信元自适应丢弃的ATM交换网络拥塞控制方法研究

摘 要：本文对ATM交换网络中的拥塞控制问题进行了研究，运用自适应控制理论技术，提出了一种新的拥塞控制算法，给出了数学分析模型，并通过计算机仿真分析。实验结果说明了本文中的方法的有效性。

关键词：信元； 自适应；ATM；拥塞控制

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1681-1070(2005)03-33-04

1 引言

随着计算机网络和通信技术的飞速发展，异步传输模式——ATM(Asynchronous Transfer Mode)技术显示出其无比的优越性，其结构、规模灵活，并具有很强的处理能力，是被公认的快速分组交换的主要技术，是宽带综合业务数字网(B-ISDN)的基础，并为多媒体通信提供了一种更有效的交换方式。

尽管ATM比传统的分组交换等网络提供了比较好的拥塞控制方法，但是，和其他任何分组交换网络一样，ATM网络也是利用有限资源设计的，如有限的缓冲器资源。因此拥塞问题对于ATM网络也是一个不可完全避免的问题。

作为ATM交换网络的核心——ATM交换机，当感觉到拥塞要到来的时候，会主动地采取一些方法，来避免或是减轻拥塞，主要方法是对正在或将要交换的信元采取一定的取舍。而围绕信元的智能丢弃问题，已经有很多学者进行了大量的不同算法的研究工作。 在文献[1]中，提出了一种尾部分组丢弃的算法(TPD)，原理是当一台ATM交换机感觉要发生拥塞时，它就开始丢弃做过标记(CLP=1)的信元。这种方法在信元丢弃的灵活性上表现很差，丢失时没有根据实际情况进行衡量和选择。在文献[2]中给出了一种早期分组丢弃的算法(EPD)，原理是用阈值度量来提出一个占有率因子，一旦达到这个因子，就预先丢弃一些整个的分组。这种方法的主要问题是，有时达到阈值，并不一定发生拥塞，而且对于整个丢弃的分组的选择也不灵活。在本文中，我们给出了一种自适应控制的信元丢弃拥塞控制方案，该方案用缓冲区的占有状态的程度不同，来触发不同的控制算法参数，并参考信元分组的交换情况等因素，来决定对信元的选择和丢弃，以达到最佳的拥塞控制效果。

2 自适应信元分组丢弃技术(APD)

假设ATM交换机解决拥塞的方法是信元丢弃，而且，在一个分组中，一旦有一个信元被丢弃，则该分组必须被重发，这里不考虑某些分组对部分信元丢失的不敏感性。

2．1 方案描述

自适应信元分组丢弃技术的关键是将信元丢弃控制器与动态的输出缓冲器的状态联系起来，我们将自适应控制理论引入到信元丢弃技术之中，采用了一种基于缓冲区驱动的信元自适应分组丢弃方案。 该方案的主要思想是，监控输出缓冲区的动态，在保证输出缓冲区不溢出的情况下，根据输出缓冲区的动态变化和状态，来动态调整信元的丢弃策略。

该系统的结构如图1所示。图中的ATM交换机的自适应信元分组丢弃模块主要由三个模块组成：

(1)输出信元调度和缓冲器监视模块

监视输出缓冲器的动态变化和状态，以及各个目的VC／VP的信元分组的输出状况等。

(2)自适应控制器模块

根据输出信元调度和缓冲器提供的参数，以及输入信元调度监视器提供的输入信元的信息，得出输入信元调度器所需的参数。

(3)输入信元调度器和监视器模块

实现输入信元的调度和丢弃控制，并向自适应控制器提供参数。

2．2 数学建模分析

假设N为输出缓冲区中的交换往不同目的VP／VC的信元分组数，在t寸刻，交换往不同目的VP／VC的信元分组进入输出缓冲区的信元数为Ai(t)，从输出缓冲区流出的指向该目的VP／VC的信元分组的信元数量为Bi(t)(0≤i≤N)。设缓冲区在初始时刻，指向各不同VP／VC的信元分组在缓冲区中的数量为Ci(t)。

那么：

我们的任务就是设计一个算法和一些参数，使N维向量F={f1，f2……fN}中，“的值的分布尽量集中在已交换的信元数量较少的信元分组(该分组的CLP=1，CLP=0的分组的fi=0)上，这样为了缓解拥塞丢弃重发时，系统的平均时延可以减少到最小，同时要满足输出缓冲的溢出条件，见公式(4)。

据输出缓冲区监视器和输出信元调度监视器的输出，可以获得Di(t)，C(t)，ΔC(t)等数据；根据输入信元调度器可以获得调整参数马。在即将发生拥塞的时刻t，自适应控制器根据采集的这些参数，计算出相应的信元分组丢弃指数送给输入信元调度控制器，通过对某些信元分组的丢弃来缓和拥塞，并缩短信元传输的平均时延。该系统中的自适应控制器，我们是通过采用的比例积分PI[3]控制器来实现的：

其中：Cref m是输出缓冲区的m级参考量，也即是输出缓冲区的阈值，本系统中设有μ级阈值(0≤m≤μ)，在不同的阈值处，触发相应的参数控制算法。K1m为对应于第m级阈值的差量比例系数，K2m为对应于第m级阈值的变化量的比例系数，Kdmi为对应于第m级阈值、信元目的VP／VC序号为i的信元分组已交换的信元数量的比例系数，Kmi为输入信元调度器的对应于第m级阈值、信元目的VP／VC序号为i的信元分组的调节参数。

此处假定在交换过程中相同目的VP／VC的信元为同一分组，即是指当一组信元的头信元交换成功后，其后的所有交换往该目的VP／VC的信元认为属于同一组。

2．3 参数计算

设在输出缓冲区的阈值为m级时，丢弃的阈值为fref，其中缓冲区的阈值由自适应控制器优化选择，信元目的VP／VC序号为i的信元分组的长度为Li。

信元的重发率CR：

3 计算机仿真

我们设信元分组的长度为随机分布，交换时延y=1，传输时延x=1；输出缓冲区的阈值设为两级：80％，90％。用Matlab软件进行系统的性能仿真分析，并与以前的尾部分组丢弃的算法(TPD)结果进行比较。输人数据采取不定长分组的仿真数据，并逐渐加大数据的流量，直到有拥塞产生，分析中，假设无拥塞产生和产生拥塞两种情况下，交换的数据量的差异描述成曲线图，来比较两种方法数据的重发量和时延的变化情况(在仿真中，未考虑交换时信元的调度问题，并将反馈部分的时延对系统的影响忽略)。如图2和图3。

图2和图3的曲线是经过平滑修正的。

根据图2和图3，当刚开始或是即将产生拥塞如果接着没有拥塞产生，尾部分组丢弃方法就不会采取任何对信元的丢弃动作，但是我们的自适应信元分组丢弃方法，却由于缓冲区的占有量超过了一个低级的阈值而触发了反馈部分，并实现信元丢弃动作，鲜有重发产生。但是如果拥塞产生，我们的算法与尾部分组丢弃方法的随机无选择的信元丢弃方法相比，由于算法的改进和优化，控制拥塞的效果会有明显改进。

当拥塞发生日寸，自适应信元分组丢弃方法比原来的尾部分组丢弃有比较好的效果，能够在有效地缓解ATM交换机拥塞的基础上尽量减少信元重发和信元平均时延。

4 结束语

ATM技术是面向未来的技术，很多人认为它是未来宽带的基础，当然对这个论点也有争论，但是随着大家研究的深入，ATM的技术会得到发展，并且也会越来越完善，同时作为ATM技术的一个重要方面，ATM的拥塞预防和控制也将会不断进步和取得新的成绩。在本文中我们尝试使用控制理论和控制方法解决ATM网络的拥塞控制，建立了相应的数学模型，并给出—厂仿真实验结果，结果证明此方法对于缓解拥塞是可行的，它提高了信元发送效率，减少了时延的影响。