制可以將業務流特性加以修正，但它必需同時保證 ATM連接的序列完整性。業務流整形可以通過降低峰值速率、限制突發業務流的長度、及時調整信元間隔以降低信元時延變化、業務排隊機制等幾個方面來實現。 Traffic shaping可在網絡中任何地方實現，例如在網絡交換機出口處，通過消除累積突發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

網絡擁塞時可以進行以下幾個方面的處理：

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

直接前向擁塞指示( EFCI)是用于協助網絡避免擁塞狀態或從擁塞狀態恢復的擁塞證實機制指示。當網絡認為發生擁塞或將發生擁塞時，可在發往終端的 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，因此網路不能希望通過本機制來控制擁塞。處于擁塞狀態的網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；當網路成分未處于擁塞狀態時，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業務的流量控制

ABR業務也稱之為 best—effort業務，主要用作數據的傳輸，如文件傳輸服務等，ABR業務對時延和信元丟失率都沒有很高的要求，業務流量參數只有： 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業務可能達到的最大信元速率和要求網絡保證的最小信元速率， ACR表示當前ABR業務實際發送信元的速率。 PCR和 MCR通過信令在源和網絡之間協商， ACR則根據信源收到的 RM信元內容調整，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，通過反饋中間節點的擁塞情況來控制信元輸出設備的發射速率。

圖4 ABR業務流量控制

如圖4所示，ABR信元發送端的速率為 ACR， ACR介于 PCR和 MCR之間，ABR信源每隔 N個信元產生一 RM信元( PTI＝6)， RM信元中包含有當前的 ACR值。在網絡任何位置發生擁塞時， RM信元被標記為交換機或網絡鏈路擁塞。 RM信元由信元接收端返回至 ABR信源端后，若發生擁塞，信源端依據以下公式調整信元發射速率：

ACR= max(ACR× MDF，MCR)

其中 MDF為信元倍減因子；若無擁塞發生，信源端依據以下公式調整信元發射速率：

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系，從而避免線路過載或線路空閑。擁塞控制是解決在網絡傳輸過程中，網絡吞吐量隨著輸入負載的增大而下降，不可避免地出現的信息傳輸的擁擠現象和網絡擁塞的極端情況，即網絡吞吐量下降為0的癱瘓現象。

ATM流量控制：

ATM網絡的最主要特點是它能夠根據網絡反饋的信息調整傳輸速率,確保用戶的交通不超過ATM網絡的容量。如果用戶節點的交通不受限制,就會造成緩存的溢出與數據的丟失。 為了更有效地利用網絡資源,在多個連接之間合理分配網絡資源、避免發生擁擠,以下簡略介紹三種ATM網絡流量控制與服務方式:

1．流量控制：

①網絡資源預訂 ：以某種方式分配網絡資源

②連接許可控制 ：網絡防止自己超載

③使用參數控制

④優先級控制

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,其中包括服務參數與服務質量。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據吞吐率

●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連接能根據可用網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節,這種調節是根據可用資源的反饋信息來實現的。ABR服務用于一般的數據傳輸,不適于對數據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絡用戶與服務提供者以非常大的靈活性,當應用增加導致擁擠時能降低網絡的傳輸率,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擁塞控制指的是網絡為了盡量減小擁塞的強度、擴散程度及持續時間而采取的一系列的動作。這些動作由一個或多個網絡元素上的擁塞事件觸發。

①選擇性信元丟棄

②顯式前向擁塞指示