[科普中国]-业务量控制

ATM是未来高速网络所采用的信息转移模式，以固定长度的信元传递信息，因而减少了延迟方差，适合于传递语言、数据和视频等综合业务。在ATM网中设备业务量的控制功能如同公路交通网中的车流量控制一样，是维持网络正常运行所必须而又非常重要的功能。因为现有网络的资源是有限的(如信道的容量、节点缓冲器的容量等)，所能支持的连接和业务量也是有限的，当网络中的连接数目和业务流量超过它所能支撑的限度时，网络的服务质量就会下降，如使时延增加和丢失增加等等。设置业务量控制的目的就是为在有限的网络资源下，尽可能合理地对用户所使用的网络资源加以控制，以在网络工作超负荷时采取特定的解救措施，最大限度地接入尽可能多的用户，并能提供有保证的或者可被用户接受的服务质量。

ATM网络的业务量控制方法不同于传统的电路交换的网路。在传统的电路交换网络的控制方法中，由于速率固定，所以呼叫接入比较简单，只要在主叫与被叫之间选到一条路由，呼叫就能接通，并且该连接不会受网络中其它用户的影响。但在ATM网络中，这种简单的呼叫接纳机制就完全不适用了。因为ATM网络中的信元是采用统计复用的方法共享资源的，各个连接没有固定速率的专用信道，且各连接之间的信道带宽也存在着相互制约的关系。更为重要的是，ATM网中的业务是高度突发的，速率变化很大，若只采用简单的呼叫接续方法，既不能保证正在建立呼叫连接的服务质量，也不能保证已经建立连接的服务质量。

同样，对于传统的分组交换网中的业务量控制方法来说，也不能照搬到ATM网络之中。这是因为:第一，分组网简单的窗口控制方法，不能很好地反映ATM网中多种宽带业务的突发模型;第二，分组网单纯的反应式的拥塞控制方法对于高速的ATM网络来说也不会奏效。因此需要探索新的ATM网络业务量的控制方法，本文即对ATM网络一些基本的业务量的控制方法进行探讨2。

CAC，又称允许接入控制或呼叫受理控制。它在ATM网中对缓解或消除网内拥塞起着关键作用。CCITT对CAC作了如下定义：CAC是网络在呼叫建立时所采取的一系列行动，以确定这次呼叫是受理或拒绝。要完成一次连接，首先要由用户与网络协商，用户呼叫时，除送出被叫的地址外，还应送出所要发送的各种参数，如峰值速度、平均速率、最大突发时长、服务质量(如信元丢失率、延迟等)，网络根据用户的地址和路由表找出一条从发端到收端的“最佳”路由，计算网络资源量(能提供的带宽并检查此带宽是否能满足用户要求)能否确保通信质量，如果可能，就作出允许接入的判断。如果不能满足，网络应与用户协商修改参数或服务质量指标，如果用户不接受，则拒绝这次连接(呼叫)。CAC的工作概况如图1所示3。

CAC的受理逻辑大致可分为两种：

计测通过VP的信元数，作为VC的受理判断的原始依据；

不采用业务量计测，而是以用户申报的业务量描述符为基础作出受理判断。

第一种适用于数据通信等业务，在连接建立时，申报业务量有困难的业务。第二种适用于节点系统。例如可采用从用户申报的业务量特性，通过在线评价交换节占内信元丢失率等来判断可否受理，或采用事先通过脱线评价各业务量特性同时可设定的连接数，交换节点将连接数(N)和实际设定的连接数(X)作比较，若N>X，就可以受理。

通过CAC受理的业务量(信元)入网后，网络要对流入的业务量进行监视和控制，如有违反协议，即超过用户申报的业务量流入，就在该时刻将违反的信元丢弃或打上标记，再视网络内节点负载状况加以处理。

UPC方法主要有漏桶法(LB)，此外还有窗口法流量控制，如T-X、DB。漏桶法(LB)由排队缓存器和令牌存储器构成，如图2所示。其控制机理是输入的业务量首先进入排队缓存器，获得一个令牌后才能输出并进入网路。令牌发生器通常按一固定的速率R周期性地产生令牌，生成的令牌进入令牌存储器，当令牌存储器被占满时，令牌发生器就会停止产生令牌，直到令牌发生器再次出现空位为止。如果输入排队存储器已满，此时到达的信元就会被丢失或被打上标记进入网络，当沿其虚通道的各节点负载较轻时，这些带有标记的信元就能顺利地到达目的节点。如果这些节点发生了拥塞，网络将首先丢弃这些带有标记的信元以缓解网络的拥塞状态。这种方法的优点是能保证入网的平均速率不超过协议规定值，又允许一定的突破值，且结构简单，利于实现。其缺点是对符合用户呼叫建立协议的入网业务，有时会将部分信元误判断为“违法”而将其丢掉或打上标记。

漏桶性能与参数D(D为输入业务到达时，相邻信元时间间隔的平均值与令牌产生时间间隔比值的倒数)、C(C为输出相邻信元时间间隔的归一化方差系数)、W(平均等待时间)、B(排队缓存器容量)、LR(误判率)等密切相关。图3、4、5表示话音、数据、图象随B改变的漏桶性能。

由此(3～5)图可见，随着B的减少，W减小但LR增大，说明LR与W对参数B存在一折衷的关系，其折衷程度对漏桶参数的选择有一定的制约作用。比较图3、4、5可看出，当取相同的D、M、B值时，话音业务的误判率和平均时间比数据、图象大得多。若增大R(即减少D)，可使LR和W都减小但会使实际违反呼叫建立协议的业务流量难以控制，所以必须合理地选择D值。

另外，当B=10时，参数M对话音、数据、图象业务漏桶性能的影响示于

表2、表3中。

T-X法是对某一个已确定的相位周期T区间的信元数计数。DB法是按时间顺序记忆信元到达信息，对某时间T前的信元进行计数。T-X与DB的电路相同，只用计数器。因为T-X是对未确定的相位计数，当超过规定值的业务量流入时，存在未被发觉的概率。此概率是随T的增加而减小。DB法虽可在整个相位时间T内都能保证最大的信元数x，但存储器必须按时间顺序存入信元到达的信息，当长周期存储时，就会增大硬件量。

网络受理了业务后，由于突发性的业务量重叠，可能瞬时不能满足用户所要求的通信服务质量(QOS)，为了抑制这种现象发生，在信元传输时要对不同质量要求的业务进行优先处理等控制，以提高网络资源的有效利用率，实现满足信元迟延和信元丢失等条件各异的多媒体服务。

图6表示用输出线路缓存器实现优先控制的硬件构成方法。它是按质量等级设置独立的FIFO(先进先出)缓存器，把进来的信元分配给相应等级的缓存器，通过控制由这些缓存器向出线读出的顺序，使各种质量等级中的信元丢失率和信元延迟时间得到保障。输出线路的带宽分配比率由各种质量等级的业务量决定，可按业务量观测值进行控制。

当信元丢失率超过一定值(即超过质量保证值，10^-5～10^-6)，就会降低网络的吞吐量，使服务质量下降，因此将信元丢失量超过10-5～10-6时，定义为拥塞状态。为了满足质量要求和抑制拥塞，网络就必须进行拥塞控制。拥塞控制可分两类：一是预防性控制，是在拥塞产生之前采取的控制方法。二是反应式控制(拥塞恢复控制)，是当发生拥塞时如何迅速解除的控制方法。

拥塞控制方框图示于图7。它由拥塞检测、拥塞通知、信元速率控制、控制解除等构。

控制信元速率的方式如图8所示。方式1是将最小信元间隔Ts控制为T′s，是一种控制峰值信元速率的方式。方式2是控制规定时间T内的最大信元数N的方式。

这两种方式的控制效果如图9所示。当VP速率为150Mbit/s，VC峰值速率为6Mbit/s、信元丢失规定质量为10-6、VC复用数为100时，采用方式1只需75%的控制，而方式2(N=4)却需要87%的控制，如图中虚线所示。显然方式1的控制效果较好。但实际上在考虑信元速率控制方法时，不仅要考虑拥塞恢复效果还要考虑对终端的影响及业务量特性等。因为方式2是控制规定时间T内的信元数N，而N的大小对控制效率的影响不明显，因此可将N作为上位层协议中规定的最大帐长可送出的值，把规定时间T作为实现网内拥塞恢复所需的时间，终端只要控制帧的送出间隔就可实现网络要求的信元速率控制，因此如要实现由终端控制，则应采用方式2。从业务量特性考虑，如数据通信方式中既有大容量文卷传输那样的长时间连续不断传输信息的形式，又有对话型那样的短信息组用长时间间隔传送的方式，当这两种方式混合在一起发生拥塞时，主要原因显然是因大容量传输的呼叫增加。采用方式2就可通过选择一次可送出短信息组N使其质量不恶化。

拥塞检测在严重拥塞状态尤为重要，为了迅速启动拥塞恢复控制，要求检测的时间要短(ms～s)。反之，如果检测太敏感就会频频发生不必要的拥塞控制，影响网络的正常工作。拥塞检测的参数如表4所示。拥塞检测的方式，常用的有根据信元丢失率检测的方式。它可分为随时间推移进行检测的移动方式和每次重新检测的突发方式两种。

方式拥塞通知方式有明显性正向拥塞指示EFCI和后向拥塞通知方式(BCN)。EFCI方式存在需要通知发送端和发送端交换机两个信号，而且通知需要的时间长等问题一般不采用。常用的是BCN方式，它是由拥塞交换机向发送交换机和接收终端的ATM基站发出拥塞通知。采用BCN执行通知的顺序如图10所示。

信元拥塞控制的解除，目前仍然是一个遗留的问题。如何选择适当的解除信元拥塞的时间是至关重要的，如果拥塞已经结束而拥塞控制仍在继续执行，就会降低网络的使用效率，但如果拥塞尚未结束而拥塞控制已经解除，会使拥塞再度发生。以往采用的信元拥塞控制的解除方式中，滞后型拥塞解除检测是有效的。它是设定信元丢失质量规定值而不是设定信元丢失率，不是直接用信元速率控制中所观测的值，而是观测信元到达的过程，通过解除速率的控制并确定能满足信元丢失规定值的方式来检测是否要解除拥塞。这种方式的缺点是不能一次解除而需阶段地逐步解除。