[科普中国]-带宽分配

概述

三网融合是广电发展的趋势，也是电视技术的热点问题。随着世界经济从工业经济向知识经济的发展，知识经济的信息化和全球化特点也越来越显著，因此就必须依靠通信网络。当前的通信网络主要包括电信网络、电视网络和计算机网络。这三种网络各有特点，并且承载的业务侧重点不同。电信网络的主要业务是电话．由于呼叫成本基于时间和距离，通信资源的利用率很低；电视网络基本上是单向的传送电视节目；计算机网络的主要业务是传送数据业务，采用了分组交换方式和面向无连接的通信协议。

三网融合后，各用户之间，各种业务之间，都存在一定的竞争关系。因此，在上行方向，如果不进行管理和控制，就会出现冲突，导致用户之间和业务传输之间产生很大能延时，且存在数据丢失，带宽利用率也很低，使业务传输得不到确实的保证。因此，需要带宽分配技术对网络流量传送进行合理的分配。

进行带宽分配是为了在有限的带宽内保证实时业务的传输，不至于因为业务量太大而出现网络阻塞现象，使视频出现马赛克或音频出现间断等现象。但是，当网络带宽富余时可以传输其他业务，当网络带宽不足时要传输其他业务，也可以采用降低视频业务的码率(视频业务的码率较高，是网络传送的主要业务，占用绝大部分的网络带宽)的办法。

在以太网无源光网络系统中，主要采用静态和动态的方法来调度带宽的分配。其中静态带宽分断算法，是给光网络单元分配固定的传输时隙，未考虑到网路流量的突发性，带宽的利用率很佴的情况。因此，动态带宽分配算法的研究，是以太网无源光网络系统的关键问题之一，即三网融合后各种用户及各业务之间如何公平地解决竞争关系的关键问题。

综上所述，三网间的有效融合必须依靠强劲的技术支撑。并且，融合后还应该解决才同用户、不同业务的有效接入，以保证用户业务数据能有序、高效地进行传输，以及能100%地利用授权给它带宽，且通过限制连续时间内高优先级业务的服务次数，来保证低优先的服务质量，从而在公平性上有了一定的提高。2

分配方法静态带宽分配静态带宽分配(SBA，Static Bandwidth Allocation)方案在无源光网络系统中发展得很成熟，它是一种时隙长度固定的带宽分配方式。光线路终端把上行信道划分为若干固定长度的时隙，预先分配给各个光网络单元而不考虑它们的需求差别。在这种接入方式中，光网络单元不需要发送REPORT帧，光线路终端也不需要经过复杂的计算就可直接分配带宽，因而接入速度比较快，有一定的可取之处。

静态带宽分配方案忽略光网络单元的实际需要。势必造成相对数量带宽的闲置与浪费，当光网络单元重负荷时，这种浪费不会太大，随着光网络单元负荷的逐步减轻，闲置带宽将明显加大。

动态带宽分配2002年2月，G．Kramer提出了IPACT(Interleaved Pollingwith Adaptire Circle Time)机制，它是一种基于帧结构的带宽分配方式，也是最早形式的动态带宽分配算法。IPACT让光线路终端采用polling方式，通过GATE消息对各光网络单元依次进行轮询，光网络单元则在传输的有效数据流内携带REPORT消息，以申请后续带宽。光线路终端根据各个光网络单元大小不一的带宽请求信息，相应地将整个Cycle划分为若干不等长时隙，并按照限定最大传输窗(MTW)的分配方案分别对每个光网络单元进行授权，实现带宽的统计复用，从而提高整个上行信道利用率。3

理想的带宽分配拥塞控制算法的目标是避免拥塞，即为使用的网络传输层找到一种好的带宽分配方法。一个良好的带宽分配方法能带来良好的效能，因为它能利用所有的可用带宽却能避免拥塞，而且它对整个竞争的传输实体是公平的，并能快速跟踪流量需求的变化。

由此可见，理想的带宽分配算法必须满足以下三个条件：

网络的利用效率最大化为整个传输实体有效分配带宽应该利用所有可用的网络容量。假设存在一条100 Mbit/s的链路．有5个传输实体共同使用这条链路，理论上每个实体获得20 Mbit/s，但实际上，要想获得良好的性能，它们获得的带宽应该小于20 Mbit/s。原因是流量通常呈现突发性。

右图描述了随着负载的增加，网络吞吐量的变化情况，以及随着负载的增加，网络延时的变化情况。由右图可以看出，实际吞吐量和延时的最佳平衡点在拥塞开始出现时，也即延时开始迅速攀升的那一个点，而这个点恰好低于网络容量。为了标识它，Kleinrock提出了功率的度量，即功率=负载/延时。功率最初将随着负载的上升而上升，延时仍然很小并且基本保持不变；但随着延时快速增长，功率将达到最大。然后开始下降。达到最大功率时，也就是实际吞吐量和延时到达最佳平衡点。

多个传输实体在带宽竞争中的公平性公平性涉及在多个传输实体之间划分带宽的问题。通常情况下，网络无法为每个数据流或连接执行严格的带宽预留，而是让众多连接去竞争可用带宽，或将网络合并在一起共同分配带宽。例如，IETF的区分服务就将流量分成两类，每个类中的连接竞争带宽的使用。IP路由器通常让所有的连接竞争相同的带宽。在这种情况下，正是拥塞控制机制来为竞争的各个连接分配带宽。

公平的带宽分配一般采用由Jaffe提出的最大一最小公平策略(max—min fairness)，它的思想是：如果分配给一个数据流的带宽在不减少分配给另一个数据流带宽的前提下无法得到进一步增长，那么就不给这个数据流更多的带宽。也就是说，不能在损害其他数据流带宽的前提下增加一个数据流的带宽。

最大最小公平算法思想是：所有的数据流从速率零开始，然后缓慢增加速率。当任何一个数据流的速率遇到瓶颈，就停止该数据流的速率增加；所有其他的数据流继续增加各自的速率，平等共享可用容量，直到它们也达到各自的瓶颈。

最大最小公平策略可以防止任何数据流被“饿死”，同时在一定程度上尽可能增加每个数据流的速率。因此，最大一最小公平被认为是一种很好权衡有效性和公平性的自由分配策略。

在保证上述两个条件下算法能快速收敛最后一个条件是拥塞控制算法能否快速收敛到公平而有效的带宽分配上。实际网络中的连接是动态增加和减少的，而且一个给定连接所需要的带宽也会随时间而变化，例如，一个用户在浏览网贞的过程中可能偶尔也会下载大的视频。

由于需求的变化，网络的最佳平衡点也随着时间推移而改变着。一个良好的拥塞控制算法，应能快速收敛到最佳平衡点，并跟踪随时变化的操作点。如果收敛速度太慢，则算法永远无法接近已经改变的平衡点；如果算法不稳定，它也可能在某些情况下无法收敛到正确的平衡点，或者甚至围绕着正确的平衡点振荡。4