專利名稱：分組網(wǎng)絡(luò)中的公平流控制方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域總的來說本發(fā)明涉及分組交換網(wǎng)，具體地說，涉及一種公平流(fair flow)控制方法。
2.相關(guān)技術(shù)分組交換網(wǎng)包括ATM(異步傳輸模式)網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)。公平流控制對(duì)通過分組交換網(wǎng)進(jìn)行的信息傳輸有著重要作用。特別是ATM網(wǎng)絡(luò)的公平流控制跟ABR(可用比特率)業(yè)務(wù)有關(guān)。
異步傳輸模式層提供以下4種業(yè)務(wù)CBR(恒定比特率)、VBR(可變比特率)、UBR(未指定比特率)和ABR。在ABR業(yè)務(wù)傳輸數(shù)據(jù)的過程中，源在可用帶寬的范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)地改變它的比特率，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀況的變化。ABR業(yè)務(wù)被引入ATM網(wǎng)絡(luò)的目的是支持VBR這樣的有保證的帶寬業(yè)務(wù)不能有效地支持的數(shù)據(jù)應(yīng)用。欲知詳情，請(qǐng)參考S.Sathaye的ATM論壇通信管理規(guī)范，第4卷，1996年2月，F(xiàn).Bonomi和K.W.Fendick的“用于可用比特率ATM業(yè)務(wù)的基于速率的流控制幀網(wǎng)絡(luò)”，IEEE網(wǎng)絡(luò)，第9卷，第二期，第25～39頁，1995年，以及R.Jain“ATM網(wǎng)絡(luò)中的擁擠控制和通信管理最新進(jìn)展和調(diào)查”，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和ISDN系統(tǒng)，第28卷，第13期，第1723～1738頁，1996。
多數(shù)數(shù)據(jù)應(yīng)用都是高度突發(fā)性的，很難預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)量。為了成功地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)必須按照特定的條件來工作，滿足預(yù)先規(guī)定的信元損失要求、時(shí)變?nèi)莶钜蠛托旁舆t要求。由于這些特性，網(wǎng)絡(luò)不得不按照網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷狀態(tài)改變它們的數(shù)據(jù)傳輸速率。這樣就引入了彈性通信量業(yè)務(wù)的概念，其中數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾适前凑站W(wǎng)絡(luò)的可用帶寬來調(diào)整的。彈性通信量業(yè)務(wù)的一個(gè)代表性實(shí)例就是ATM網(wǎng)絡(luò)中的ABR業(yè)務(wù)。
從原理上講，ABR不需要在源和交換機(jī)那里分別具有復(fù)雜的通信表征和呼叫允許控制。由于它是這樣地簡(jiǎn)單，因此人們預(yù)期ABR業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)和部署會(huì)比帶寬有保障的業(yè)務(wù)，也就是CBR或者VBR業(yè)務(wù)，要容易得多。而實(shí)際上，采用具有ABR能力的交換機(jī)看起來比原來預(yù)期的要困難得多。困難主要是如何設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)單、可伸縮和穩(wěn)定的ABR流算法，更具體地說，也就是在異步和分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的ER(顯式速率)分配算法。
ATM論壇已經(jīng)選擇了一種基于速率的閉環(huán)方法進(jìn)行ABR流控制。這種基于速率的閉環(huán)控制方法，就像它的名字一樣，采用來自網(wǎng)絡(luò)的反饋信息控制數(shù)據(jù)速率，每個(gè)源都可以按照這一數(shù)據(jù)速率將多個(gè)信元傳輸給網(wǎng)絡(luò)。這些反饋信息通過一個(gè)叫做資源管理(RM)信元的特殊的控制信元傳遞給源。交換機(jī)有3種方式將它的擁擠狀態(tài)(congestion status)寫入RM信元顯式正向擁擠說明(EFCI)標(biāo)記、相對(duì)速率(RR)標(biāo)記和ER標(biāo)記，交換機(jī)中至少需要采用其中的一種來進(jìn)行基于速率的流控制。
與此同時(shí)，又長(zhǎng)又變化多樣的閉環(huán)往返延遲(RTD)和ABR VC(虛電路)中分布的瓶頸位置使得高性能ER分配算法的設(shè)計(jì)非常困難。當(dāng)ABR源的傳輸速率是在不同時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的基礎(chǔ)之上確定的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)中的ABR隊(duì)列很難穩(wěn)定。具體地說，如果只采用一種二進(jìn)制的反饋機(jī)制(或者是EFCI或者是RR標(biāo)記，或者是這兩者)，處于穩(wěn)態(tài)的ABR隊(duì)列會(huì)不可避免地出現(xiàn)持久的振蕩，其幅度和周期是延遲帶寬積的增函數(shù)。欲知詳情，請(qǐng)參考E.Hernandez-Valencia等等的“ATM ABR業(yè)務(wù)的速率控制算法”，歐洲通信雜志，第八卷，第一期，第7～20頁，1997；F.Bonomi、D.Mitra和J.B.Serry的“高速?gòu)V域ATM網(wǎng)絡(luò)中基于反饋的流控制自適應(yīng)算法”，IEEE J.Select.Areas on Communications，第13卷，第7期，第1267～1283頁，1995；以及K.K.Ratmarkrishnan和Jain的“具有無連接網(wǎng)絡(luò)層的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中避免擁擠的一種二進(jìn)制反饋方法”，Proc.ACMSIGCOMM’88，303～313，1988。
ABR隊(duì)列的這種振蕩現(xiàn)象會(huì)增大信元損失以及由于緩沖器周期性的上溢出和下溢出造成鏈路不能得到充分利用的可能性。已經(jīng)引入了利用ER標(biāo)記的ABR流控制方案來實(shí)現(xiàn)ABR隊(duì)列的漸近穩(wěn)定性，從而克服二進(jìn)制反饋機(jī)制的缺點(diǎn)。還有，設(shè)計(jì)一種漸近穩(wěn)定的ER分配方法，特別是用一種簡(jiǎn)單的形式，是非常困難的。這個(gè)問題自然是具有延遲的反饋控制問題。
L. Benmohanmed和S.M.Meerkov將基于速率的流控制問題看作具有延遲的離散時(shí)間反饋控制問題，導(dǎo)出了一種ER分配算法，它具有漸近穩(wěn)定性，并允許對(duì)閉環(huán)性能進(jìn)行任意控制。這一信息公開在1993年的IEEE ACM網(wǎng)絡(luò)雜志，第1卷，第6期，第693～708頁的“分組交換網(wǎng)中擁擠的反饋控制單個(gè)擁擠節(jié)點(diǎn)的情形”，和國(guó)際通信系統(tǒng)雜志，1997年，第十卷，第5期，第227～246頁的“分組交換網(wǎng)中的擁擠反饋控制多個(gè)擁擠節(jié)點(diǎn)的情形”上。它們的ER分配算法是r[k+1]=r[k]-Σi=DIαi(q[k-i]-qT)-Σj=0τmaxβjr[k-j]---(1)]]>其中r[k]是交換機(jī)在離散時(shí)刻k計(jì)算出來的ER，q[k]是時(shí)刻k每一類ABR隊(duì)列的長(zhǎng)度，qT是目標(biāo)隊(duì)列長(zhǎng)度，αi和βj是控制器增益，τmax是ABR VC的最大RTD，I是大于零的任意常數(shù)。
盡管它具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，但是算法(1)的實(shí)際應(yīng)用卻因?yàn)樗鼘?shí)施起來比較復(fù)雜而受到了限制。這一算法的缺點(diǎn)和局限性在以下文獻(xiàn)中進(jìn)行了描述A.Kolarov和G.Ramamurthy的“為高速ATM網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)基于速率的閉環(huán)流控制的一種控制理論方法”，IEEEINFOCOM論文集’97，第1卷，第293～301頁，1997年。在這一ER分配算法中，ER項(xiàng)應(yīng)當(dāng)維持在現(xiàn)在和過去，直到時(shí)間延遲τmax，在每個(gè)離散的時(shí)隙中都要進(jìn)行多次浮點(diǎn)乘法運(yùn)算。
與此同時(shí)，S.Chong提出了一種更加簡(jiǎn)單的控制理論ER分配算法(“高速?gòu)V域ATM網(wǎng)絡(luò)中具有動(dòng)態(tài)隊(duì)列門限，基于速率的二階流控制”，1997年預(yù)印刷)。A.Elwalid(“高速?gòu)V域網(wǎng)中基于速率的自適應(yīng)擁擠控制分析”，IEEE ICC論文集’95，第1948～1953頁，1995年)提出了一種連續(xù)時(shí)間ER分配算法，它由下式給出r.(t)=-Ar(t)-B(q(t)-qT),A,B>0---(2),]]>并在所有VC的RTD都相同的時(shí)候?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)漸近穩(wěn)定獲得了充分必要條件。Chong將這一方法的穩(wěn)定性分析擴(kuò)展到了具有任意RTD的一般情形。
與此同時(shí)，S.Chong，R.Nagarajan和Y.T.Wang證明了一種更加簡(jiǎn)單的ER分配算法(“設(shè)計(jì)具有速率反饋和開環(huán)控制的穩(wěn)定的ABR流控制一階控制情形”，性能評(píng)估，第34卷，第4期)能夠很容易地實(shí)現(xiàn)漸近穩(wěn)定系統(tǒng)，可以將它表示為r(t)＝[-K(q(t)-qT)]+，K＞0(3)其中[x]+＝max[x，0]，表示應(yīng)該選擇x和0中較大的那一個(gè)。
這一ER分配算法(3)于1996年1月26日被作為第5864538號(hào)美國(guó)專利公開，它的標(biāo)題是“ATM網(wǎng)絡(luò)中具有自適應(yīng)隊(duì)列門限，基于速率的一階流控制”。
在這個(gè)算法(2)中，導(dǎo)出了兩個(gè)另外的穩(wěn)定條件。它們中間的一個(gè)是一般的非均勻RTD的充分條件，另一個(gè)是均勻RTD這種特定情形下的充分必要條件。
跟算法(1)比較，算法(2)和(3)的共同缺點(diǎn)是，除非按照ABR通信可以使用的帶寬的瞬時(shí)信息以及遠(yuǎn)處的瓶頸VC使用的可用帶寬所占的比例，正確地選擇控制器增益和隊(duì)列長(zhǎng)度門限，否則這個(gè)ABR隊(duì)列長(zhǎng)度就會(huì)收斂成0，而這是不需要的，因?yàn)樵谶@個(gè)平衡點(diǎn)上，這條鏈路不能得到充分利用。
如果VC的傳輸速率不會(huì)受到它們的PCR(峰值信元速率)的限制，遠(yuǎn)處的瓶頸VC就不能公平地使用這一鏈路，因?yàn)槠款i現(xiàn)象出現(xiàn)在另外一條鏈路上。相反，如果采用算法(1)，就根本不存在這種不需要的平衡點(diǎn)。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種方法，用于保證鏈路使用率最大和信元損失最小，而不管ABR環(huán)路中的RTD如何。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種方法，通過保證ABR隊(duì)列的漸進(jìn)穩(wěn)定，最大程度地減少對(duì)ABR隊(duì)列長(zhǎng)度的要求。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種方法，在ATM論壇標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)之上，通過保證讓每個(gè)ABR業(yè)務(wù)用戶公平地共享可用帶寬，保證MAX-MIN公平性。
本發(fā)明還有一個(gè)目的，那就是提供一種方法，用于提高對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化，比如ABR用戶個(gè)數(shù)和ABR帶寬的變化，的響應(yīng)性和瞬態(tài)控制性能。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一種方法，用于提供ATM論壇通信管理規(guī)范中規(guī)定的所有功能，包括EFCI、RR和ER標(biāo)記。
本發(fā)明還有一個(gè)目的，那就是提供一種方法，用于實(shí)現(xiàn)很高的使用率，很低的信元損失，以及存在漸近穩(wěn)定工作點(diǎn)的時(shí)候的MAX-MIN公平速率分配。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種方法，用于提高在多個(gè)時(shí)間尺度上對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷變化的響應(yīng)性，也就是說，在VBR和ABR VC信元級(jí)的速率變化以及VBR和ABR VC的信元級(jí)到達(dá)和離開時(shí)間的尺度上的響應(yīng)性。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一種方法，用于最大限度地減少計(jì)算ABR業(yè)務(wù)算法所需要的運(yùn)算次數(shù)，并通過實(shí)際上去掉每個(gè)VC的運(yùn)行，包括每個(gè)VC隊(duì)列、每個(gè)VC計(jì)數(shù)和每個(gè)VC表訪問，降低復(fù)雜性。
本發(fā)明的以上目的可以通過在分組交換網(wǎng)中提供一種公平的流控制方法來實(shí)現(xiàn)。分組交換網(wǎng)包括多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都跟多個(gè)發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的源連接，還包括一個(gè)跟當(dāng)前隊(duì)列長(zhǎng)度和目標(biāo)隊(duì)列長(zhǎng)度有關(guān)的數(shù)據(jù)隊(duì)列，用于儲(chǔ)存來自這些源的數(shù)據(jù)。在這種公平流控制方法中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都利用要為相應(yīng)源保證的ER和MCR，估計(jì)本地的瓶頸VC的個(gè)數(shù)。這個(gè)節(jié)點(diǎn)在這個(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前隊(duì)列長(zhǎng)度和目標(biāo)隊(duì)列長(zhǎng)度的差別，以及估計(jì)出來的本地瓶頸VC的個(gè)數(shù)的基礎(chǔ)之上分配ER給每個(gè)源，然后通過一個(gè)反饋信號(hào)將這個(gè)ER傳遞給每個(gè)源。
附圖簡(jiǎn)述通過以下詳細(xì)說明，同時(shí)參考附圖，本發(fā)明的以上目的、特征和優(yōu)點(diǎn)以及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得顯而易見。在這些附圖中

圖1說明提供ABR業(yè)務(wù)的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；圖2說明一個(gè)RM信元中的字段；圖3說明具有跟I/O卡連接的I/O口的一種ABR業(yè)務(wù)交換機(jī)結(jié)構(gòu)；圖4是圖3所示I/O卡的詳細(xì)框圖；圖5是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中ABR業(yè)務(wù)引擎的框圖；圖6說明感興趣的節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)模型；圖7說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中關(guān)于U和V的一個(gè)穩(wěn)定區(qū)域；
圖8說明作為U和V的函數(shù)的漸近衰減率α；圖9說明ER標(biāo)記和RR標(biāo)記的隊(duì)列長(zhǎng)度門限；圖10說明一種對(duì)等結(jié)構(gòu)；和圖11A～11D說明只有ER標(biāo)記而沒有任何VBR背景通信的對(duì)等結(jié)構(gòu)中的仿真結(jié)果，其中圖11A說明VC的源傳輸速率ai(t)，其中PCR＝150Mbps；圖11B說明PCR＝25Mbps的VC的源傳輸速率ai(t)；圖11C說明交換機(jī)SW1的隊(duì)列長(zhǎng)度；圖11D說明交換機(jī)SW1那里本地瓶頸VC的估計(jì)數(shù)|Q|avg(t)；圖12A～12D說明具有ER標(biāo)記和VBR背景通信的對(duì)等結(jié)構(gòu)中的仿真結(jié)果，其中圖12A說明PCR＝150Mbps的VC的源傳輸速率ai(t)；圖12B說明PCR＝25Mbps的VC的源傳輸速率ai(t)；圖12C說明交換機(jī)SW1那里的隊(duì)列長(zhǎng)度；圖12D說明交換機(jī)SW1那里本地瓶頸VC的估計(jì)數(shù)|Q|avg(t)；圖13說明一種停車場(chǎng)結(jié)構(gòu)；圖14A～14F說明只有ER標(biāo)記沒有任何VBR背景通信的停車場(chǎng)結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果，其中圖14A說明PCR＝150Mbps的VC的源傳輸速率ai(t)；其中圖14B說明PCR＝25Mbps的VCR的源傳輸速率ai(t)；圖14C說明交換機(jī)SW3那里的隊(duì)列長(zhǎng)度；圖14D說明交換機(jī)SW4那里的隊(duì)列長(zhǎng)度；圖14E說明交換機(jī)SW3那里本地瓶頸VC的估計(jì)數(shù)|Q|avg(t)；圖14F說明交換機(jī)SW4那里本地瓶頸VC的估計(jì)數(shù)|Q|avg(t)；圖15A～15F說明具有ER標(biāo)記和VBR背景通信的停車場(chǎng)結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果，其中圖15A說明PCR＝150Mbps的VC的源傳輸速率ai(t)；圖15B說明PCR＝25Mbps的VC的源傳輸速率ai(t)；圖15C說明交換機(jī)SW3那里的隊(duì)列長(zhǎng)度；圖14D說明交換機(jī)SW4那里的隊(duì)列長(zhǎng)度；圖15E說明交換機(jī)SW3本地瓶頸VC的估計(jì)數(shù)|Q|avg(t)；圖15F說明交換機(jī)SW4那里本地瓶頸VC的估計(jì)數(shù)|Q|avg(t)；和圖16是一個(gè)流程圖，它說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，ABR業(yè)務(wù)引擎的ER分配控制操作。
優(yōu)選實(shí)施方案下面將參考附圖描述本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案。為了清楚起見，不詳細(xì)描述大家都知道的功能或者結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼈儠?huì)喧賓奪主。
圖1說明提供ABR業(yè)務(wù)的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。參考圖1，用于提供這一ABR業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)2包括多個(gè)節(jié)點(diǎn)4、6、8和10。從概念上講這些節(jié)點(diǎn)代表交換機(jī)，以后就將它們叫做交換機(jī)。每個(gè)交換機(jī)都跟多個(gè)源連接。在圖中，交換機(jī)4跟源A和C連接，這兩個(gè)源用數(shù)字12和14表示。交換機(jī)8跟源B和D連接，這兩個(gè)源用數(shù)字16和18表示。每個(gè)源通過跟這個(gè)源連接的交換機(jī)4或者8發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。從源發(fā)出的數(shù)據(jù)通過具有多個(gè)節(jié)點(diǎn)的所謂VC路徑到達(dá)目的地。例如，來自源A12的數(shù)據(jù)通過具有交換機(jī)4、6和8的一條VC路徑到達(dá)目的地源B16。
在ABR業(yè)務(wù)中，網(wǎng)絡(luò)的帶寬可用度通過叫做RM(資源管理)信元的特殊信元傳遞給源。在圖1中，RMc表示一個(gè)RM信元。雖然RM信元可以是源12、14、16和18或者交換機(jī)4、6、8和10產(chǎn)生的，但是以下描述針對(duì)的是一個(gè)源產(chǎn)生的RM信元。
源產(chǎn)生的RM信元通過交換機(jī)4、6和8經(jīng)由一條VC路徑發(fā)送給目的地。信元的這個(gè)發(fā)送方向是正向。收到正向RM信元的時(shí)候，目的地將信元(反向)返回給源。在圖1中，引用數(shù)字12和14表示源，引用數(shù)字16和18表示目的地。對(duì)于源和目的地，按照?qǐng)D示方式定義正向和反向。交換機(jī)8、6和4將它們?cè)试S的帶寬信息寫在反向RM信元中。源12或者14在收到的帶寬信息的基礎(chǔ)之上按照變化的網(wǎng)絡(luò)狀況調(diào)整它的速率。
RM信元包括這樣的信息，它們有CCR(當(dāng)前信元速率)字段、MCR(最小信元速率)字段、ER字段、NI(不增加)字段和CI(擁擠說明)，如圖2所示。在圖2中，S-R(源-接收)字段的提供跟源和目的地有關(guān)的信息。當(dāng)源產(chǎn)生RM信元的時(shí)候，CCR字段由源設(shè)置成它的當(dāng)前ACR(允許的信元速率)。MCR字段說明源產(chǎn)生RM信元的時(shí)候，分配給每個(gè)VC的最小帶寬。ER是RM信元經(jīng)過交換機(jī)的時(shí)候交換機(jī)的ABR業(yè)務(wù)引擎寫入反向源產(chǎn)生的RM信元的可用帶寬。只有在計(jì)算出來的ABR業(yè)務(wù)引擎的可用帶寬小于現(xiàn)在的可用帶寬的時(shí)候，才將前一個(gè)值寫入ER字段。這樣，VC路徑中的最小可用帶寬被傳遞給源。為了這一目的，源在產(chǎn)生RN信元的時(shí)候?qū)⑺腜CR寫入ER字段。CI告訴源，網(wǎng)絡(luò)非常擁擠，要降低源的帶寬，并用一個(gè)NI來防止源增大它的ACR。
交換機(jī)用一個(gè)交換機(jī)算法計(jì)算ABR業(yè)務(wù)的可用帶寬，并將可用帶寬信息寫入一個(gè)反向RM信元。利用這個(gè)交換機(jī)算法的目的是交換機(jī)獲得對(duì)應(yīng)于VC的可用帶寬。這個(gè)可用帶寬信息被傳遞給源，從而使源改變它的速率，可靠地提供ABR業(yè)務(wù)。
如圖3所示，一種交換機(jī)結(jié)構(gòu)20包括一些I/O口，在圖1所示的每個(gè)交換機(jī)中，每個(gè)I/O口都跟一個(gè)I/O口卡22連接。每個(gè)I/O口卡都包括一個(gè)I/O緩沖器管理單元30、一個(gè)ABR業(yè)務(wù)引擎32和一個(gè)輸出接口34，如圖4所示。這個(gè)I/O緩沖器管理單元30跟交換機(jī)20連接，負(fù)責(zé)I/O排隊(duì)。這個(gè)I/O緩沖器管理單元30包括ABR隊(duì)列36。當(dāng)一個(gè)RM信元按照本發(fā)明的實(shí)施方案通過ABR引擎32的時(shí)候，這個(gè)ABR業(yè)務(wù)引擎32為ABR業(yè)務(wù)執(zhí)行一個(gè)ABR算法和跟它相關(guān)的操作。輸出接口34被作為ATM層的用戶網(wǎng)絡(luò)接口。
圖5是圖4所示ABR業(yè)務(wù)引擎32的一個(gè)框圖。參考圖5，這個(gè)ABR業(yè)務(wù)引擎32包括一個(gè)EFCI標(biāo)記器40、一個(gè)|Q|估計(jì)單元42、一個(gè)ER引擎44、一個(gè)平均隊(duì)列計(jì)算器46和一個(gè)反向RM信元寫入器48。
在發(fā)生EFCI擁擠的時(shí)候，EFCI標(biāo)記器40在輸入的正向數(shù)據(jù)信元中標(biāo)記一個(gè)EFCI比特，說明發(fā)生了EFCI擁擠。從隊(duì)列中取出一個(gè)信元的時(shí)候產(chǎn)生一個(gè)隊(duì)列讀信號(hào)，當(dāng)新的信元進(jìn)入隊(duì)列的時(shí)候產(chǎn)生一個(gè)隊(duì)列寫信號(hào)。收到隊(duì)列寫信號(hào)的時(shí)候，平均隊(duì)列計(jì)算器46將一個(gè)隊(duì)列瞬時(shí)變量加1，收到隊(duì)列讀信號(hào)的時(shí)候，它將這個(gè)隊(duì)列變量減1，為ER計(jì)算計(jì)算出預(yù)定時(shí)間段內(nèi)的平均隊(duì)列長(zhǎng)度。平均隊(duì)列計(jì)算機(jī)46將平均隊(duì)列長(zhǎng)度 傳遞給ER引擎44。平均隊(duì)列計(jì)算器46利用這個(gè)隊(duì)列讀信號(hào)和這個(gè)隊(duì)列寫信號(hào)判斷是否出現(xiàn)了EFCI擁擠，在出現(xiàn)EFCI擁擠的時(shí)候，它將一個(gè)EFCI擁擠信號(hào)EFCI_CG輸出給EFCI標(biāo)記器40。按照本發(fā)明的實(shí)施方案，這個(gè)平均隊(duì)列計(jì)算器46還輸出一個(gè)代表“擁擠”狀態(tài)的信號(hào)CG，以及一個(gè)代表“非常擁擠”狀態(tài)的信號(hào)VCG給反向RM信元寫入器48。擁擠狀態(tài)和非常擁擠狀態(tài)是在ABR隊(duì)列預(yù)先確定的最低隊(duì)列長(zhǎng)度門限qLT和預(yù)先確定的最高隊(duì)列長(zhǎng)度門限qHT的基礎(chǔ)之上確定的。按照本發(fā)明的實(shí)施方案，信號(hào)CG和VCG被用于控制RR。
|Q|估計(jì)單元42通過從一個(gè)RM信元讀取CCR和MCR，并將CCR-MCR跟一個(gè)周期性地計(jì)算出來的ER r(t)進(jìn)行比較，估計(jì)出本地的瓶頸VC的個(gè)數(shù)。在其中計(jì)算估計(jì)值 的間隔W將在后面的“(5)離散時(shí)間ER算法和|Q|估計(jì)”中詳細(xì)描述。這個(gè) 被提供給ER引擎44。
ER引擎44通過周期性的ER計(jì)算更新ER，在反向RM信元到達(dá)的時(shí)候?qū)⒆钚碌腅Rr(t)輸出給反向RM信元寫入器48。
反向RM信元寫入器48將r(t)寫入反向RM信元的ER字段。更加具體地說，反向RM寫入器48將收到的RM信元的ER跟這個(gè)RM信元的r(t)+MCR (r(t)+mi)進(jìn)行比較，并且只有在r(t)+mi小于這個(gè)RM信元的ER的時(shí)候，才將r(t)+mi寫入這個(gè)RM信元。這個(gè)反向RM信元寫入器48按照從平均隊(duì)列計(jì)算機(jī)46收到的信號(hào)CG和VCG，將一個(gè)二進(jìn)制邏輯狀態(tài)比特寫入RM信元的NI和CI字段，用于控制RR。
圖16是一個(gè)流程圖，說明ABR業(yè)務(wù)引擎中的ER分配控制操作。
現(xiàn)在參考圖5和16，其中的|Q|估計(jì)單元42在步驟100中估計(jì)Q，ER引擎44通過在步驟102中周期性的計(jì)算更新ER。在步驟104中RM信元到達(dá)反向RM信元寫入器48的時(shí)候，ABR業(yè)務(wù)引擎32進(jìn)入步驟106；否則，返回步驟100。在步驟106中，反向RM信元寫入器48從ER引擎44讀出最新的ER r(t)，從收到的RM信元讀出MCR mi。反向RM信元寫入器48通過在步驟108中的r(t)+mi為VCi(第i個(gè)VC)計(jì)算一個(gè)ER分配值ri(t)，并在步驟110中將ri(t)寫入反向RM信元的ER字段。
本發(fā)明提出的交換機(jī)算法的目的是將AVR隊(duì)列36收斂到目標(biāo)隊(duì)列長(zhǎng)度qT上去，并且使隊(duì)列長(zhǎng)度穩(wěn)定地維持在目標(biāo)隊(duì)列長(zhǎng)度qT上，這意味著輸入的信息量等于ABR隊(duì)列36中的輸出信息量。在達(dá)到目標(biāo)隊(duì)列長(zhǎng)度qT的過程中有一個(gè)瞬態(tài)變化階段。在輸入的信息的量暫時(shí)大于輸出的信息的量的時(shí)候，ABR隊(duì)列36就過載。結(jié)果，就會(huì)發(fā)生意外的信元損失。因此，在本發(fā)明的實(shí)施方案中，采用這樣一種方法，它要考慮緩沖器的容量和ABR隊(duì)列36的隊(duì)列長(zhǎng)度變化。
為了使控制器盡可能地簡(jiǎn)單，同時(shí)消除不需要的不平衡，在本發(fā)明的實(shí)施方案中提出了一種連續(xù)時(shí)間ER分配算法r.(t)=-A|Q|q.(t)-B|Q|(q(t)-qT),A,B>0---(4)]]>
其中r(t)是ER引擎計(jì)算出來的一個(gè)ER， 是r(t)的導(dǎo)數(shù)，Q是本地瓶頸VC的集合，|Q|是Q的勢(shì)，q(t)是ABR隊(duì)列36在時(shí)刻t的長(zhǎng)度，A和B是隨著ABR隊(duì)列36的長(zhǎng)度變化的控制器增益，在本發(fā)明的實(shí)施方案中用于漸近穩(wěn)定性。
下面將指出，跟算法(2)比較，ER分配算法(4)在衰減項(xiàng)中(右邊第一項(xiàng))使用q(t)而不是r(t)。 是q(t)的導(dǎo)數(shù)，下面將參考等式(21)和(23)來介紹。
這一改變真的去掉了前面提到的閉環(huán)系統(tǒng)中不需要的不平衡；因此，ABR隊(duì)列36總是能夠收斂到目標(biāo)隊(duì)列長(zhǎng)度qT，而不管可用帶寬和遠(yuǎn)處的瓶頸VC使用的那些部分可用帶寬，這意味著在穩(wěn)態(tài)總是能夠保證使用整個(gè)可用帶寬。
提出的這個(gè)算法另外一個(gè)值得注意的特征是用本地的瓶頸VC的個(gè)數(shù)|Q|對(duì)控制器增益A和B進(jìn)行歸一化。這一歸一化使得閉環(huán)系統(tǒng)的漸近衰減率跟|Q|無關(guān)。
在基于速率的ABR流控制研究中，|Q|的估計(jì)是一個(gè)非常重要的研究課題(請(qǐng)參考M.K.Wong和F.Bonomi的“一種新的顯式速率擁擠控制算法”，it Proc.IEEE GLOBECOM’98，第四卷，第2342～2439頁，1998；L.Kalampoukas，A.Varma和K.K.Ramarkrishnan的“提供MAX-MIN公平性的ATM網(wǎng)絡(luò)中一種有效的速率分配算法”，技術(shù)報(bào)告UCSC-CRL-95-29，Santa Cruz，加利福尼亞大學(xué)計(jì)算機(jī)工程系，1995年6月；A.Charny，K.K.Ramakrishnam和A.Lauck的“ATM網(wǎng)絡(luò)中顯式速率分配的時(shí)間尺度分析和可量測(cè)性”，IEEE/ACM網(wǎng)絡(luò)雜志，第4卷，第569～581頁，1996年；以及R.Jain等等的“ERICA交換機(jī)算法完整描述”，ATM論壇/96-1172，1996)。
對(duì)|Q|進(jìn)行估計(jì)的難度在于所有|Q|估計(jì)過程的動(dòng)態(tài)特性都跟ER分配過程的那一些相耦合，也就是說，在|Q|更新以后，ER也更新，反過來也一樣，直到這個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，因此|Q|估計(jì)算法設(shè)計(jì)得不適當(dāng)會(huì)導(dǎo)致這個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定?？紤]到這一些，本發(fā)明的實(shí)施方案中關(guān)于ER分配算法提出了一種既穩(wěn)定又可伸縮的|Q|估計(jì)算法。
本發(fā)明的控制理論ER分配算法(4)按照下面描述的原理實(shí)現(xiàn)MAX-MIN公平速率分配。在等式(4)的基礎(chǔ)之上，將相同的ER(公共ER)分配給共享同一條鏈路的所有VC。這樣，這條路徑分配得到的最小ER信息通過一個(gè)RM信元傳遞給源，這個(gè)源用這個(gè)最小ER發(fā)送數(shù)據(jù)。如果不同位置的其它VC變成了瓶頸，而且源以低于交換機(jī)分配的公共ER的速率傳輸數(shù)據(jù)，這個(gè)ABR隊(duì)列36就會(huì)出現(xiàn)時(shí)間延遲，而且這一延遲會(huì)逐漸衰減。如果ABR隊(duì)列36的長(zhǎng)度小于目標(biāo)隊(duì)列長(zhǎng)度qT，交換機(jī)就增加公共ER，直到ABR隊(duì)列36達(dá)到算法(4)中的目標(biāo)隊(duì)列長(zhǎng)度qT。因此，每個(gè)本地的瓶頸VC都能得到遠(yuǎn)處瓶頸VC不使用的公平帶寬。
在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候，算法(4)可以近似為下面的離散時(shí)間算法。r[k+1]=r[k]-A|Q|(q[k]-q[k-1])-BT|Q|(q[k]-qT),A,B>0---(5)]]>其中T是離散時(shí)隙的長(zhǎng)度。算法(5)是算法(1)的特殊情形。也就是說，對(duì)于I＝1， 算法(1)就簡(jiǎn)化成了算法(5)。跟算法(1)相反，簡(jiǎn)化算法不再允許對(duì)閉環(huán)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行任意控制。而本發(fā)明人認(rèn)為能夠進(jìn)行任意控制實(shí)施起來成本太高，對(duì)于ABR流控制設(shè)計(jì)也不需要。為了證明這一點(diǎn)，下面將說明簡(jiǎn)化算法(5)事實(shí)上允許對(duì)閉環(huán)性能進(jìn)行程度可以接受的控制。
在控制理論ER分配算法(4)和(5)中，隊(duì)列長(zhǎng)度控制是一個(gè)主要問題，公平速率分配是隊(duì)列長(zhǎng)度控制的一個(gè)副產(chǎn)品。還有另外一類ER分配算法(14)～(18)，其中的公平速率分配是一個(gè)主要問題，隊(duì)列長(zhǎng)度控制，如果有的話，是輔助性的。在這種算法中，有必要讓每個(gè)交換機(jī)都跟蹤可用帶寬，遠(yuǎn)處的瓶頸VC在它們自己的瓶頸鏈路上的公平共享，以及本地瓶頸VC的個(gè)數(shù)。在這一信息的基礎(chǔ)之上，交換機(jī)必須用這種方式更新每個(gè)VC的ER分配，從而漸近地實(shí)現(xiàn)MAX-MIN公平速率分配和目標(biāo)鏈路使用率。
(1)ER速率流控制下面將為本發(fā)明的ER分配算法建立數(shù)學(xué)模型，將會(huì)看到這個(gè)ER分配算法會(huì)保證每個(gè)源需要的MCR，同時(shí)滿足MAX-MIN公平性。
圖6說明具有感興趣的節(jié)點(diǎn)的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型。在圖6中，有多個(gè)VC跟多個(gè)對(duì)應(yīng)的源相匹配，VCi 54跟源i 50和VCj 56跟源j52相匹配。引用數(shù)字36表示ABR隊(duì)列，qT是目標(biāo)隊(duì)列長(zhǎng)度，μ表示多個(gè)VC共享鏈路的可用帶寬。τif和τib分別是VCi 54的正向和反向路徑延遲，τjf和τjb分別是VCi 56的正向和方向路徑延遲，τjf和τjb的和是VCi 56的RTDτj。
在以下假設(shè)下對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行分析A.1.將通信量看成一個(gè)確定性的流體流，網(wǎng)絡(luò)排隊(duì)過程和流控制機(jī)制在時(shí)間上都是連續(xù)的。這一假設(shè)使得閉環(huán)系統(tǒng)能夠用微分方程描述。
A.2. VCi 54的RIDτi是正向路徑延遲τif和反向路徑延遲τib的和，它包括傳播、排隊(duì)、傳輸和處理時(shí)間。在這里，假設(shè)RTD是常數(shù)。
A.3.源保持不變，直到系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。術(shù)語“保持不變”指的是源總是有足夠的數(shù)據(jù)用分配的速率發(fā)送。
A.4.直到系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，VC沒有任何到達(dá)和離開的信元。
A.5.鏈路中的可用帶寬μ恒定不變，除非系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。還有，假設(shè)鏈路中的緩沖器容量是無限的。
假設(shè)αi(t)和ri(t)分別表示源i在源時(shí)刻t發(fā)送數(shù)據(jù)的速率和感興趣的節(jié)點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)時(shí)刻t計(jì)算出來的VCi的ER。還有，令βi(t)和pi(t)分別表示VCi的路徑上節(jié)點(diǎn)分配給VCi的最新的最小ER，除了感興趣的節(jié)點(diǎn)分配的那一個(gè)和VCi的PCR約束以外。
忽略線性增量和二進(jìn)制反饋基礎(chǔ)之上的指數(shù)下降操作，源的行為可以表示為αi(t)＝min[ri(t-τib)，bi(t)，pi]，_i∈N (6)其中N是路徑包括感興趣的節(jié)點(diǎn)的所有VC的集合。這個(gè)模型暗示著源i 54在反向路徑延遲τib，ri(t-τib)以前以感興趣的節(jié)點(diǎn)分配的ER中的最小值發(fā)送數(shù)據(jù)，也就是除了感興趣的節(jié)點(diǎn)上的最小ERbi(t)和VC的PCR pi。
感興趣的每一類ABR隊(duì)列36的動(dòng)態(tài)特性由下式給出 發(fā)明的實(shí)施方案的ER分配算法是一種分布式算法，它在每個(gè)交換機(jī)中在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的基礎(chǔ)之上運(yùn)行，包括隊(duì)列長(zhǎng)度q(t)、隊(duì)列長(zhǎng)度的導(dǎo)數(shù) 和本地瓶頸VC個(gè)數(shù)的估計(jì) ri(t)＝r(t)+mi，_i∈N (8)以及 其中A，B＞0，mi表示在VCi的整個(gè)壽命期間節(jié)點(diǎn)要保證的MCR。假設(shè)mi≤pi，_i∈N，有一個(gè)允許以下條件的呼叫允許控制Σj∈Nmi<μ---(10)]]>其中r(t)是每個(gè)VC ER分配的公共部分_i，r(t)，需要算法的多數(shù)計(jì)算。按照本發(fā)明的實(shí)施方案，需要的唯一的每個(gè)VC的計(jì)算是將mi加到公共的ERr(t)上去。這就是從計(jì)算復(fù)雜性來講隨著VC個(gè)數(shù)的增加這個(gè)算法可以伸縮的原因。VCi 54的每個(gè)RM信元都在往返過程中攜帶mi值。
本發(fā)明的實(shí)施方案的特征在于節(jié)點(diǎn)在后臺(tái)不斷地更新公共ER。“后臺(tái)”計(jì)算指的是周期性地計(jì)算公共ER，而不管RM信元是否到達(dá)。后臺(tái)計(jì)算的好處是預(yù)先更新的最新的公共ER，r(t)，是在對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)中RM信元到達(dá)的時(shí)候直接提供的。
已經(jīng)按照等式(9)通過后臺(tái)計(jì)算更新了公共的ER，r(t)，的節(jié)點(diǎn)從VCi 54中一個(gè)路過的RM信元的MCR字段讀出mi，通過將mi加到最新的公共ER，等式(8)中的r(t)，上去計(jì)算出要分配給VCi 54的ER ri(t)，并將ri(t)寫入RM信元的ER字段。
本發(fā)明的實(shí)施方案中ER分配算法另外一個(gè)值得注意的特征是按照本地瓶頸VC的個(gè)數(shù)估計(jì) 對(duì)控制器增益A和B進(jìn)行歸一化。這一歸一化是可選的，也就是說，不是絕對(duì)必需的，而僅僅是建議這樣做，因?yàn)樗沟瞄]環(huán)系統(tǒng)的漸近衰減率跟本地瓶頸VC的個(gè)數(shù)無關(guān)，如同“(4)主根和漸近衰減率”所描述的一樣。
遠(yuǎn)處的瓶頸VC和本地瓶頸VC這兩個(gè)術(shù)語是針對(duì)給定網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷在穩(wěn)定狀態(tài)下定義的。給定鏈路中遠(yuǎn)處的瓶頸VC被定義為在給定鏈路上因?yàn)樗鼈兊膫鬏斔俾蕿樗鼈兊腜CR所限制或者它們代表這條路線上其它鏈路的瓶頸而不能實(shí)現(xiàn)它們的公平共享的那些VC。同樣，鏈路上本地的瓶頸VC是在給定鏈路上能夠?qū)崿F(xiàn)它們的公平共享的那些VC。
令 以及 以便用數(shù)學(xué)術(shù)語定義本地瓶頸VC和遠(yuǎn)處的瓶頸VC。在這里，ais，ris和bis分別代表穩(wěn)態(tài)的ai(t)，ri(t)和bi(t)。于是，所有本地瓶頸VC的集合Q由下式給出Q＝{i|i∈N和ais＝ris} (11)所有遠(yuǎn)處的瓶頸VC的集合N-Q由下式給出N-Q＝{i|i∈N和ais＝min[bis，pi]} (12)在“(5)離散時(shí)間ER算法和|Q|估計(jì)”中，給出了一個(gè)|Q|估計(jì)算法，這個(gè)算法非常有效，不僅僅在于 迅速地收斂到|Q|，還在于 傾向于在整個(gè)瞬態(tài)期間都大于|Q|。這樣一種堅(jiān)固特性對(duì)于閉環(huán)控制的穩(wěn)定性是必須的。
(2)穩(wěn)態(tài)和公平性下面將描述采用本發(fā)明的實(shí)施方案中的ER分配算法的時(shí)候，閉環(huán)動(dòng)態(tài)特性的穩(wěn)態(tài)特性。也就是說，將給出按照本發(fā)明的實(shí)施方案的分析結(jié)果。假設(shè)閉環(huán)動(dòng)態(tài)特性有一個(gè)平衡點(diǎn)，在這個(gè)平衡點(diǎn)上系統(tǒng)變量的導(dǎo)數(shù)等于0，也就是說 和 于是利用等式(6)和(8)和(9)，可以得到ais-min[ris，bis，pi]，_i∈N (13)，ris＝rs+mi，_i∈N (14)和qs＝qT (15)其中 其它符號(hào)在前面已經(jīng)給出了定義。由于qs＝qT＞0，等式(17)變?yōu)?amp;Sigma;i∈Nαis=μ---(16)]]>通過合并等式(13)、(14)和(16)以及(11)和(12)，就得到以下等式(17)Σi∈Qrs+Σi∈Qmi+Σi∈N-Qmin[bis,pi]=μ---(17)]]>它意味著rs=μ-Σi∈N-Qmin[bis,pi]-Σi∈Qmi|Q|---(18)]]>如前所述，本發(fā)明的實(shí)施方案有以下特點(diǎn)；作為結(jié)果得到等式(19)。
對(duì)于 有一個(gè)唯一的穩(wěn)態(tài)解(平衡點(diǎn))，在這個(gè)平衡點(diǎn)上，(i)隊(duì)列長(zhǎng)度等于目標(biāo)隊(duì)列長(zhǎng)度(qs＝qT)，(ii)鏈路的可用帶寬全部得到了利用 和(iii)鏈路上每個(gè)MCR都能得到保證，這個(gè)帶寬減去MCR的和， 在MAX-MIN公平意義上被公平地共享。也就是說， 上面的特性暗示著采用本發(fā)明的實(shí)施方案的ER分配算法的時(shí)候，這個(gè)ABR閉環(huán)系統(tǒng)有一個(gè)唯一的無振蕩工作點(diǎn)，在這個(gè)點(diǎn)上，能夠保障NCR的MAX-MIN公平性得以實(shí)現(xiàn)，隊(duì)列長(zhǎng)度等于目標(biāo)值qT，而不管網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷如何。也就是說，平衡點(diǎn)跟ABR通信量的可用帶寬和包括限制了PCR的VC的遠(yuǎn)處的瓶頸VC使用的那部分可用帶寬無關(guān)。
本發(fā)明的實(shí)施方案一個(gè)值得注意的地方是其中的ER分配算法能夠得到唯一的平衡點(diǎn)，而計(jì)算卻非常簡(jiǎn)單。這個(gè)ER算法只需要q(t)和 不需要任何其它測(cè)量結(jié)果或者監(jiān)視結(jié)果。引入用于歸一化增益A和B的估計(jì) 用于使隊(duì)列長(zhǎng)度加速述收斂到目標(biāo)隊(duì)列長(zhǎng)度，而跟平衡點(diǎn)沒有任何關(guān)系。Benmohamed的算法(1)也能得到跟本發(fā)明的ER分配算法具有相同特性的一個(gè)唯一的系統(tǒng)平衡點(diǎn)，但是它要復(fù)雜得多。相反，如果采用算法(2)和(3)，這個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)就擁有一個(gè)平衡點(diǎn)，它隨著可變帶寬和遠(yuǎn)處的瓶頸VC使用的那部分可變帶寬變化，在最差的情況下會(huì)收斂到0。至于具體細(xì)節(jié)，請(qǐng)參考S.Chong，Nagarijan和Y.T.Wang的“設(shè)計(jì)具有速率反饋和開環(huán)控制的穩(wěn)定的ABR流控制一階控制情形”，性能評(píng)估，第34卷，第4期，第189～206頁，1998；S.Chong的“高速?gòu)V域ATM網(wǎng)中具有動(dòng)態(tài)隊(duì)列門限的基于速率的二階流控制”，1997預(yù)印；和A.Elwalid的“高速?gòu)V域網(wǎng)絡(luò)基于速率的自適應(yīng)擁擠控制”，IEEE ICC’95論文集，第1948～1953頁，1995。
(3)漸近穩(wěn)定性在這一部分，將描述本發(fā)明的實(shí)施方案的ER分配算法的穩(wěn)定性?？偟膩碚f，可以在多個(gè)節(jié)點(diǎn)的情形檢查等式(19)中平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性。但是，由于節(jié)點(diǎn)之間耦合的動(dòng)態(tài)特性的復(fù)雜性，這一分析會(huì)變得如此復(fù)雜，使得本發(fā)明的實(shí)施方案中根本就不考慮解決多個(gè)節(jié)點(diǎn)耦合情形下的全局穩(wěn)定性問題。只在“(6)仿真結(jié)果”中模擬這種情況。另一方面，Benmohamed和Meerkov說明在特殊的業(yè)務(wù)規(guī)程下，平衡點(diǎn)有一個(gè)鄰域，在這個(gè)鄰域中，動(dòng)態(tài)特性都被去耦(“分組交換網(wǎng)中擁擠的反饋控制多個(gè)擁擠節(jié)點(diǎn)的情形”，國(guó)際通信系統(tǒng)雜志，第10卷，第5期，第227～246頁，1997)。此外，他們通過仿真說明在這個(gè)領(lǐng)域中得到的局部穩(wěn)定性條件同樣非常適合于FCFS業(yè)務(wù)規(guī)程。根據(jù)這一結(jié)果，假設(shè)在本發(fā)明的實(shí)施方案中存在具有這種特性的鄰域R?？紤]鄰域R的一個(gè)子集，它滿足a)bi(t)＝bis，_i∈N，也就是其它節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)特性處于穩(wěn)態(tài)；b){i|i∈N和ai(t)＝ri(t-rib)}＝Q和{i|i∈N和ai(t)＝min[bis，pi]}＝N-Q，也就是說，本地的瓶頸VC以ri(t-rib)發(fā)送數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)處的瓶頸VC以min[bis，pi]發(fā)送數(shù)據(jù)；c)等式(7)和(8)的飽和非線性都沒有被激活，也就是說，q(t)和r(t)都是正的；和d)|Q|的估計(jì)過程處于穩(wěn)態(tài)，也就是說， 是常量。
在這個(gè)平衡點(diǎn)的這個(gè)鄰域中，動(dòng)態(tài)方程(6)、(7)和(8)可以簡(jiǎn)化成 q.(t)=Σi∈Nαi(t-τif)-μ---(21)]]>和r.(t)=-A|Q^|q.(t)-B|Q^|(q(t)-qT)---(22)]]>合并等式(20)和(21)，得到q.(t)=Σi∈N-Qmin[bis,pi]+Σi∈Qri(t-τi)-μ--(23)]]>將誤差函數(shù)定義成e(t)＝q(t)-qT。合并等式(22)、等式(23)的微分和等式(8)的微分，得到以下閉環(huán)等式e..(t)+A|Q^|Σi∈Qe.(t-τi)+B|Q^|Σi∈Qe(t-τi)=0---(24)]]>它是一個(gè)二階延遲微分方程。這個(gè)閉環(huán)等式的特征方程為D(s)=s2+A|Q^|Σi∈Qse-STi++B|Q^|Σi∈Qe-STi=0---(25)]]>它有無限個(gè)根。為了閉環(huán)等式(24)的這一漸近穩(wěn)定性，特征方程(25)所有的根都必須具有負(fù)的實(shí)部(見R.Bellman和K.L.Cooke的“微分差分方程”，大學(xué)出版社，紐約，1963和G.Stepan的“延遲動(dòng)態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和特征函數(shù)”，Longman科學(xué)和技術(shù)，1998)。
為了找到D(s)＝0的充分必要條件，可以采用Pontryagin判據(jù)，假設(shè)有理比的離散延遲(見R.Bellman和K.L.Cooke的“微分差分方程”，大學(xué)出版社，紐約，1963和S.J.Bhatt和C.S.Hsu的“具有時(shí)間延遲的二階動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)”，應(yīng)用力學(xué)雜志，第113～118頁，1996)。對(duì)于具有無理比的連續(xù)延遲或者離散延遲的一般情形，Stepan的判據(jù)給出了構(gòu)成充要條件的一種方式(見“延遲動(dòng)態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和特征函數(shù)”，Longman科學(xué)和技術(shù)，1989)。但是，以顯示方式構(gòu)造這樣一個(gè)條件相當(dāng)復(fù)雜，特別是對(duì)于具有大量非均勻RTD的情形。
取而代之，在所有RTD都相同的情況下，導(dǎo)出漸近穩(wěn)定性的充要條件。令τi＝τ，_i。那么，閉環(huán)方程(24)變成e..(t)+|Q||Q^|Ae.(t-τ)+|Q||Q^|Be(t-τ)=0---(26)]]>當(dāng)時(shí)間延遲τ變成1的時(shí)候，這個(gè)新的方程可以歸一化。令t＝τξ。用這個(gè)新的變量ξ，方程(26)成為e..(ξ)+Ue.(ξ-1)+Ve(ξ-1)=0---(27)]]>其中 和 方程(27)的特征方程是H(z)＝z2e2+Uz+V＝0 (28)為了找到H(z)＝0的所有根都具有負(fù)的實(shí)部的充要條件，可以采用前面提到的Pontrygin判據(jù)。
以上定理得出了下面的結(jié)果。令 和 那么，閉環(huán)方程(26)只有在以下條件下才是漸近穩(wěn)定的0<U<π2]]>0<V<ω121-(Uω1)2---(29)]]>其中ω1是U＝ωsinω在區(qū)間(0， )內(nèi)的唯一解。從等式(29)可以設(shè)置控制器增益A和B。圖7說明本發(fā)明的實(shí)施方案中關(guān)于U和V的一個(gè)穩(wěn)定區(qū)。
(4)主根和漸近衰減率在這一部分，將描述如何確定穩(wěn)定閉環(huán)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的速率。歸一化閉環(huán)等式(27)的任意解可以表示為級(jí)數(shù)e(ξ)=Σn=1∞Pn(ξ)eznξ---(30)]]>其中pn(ξ)是一個(gè)恰當(dāng)?shù)亩囗?xiàng)式，zn，_n，是對(duì)應(yīng)的特征方程(28)的根?？紤]主根，用z*表示，它是具有最大實(shí)部的根。令z*＝-α±jβ，α＞0，β＞0。由等式(30)得到e(ξ)≈Ceznξ.....(31)]]>其中C是取決于等式(27)的初始條件的一個(gè)常數(shù)，而且x(ξ)≌y(ξ)說明x(ξ)/y(ξ)逐步接近1。從等式(30)同樣可以得到， 對(duì)于很大的ξ (32)其中 表示歐幾里得模，c是依賴于等式(27)的初始條件的一個(gè)常數(shù)。按照初始變量t(t＝rξ)，等式(32)可以重新寫成 對(duì)于很大的ξ (32)||e(t)||≤ce-αrtforlarget.....(33)]]>注意，是原來的系統(tǒng)趨于平衡點(diǎn)的漸近衰減率。因此，它的倒數(shù)α/τ就是原來的閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，也就是在平衡點(diǎn)附近一個(gè)很小的擾動(dòng)衰減到e-1所花費(fèi)的時(shí)間。類似地，α和α-1分別是歸一化系統(tǒng)的漸近衰減率和歸一化系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)。
圖8說明作為U和V的常數(shù)的漸近衰減率α。參考圖8，這個(gè)漸近衰減率α是U和V的一個(gè)凹函數(shù)，它的最大值大約是0.3，在(U，V)＝(0，6，0，1)處。α處的等高線對(duì)應(yīng)于圖7所示的穩(wěn)定區(qū)域的邊界。對(duì)于一對(duì)給定的(U，V)，一旦確定α，就能夠通過在特征方程(28)中減去z＝-α+jβ以及讓實(shí)部和虛部相等很容易地確定β。
(5)離散時(shí)間ER算法和|Q|估計(jì)已經(jīng)有人對(duì)MAX-MIN流控制問題的連續(xù)時(shí)間模型進(jìn)行了研究。但實(shí)際上，反饋信息在RM信元中中繼，因此不是能夠得到連續(xù)時(shí)間的形式，而是能夠得到樣本形式。此外，反饋信息不是周期性的，因?yàn)镽M信元自己必須在往返路徑上完成鏈路帶寬，從而使反饋RM信元的到達(dá)時(shí)間是變化的。
在等式(8)和(9)中表示ER分配算法可以在一個(gè)交換機(jī)里用離散時(shí)間實(shí)現(xiàn)以周期T周期性地更新公共ERr[k+1]=[r[k]-A|Q^|(q~[k]-q~[k-1])-BT|Q^|(q~[k]-qT)],A,B>0---(34)]]>其中 表示低通過濾后的隊(duì)列長(zhǎng)度，也就是平均隊(duì)列長(zhǎng)度。具體地說，在本發(fā)明的實(shí)施方案中用一個(gè)周期性的平均濾波器來獲得 從而使 要指出當(dāng)T→∞的時(shí)候，ER更新等式(34)對(duì)應(yīng)于等式(9)。跟ER r(t)公共部分的周期性計(jì)算r[k+1]相反，每個(gè)VC ER分配都在正向或者反向?qū)?yīng)于RM信元的周期性到達(dá)時(shí)刻進(jìn)行。也就是說，在VCi的RM信元在時(shí)刻t到達(dá)的時(shí)候，交換機(jī)計(jì)算ri(t)＝r(t)+mi (35)并將這個(gè)結(jié)果寫進(jìn)RM信元。在等式(35)中，r(t)表示公共ER r[k]最新的值r[k+1]，按照本發(fā)明的實(shí)施方案，它在后臺(tái)周期性地更新。mi的值可以從已經(jīng)到達(dá)的RM信元中獲得，或者從交換機(jī)中維護(hù)、RM信元到達(dá)或者離開的時(shí)候更新的每個(gè)VC MCR表中獲得。如果決定要從已經(jīng)到達(dá)的RM信元取出mi的值，這個(gè)每個(gè)VC MCR表和對(duì)它的訪問就不再需要。因此，本發(fā)明中ER分配算法里需要的僅有的每個(gè)VC操作就是等式(35)中的加法。
與此同時(shí)，已經(jīng)有人提出許多方案用來估計(jì)或者跟蹤本地瓶頸VC的個(gè)數(shù)。這些方案中的一些可以在以下文章中找到，M.K.Wong和F.Bonomi的“一種新的顯式速率擁擠控制算法”，it Proc.IEEEGLOBECOM’98，第四卷，第2432-2439頁，1998；L.Kalampoukas，A.Varma和K.K.Ramarkrishnan的“用于提供MAX-MIN公平性的ATM網(wǎng)絡(luò)的一種有效的速率分配算法”，技術(shù)報(bào)告UCSC-CRL-95-29，SantaCruz，加利福尼亞大學(xué)，計(jì)算機(jī)工程系，1995年6月；A.Charny，K.K.Ramakrishnam和A.Lauck的“ATM網(wǎng)絡(luò)中顯式速率分配的時(shí)間尺度分析和Scalability Issue”，IEEE/ACM網(wǎng)絡(luò)雜志，第4卷，第569～581頁，1996；和R.Jain等等的“ERICA交換機(jī)算法完整描述”，ATM論壇/96-1172，1996。上述方案中的每一個(gè)方案都在實(shí)施復(fù)雜性方面各不相同。Su等等的算法(C.F.Su，G.de Veciana和J.Warlrand的“ATM網(wǎng)絡(luò)中ABR業(yè)務(wù)的顯式速率流控制”，預(yù)印，1997)，它估計(jì)共享一條鏈路的“打開的”資源的個(gè)數(shù)，其基本思想很具有吸引力，因?yàn)樗恍枰槍?duì)每個(gè)VC進(jìn)行計(jì)數(shù)。
在本發(fā)明的實(shí)施方案中，修改以上方法，以便估計(jì)本地的瓶頸VC的個(gè)數(shù)，而不需要對(duì)每個(gè)VC進(jìn)行計(jì)數(shù)。
假設(shè)第j個(gè)RM信元在交換機(jī)時(shí)刻tj到達(dá)交換機(jī)。按照以上ABR規(guī)范，如果第j個(gè)RM信元碰巧是VCi的一個(gè)RM信元，它在CCR字段中攜帶值ai(tj-τif)，在MCR字段中攜帶值mi。交換機(jī)在W秒的固定長(zhǎng)度的時(shí)間段內(nèi)以同步方式監(jiān)視RM信元的到達(dá)。對(duì)于第1個(gè)時(shí)間段，本地瓶頸VC的個(gè)數(shù)可以近似為|Q|l=Σtj∈(lW,(l+1)W)NRW+1W·CCR(tj)1{CCR(tj)-MCR(tj)≥δ·r(tj)},0<δ<1---(36)]]>其中1{.}是指示函數(shù)，CCR(tj)和MCR(tj)分別表示第j個(gè)RM信元CCR字段中的值和MCR字段的值，r(tj)是公共ER在時(shí)刻tj的最新值。在第j個(gè)RM信元到達(dá)的時(shí)候，如果CCR減去MCR以后大于或者等于交換機(jī)那里公共ER最新的值，第j個(gè)RM所屬的VC就被當(dāng)作一個(gè)本地的瓶頸VC。否則，就將它當(dāng)作遠(yuǎn)處的一個(gè)瓶頸VC。δ是避免低估特別是穩(wěn)態(tài)附近的本地瓶頸VC的個(gè)數(shù)的容限。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時(shí)候，本地瓶頸VC的CCR保持在MCR和公共ER的和上．這樣，如果沒有這個(gè)容限δ，就會(huì)將這個(gè)VC錯(cuò)誤地當(dāng)作遠(yuǎn)處的瓶頸VC，即使是對(duì)于CCR中的一個(gè)很小的擾動(dòng)。但有了這個(gè)容限，就能有效地避免這種低估。通過仿真，發(fā)現(xiàn)δ＝0.9是比較好的選擇。還有，指示函數(shù)的值用W秒內(nèi)VC的RM信元到達(dá)的預(yù)期個(gè)數(shù)來歸一化， 從而使在W秒的時(shí)間段內(nèi)這些值的和能夠給出本地瓶頸VC的個(gè)數(shù)的一個(gè)正確估計(jì)。在每個(gè)時(shí)間段的這一估計(jì)的基礎(chǔ)之上，在每個(gè)時(shí)間段的結(jié)尾計(jì)算出循環(huán)估計(jì)|Q|avg((l+1)W)=sat|N|[λ|Q|avg(lW)+(1-λ)|Q|l],0<λ<1---(37)]]>
和|Q|((l+1)W)=int[|Q|avg((l+1)w)],---(38)]]>其中λ是平均系數(shù)，int[a]表示大于或者等于a的最小正整數(shù)，飽和函數(shù)sata[b]定義為 注意對(duì)于所有的t有 本地瓶頸VC的實(shí)際個(gè)數(shù)對(duì)于某些網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷可以是0，但是故意給它的估計(jì)值設(shè)置了下限，以避免被0除。
現(xiàn)在的問題是如何選擇時(shí)間間隔W和平均系數(shù)λ。隨著共享一條鏈路的VC的數(shù)量增加，或者給定W的帶寬下降，VC的RM信元的到達(dá)時(shí)間間隔會(huì)增大，從而使交換機(jī)開始大幅度地波動(dòng)。為了解決這個(gè)難題，可以按照共享這條鏈路的VC的數(shù)量的變化和可用帶寬調(diào)整W，但是這一點(diǎn)不容易做到。取而代之，可以選擇一個(gè)接近1的一個(gè)很大的λ，希望等式(37)中周期性的平均運(yùn)算能夠有效地濾除|Q|I的變化。通過仿真發(fā)現(xiàn)，對(duì)于共享一條鏈路的個(gè)數(shù)范圍很大的VC，λ＝0.98會(huì)得到關(guān)于|Q|穩(wěn)定和有效的估計(jì)，而不管如何選擇W。
為了穩(wěn)定我們進(jìn)一步地改進(jìn)|Q|的估計(jì)算法．假設(shè)這樣來選擇控制器增益A和BA=uτ,B=Vτ2---(40)]]>而(U，V)位于圖7所示的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。這樣來進(jìn)行這一選擇，使|Q|的估計(jì)足夠精確，從而使 對(duì)于所有時(shí)間都成立。但是，由于通常都有 將等式(40)代入等式(26)，決定歸一化閉環(huán)等式(27)的U和V的實(shí)際或者有效值，U’和V’，由下式給出U'=|Q||Q^|U,V'=|Q||Q^|V---(41)]]>如果 小于1，(U’，V’)這個(gè)點(diǎn)就位于連接(U，V)和原點(diǎn)(O，O)的直線上的某位置上，因而位于穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。相反，當(dāng) 增大到大于1以后，(U’，V’)這個(gè)點(diǎn)沿著包括原點(diǎn)(O，O)和(U，V)的直線向上移動(dòng)，最終離開穩(wěn)定區(qū)域。簡(jiǎn)而言之，過高地估計(jì)|Q|是可以接受的，因?yàn)樗粫?huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，只會(huì)影響漸近衰減率，而過低地估計(jì)|Q|則是應(yīng)該避免的，因?yàn)樗鼤?huì)使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。這就是為什么在等式(36)中需要容限δ。但是，δ不會(huì)完全解決問題，特別是一個(gè)新的VC以較小的初始信元速率(ICR)加入的時(shí)候。如果一個(gè)新的VC以較小的ICR加入，在這一瞬態(tài)過程中，這個(gè)VC很可能被作為遠(yuǎn)處的瓶頸VC來計(jì)數(shù)，因?yàn)镃CR(tj)-MCR(tj)很可能小于等式36中的δ·r(tj)，因?yàn)檫@個(gè)容限δ非常小。在這種狀態(tài)下，如果新的VC真的是一個(gè)遠(yuǎn)處的瓶頸VC，它就不是一個(gè)問題，但如果這個(gè)新的VC實(shí)際上是一個(gè)本地瓶頸VC，它就會(huì)導(dǎo)致一開始就過低地估計(jì)|Q|，這會(huì)使系統(tǒng)發(fā)散。為了解決這個(gè)問題，在本發(fā)明的實(shí)施方案中按照以下方式改進(jìn)這個(gè)|Q|估計(jì)算法。
在時(shí)刻t一個(gè)新的VC到達(dá)的時(shí)候，有意識(shí)地更新估計(jì)|Q|avg(t)＝sat|N|[|Q|avg(t)+1] (42)和|Q^|(t)=int[|Q|avg(t)]---(43)]]>就好像這個(gè)VC是一個(gè)本地瓶頸VC一樣。這樣一來，就能避免一開始就低估|Q|，從而使 按照等式(42)和(43)向|Q|收斂，如前所述，對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)定性這是一個(gè)非常需要的特性。提出的|Q|估計(jì)算法的性能和本發(fā)明的實(shí)施方案中的ER分配算法的性能將通過“(6)仿真結(jié)果”來證實(shí)。
下一步考慮采用RR標(biāo)記和ER標(biāo)記的情形。ER標(biāo)記的主要作用是實(shí)現(xiàn)MAX-MIN公平同時(shí)以一種漸近穩(wěn)定方式保證MCR，而RR標(biāo)記的作用是協(xié)助限制瞬態(tài)隊(duì)列長(zhǎng)度過長(zhǎng)從而使瞬態(tài)信元損失最小。
圖9說明ER加RR標(biāo)記隊(duì)列長(zhǎng)度門限的設(shè)計(jì)建議。在圖9中，qT是目標(biāo)隊(duì)列長(zhǎng)度，qLT是ABR隊(duì)列的最小隊(duì)列長(zhǎng)度門限，qHT是ABR隊(duì)列的最長(zhǎng)隊(duì)列門限。qT跟ER標(biāo)記有關(guān)，qHT跟RR標(biāo)記有關(guān)。qLT侍從它開始設(shè)置NI字段的NI比特的一個(gè)門限，qHT侍從它開始設(shè)置CI字段的CI比特的一個(gè)門限。如果隊(duì)列長(zhǎng)度大于qHT，交換機(jī)就將反向RM信元的CI比特設(shè)置成1，說明它發(fā)生了擁擠。如果隊(duì)列長(zhǎng)度在qHT和qLT之間，交換機(jī)就將反向RM信元的NI比特設(shè)置成1，以防止源增大帶寬。而通過使qT遠(yuǎn)遠(yuǎn)地小于qLT，能夠使RR標(biāo)記很難激活，因?yàn)樵贓R標(biāo)記的控制下隊(duì)列長(zhǎng)都會(huì)停留在qT的鄰域，除非因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)負(fù)荷突變導(dǎo)致隊(duì)列長(zhǎng)度猛增。一旦因?yàn)槟撤N負(fù)載變化導(dǎo)致隊(duì)列長(zhǎng)度超過qHT，就觸發(fā)線性增加和指數(shù)減少模式，并繼續(xù)下去，直到ER標(biāo)記重新控制隊(duì)列長(zhǎng)度。
在“(6)仿真結(jié)果”中，將通過仿真說明RR標(biāo)記能夠在瞬態(tài)過程中有效地限制最差情況下的隊(duì)列長(zhǎng)度，ER標(biāo)記確實(shí)奪回了控制權(quán)，從而使隊(duì)列長(zhǎng)度從振蕩模式恢復(fù)到漸近穩(wěn)定模式。
(6)仿真結(jié)果在這一部分，將給出仿真結(jié)果，以核實(shí)上面的分析，并說明本發(fā)明的實(shí)施方案中的ER分配算法的優(yōu)良性能。采用的仿真模型建立在NIST ATM仿真器平臺(tái)之上。
考慮了兩個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)等結(jié)構(gòu)和停車場(chǎng)結(jié)構(gòu)，它們是非常標(biāo)準(zhǔn)的。在表1中列出本發(fā)明中建議的交換機(jī)算法設(shè)計(jì)參數(shù)的建議值，它們將用于后面的仿真研究。
表一
首先考慮對(duì)等結(jié)構(gòu)，如圖10所示，其中包括具有相同路徑的20個(gè)ABR VC，所有鏈路的容量都被設(shè)置成等于600 Mbps。為了表示W(wǎng)AN環(huán)境，s1到s20中的每一個(gè)源到這條路徑上第一個(gè)交換機(jī)SW1之間的距離被設(shè)置成1000km。如果信號(hào)傳播速度是2.0×105km/s，而且排隊(duì)時(shí)間可以忽略，那么τmax就大約等于10毫秒。用于這一仿真結(jié)構(gòu)的VC模型在表2中列出，假設(shè)所有的源都維持不變。注意PCR、MCR、ICR、到達(dá)時(shí)間和離開時(shí)間都是用Mbps為單位的。
表2
要指出PCR值、MCR值、ICR值以及VC的到達(dá)時(shí)間和離開時(shí)間都不相同，以便研究PCR受到限制的源、MCR和ICR的差以及呼叫活動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。為了進(jìn)行比較，計(jì)算了滿足MAX-MIN公平性具有MCR保證的理論公平速率，結(jié)果列在表2中。參考表2和圖10，可以看出，每個(gè)VC的公平速率都按照其它VC的到達(dá)時(shí)間和離開時(shí)間變化，源s11～s10在交換機(jī)SW1那里成了瓶頸，源s11～s20在PCR受限的方案中成為了瓶頸。例如，ABR源s1～s4應(yīng)當(dāng)在0～1秒中以36.1Mbps，在2～3秒中以30Mbps，在3～∞秒中以32.5Mbps的速率發(fā)送數(shù)據(jù)才能實(shí)現(xiàn)MAX-MIN公平。按照本發(fā)明，在兩個(gè)相鄰的正向RM信元中保證有32個(gè)數(shù)據(jù)信元，也就是說NRM＝32。
圖11A～11D說明只有ER標(biāo)記沒有VBR背景通信的對(duì)等結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果。圖12A～12D說明具有ER標(biāo)記和VBR背景通信的對(duì)等結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果。
圖11A～11B分別說明PCR＝150Mbps和PCR＝25Mbps的VC的源傳輸速率ai(t)。從圖11A和11B可以看出，實(shí)際的源傳輸速率跟表2給出的理論公平速率完全相同。源s1～s4和s10的傳輸速率跟交換機(jī)SW1計(jì)算出來的公共ER r(t)相等，因?yàn)樗鼈兊腗CR是0Mbps；源s5～s9的傳輸速率大于公共ER r(t)，因?yàn)樗鼈兊腗CR是10Mbps；源s11～s20是PCR受限的，而不管它們的MCR值如何。初始的瞬態(tài)表現(xiàn)是由于交換機(jī)SW1和SW2那里的初始條件τ(0)＝0。也就是說，公共ER值需要一段時(shí)間來爬升到工作點(diǎn)，而這是正常工作中很少出現(xiàn)的現(xiàn)象。圖11C說明瓶頸節(jié)點(diǎn)SW1那里的隊(duì)列長(zhǎng)度。源s20在1秒鐘時(shí)刻，s10在時(shí)刻2秒的加入導(dǎo)致隊(duì)列長(zhǎng)度猛增，源s20在時(shí)刻3秒的離開導(dǎo)致隊(duì)列長(zhǎng)度突然下降。而本發(fā)明提出的ER分配算法則能夠迅速地使隊(duì)列長(zhǎng)度重新穩(wěn)定在qT＝250個(gè)信元上。圖11D說明交換機(jī)SW1那里本地瓶頸VC個(gè)數(shù)的估計(jì)|Q|avg(t)。通過按照等式(38)將估計(jì)確定為大于或等于它的最小整整數(shù)，可以按照下面描述的方式最終獲得|Q|的整數(shù)估計(jì)。在這里，符號(hào)“[x”表示“x≤”，符號(hào)“y]”表示“y＞”。在
秒中這個(gè)整數(shù)估計(jì)是18，在[1，2]秒中是9，在[2，∞]秒中是18，如圖11D所示。要指出，除了初始時(shí)間段
秒以外，這個(gè)整數(shù)估計(jì)跟表2給出的真實(shí)|Q|值完全相同，在
秒中是9，在[2，∞]中是10。時(shí)間段
秒中的差別是因?yàn)樵谛碌腣C每次到達(dá)的時(shí)候，按照等式(42)故意將估計(jì)|Q|avg(t)增大了1.在這一仿真情形中，在0秒的時(shí)候有18個(gè)VC到達(dá)，這就是為什么|Q|avg(t)一開始大約是18。
具有VBR背景通信的情況下，這些結(jié)果實(shí)際上沒有任何變化，如圖12A～12D所示。也就是說，宏觀(時(shí)間平均)表現(xiàn)跟沒有VBR通信擾動(dòng)的情形一樣。VBR背景通信是由峰值速率以及開和關(guān)周期的長(zhǎng)度分別是10Mbps、20τmaxsecs和20τmaxsecs的確定性的開/關(guān)源產(chǎn)生的。從圖12A和12B可以注意到源的傳輸速率(PCR受限的源除外)幾乎總是完全符合VBR背景通信的開/關(guān)模式。VBR背景通信的開/關(guān)行為導(dǎo)致ABR隊(duì)列長(zhǎng)度重復(fù)地變大和變小。而本發(fā)明的實(shí)施方案中的ER分配算法則會(huì)迅速地將隊(duì)列長(zhǎng)度恢復(fù)到圖12C所示的目標(biāo)值。
下面考慮圖13所示的停車場(chǎng)結(jié)構(gòu)，以便研究多個(gè)瓶頸節(jié)點(diǎn)和具有不同RTD的VC。其中包括具有不同源位置的16個(gè)ABR VC，這些鏈路的容量被設(shè)置成等于600Mbps，除了交換機(jī)SW3和交換機(jī)SW4之間的鏈路和交換機(jī)SW4和交換機(jī)SW5之間的鏈路是300Mbps以外。用于這一仿真結(jié)構(gòu)的VC模型在表3中列出，假設(shè)所有的源都是不變的。
表3
為了進(jìn)行比較，為給定模擬情形計(jì)算出滿足MAX-MIN公平性具有MCR包裝的理論公平速率，結(jié)果列在表3中。為了使這一情形更加清楚，每個(gè)VC的理論瓶頸位置，它們是確定每個(gè)公平共享的位置，都包括在這個(gè)表中。圖14A～14F說明只有ER標(biāo)記沒有VBR背景通信的仿真結(jié)果。圖14A～14B說明PCR＝150Mbps和PCR＝25Mbps的VC的源傳輸速率ai(t)。圖14C說明交換機(jī)SW3那里的隊(duì)列長(zhǎng)度，圖14D說明交換機(jī)SW4那里的隊(duì)列長(zhǎng)度，圖14E說明交換機(jī)SW3那里本地瓶頸VC個(gè)數(shù)的估計(jì)|Q|avg(t)，圖14F說明交換機(jī)SW4那里本地瓶頸VC的個(gè)數(shù)估計(jì)|Q|avg(t)。從圖14A和14B可以看出，穩(wěn)態(tài)的實(shí)際源傳輸速率跟表3中的理論公平速率完全相符，而不管它們的RTD和瓶頸位置如何。初始的瞬態(tài)表現(xiàn)是由于所有交換機(jī)那里的初始條件r(0)＝0，這又一次是正常工作中很難見到的現(xiàn)象。在給定的仿真環(huán)境中，有兩個(gè)擁擠節(jié)點(diǎn)SW3和SW4。跟預(yù)期的一樣，擁擠節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列長(zhǎng)度收斂到目標(biāo)值250個(gè)信元，這一點(diǎn)在圖14C和14D中說明。從圖中可以看出，在穩(wěn)態(tài)中，在交換機(jī)SW3和SW3那里估計(jì)分別逗留在9和12，這一點(diǎn)跟表3中的數(shù)據(jù)相符。
最后研究RR標(biāo)記和ER標(biāo)記的應(yīng)用。RR標(biāo)記的隊(duì)列長(zhǎng)度門限被設(shè)置在qLT＝750個(gè)信元和qHT＝1000個(gè)信元以及qT＝250個(gè)信元。這樣選擇隊(duì)列長(zhǎng)度門限的目的是希望在正常工作條件下ER標(biāo)記在保證漸近穩(wěn)定MAX-MIN流控制中起主要作用，而RR標(biāo)記則起限制隊(duì)列長(zhǎng)度的輔助作用。在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施方案中同樣采用具有VBR背景通信的同樣的停車場(chǎng)結(jié)構(gòu)。VBR背景通信又一次是由一個(gè)確定性的，峰值速率和開、關(guān)周期長(zhǎng)度分別是10Mbps、20τmaxsecs和20τmaxsecs的開/關(guān)源產(chǎn)生的。結(jié)果在圖15A～15F中給出。圖15A～15F說明具有ER標(biāo)記和VCR背景通信的停車場(chǎng)結(jié)構(gòu)情形里的仿真結(jié)果。圖15A和15B說明分別具有PCR＝150Mbps和PCR＝25Mbps的VC的源傳輸速率。圖15C說明交換機(jī)SW3那里的隊(duì)列長(zhǎng)度，圖15D說明交換機(jī)SW4那里的隊(duì)列長(zhǎng)度。圖15D說明交換機(jī)SW3那里本地瓶頸VC個(gè)數(shù)的估計(jì)|Q|avg(t)，圖15E說明交換機(jī)SW4那里本地瓶頸VC個(gè)數(shù)的估計(jì)|Q|avg(t)。跟前面的圖14A～14F說明的情形相比，交換機(jī)SW3的ABR隊(duì)列長(zhǎng)度的瞬間突變基本上得到了抑制，它的最大值從6000個(gè)信元下降到3200個(gè)信元。顯然，這一收益來源于隊(duì)列長(zhǎng)度臨時(shí)振蕩和圖15A、15B和15C所示的源傳輸速率這一代價(jià)。還可以看出，本發(fā)明的實(shí)施方案的ER分配算法有效地奪回了控制權(quán)，從而使隊(duì)列長(zhǎng)度從振蕩模式恢復(fù)到漸近模式。
如上所述，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的ER分配算法的優(yōu)越性在于(1)能夠保證最大的鏈路使用率和最小的信元損失，而不管ABR閉環(huán)中的RTD如何；(2)通過保證ABR隊(duì)列漸近穩(wěn)定使ABR隊(duì)列最短；(3)通過保證每個(gè)用戶公平地共享可用帶寬來保證ATM論壇標(biāo)準(zhǔn)上的MAX-MIN公平性；(4)通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境能夠針對(duì)ABR用戶個(gè)數(shù)和ABR帶寬的變化而迅速改變；(5)包括EECI、RR和ER的所有功能都按照ATM論壇通信管理規(guī)范所指定的那樣提供；(6)由于存在漸近穩(wěn)定工作點(diǎn)，所以能夠做到高使用率、低信元損失率和MAX-MIN公平速率分配；(7)在多個(gè)時(shí)間尺度上，也就是在VBR和ABR VC的信元級(jí)速率變化上，和VBR和ABR VC的信元級(jí)到達(dá)和離開時(shí)間上，獲得對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化的高響應(yīng)性和瞬態(tài)控制性能；(8)這一算法需要的計(jì)算次數(shù)最少；(9)通過實(shí)際上去掉每個(gè)VC操作，包括每個(gè)VC排隊(duì)、每個(gè)VC計(jì)數(shù)和每個(gè)VC表訪問，使復(fù)雜性降低，并且復(fù)雜程度可變。
雖然在說明和描述本發(fā)明的時(shí)候參考了特定的優(yōu)選實(shí)施方案，但是本領(lǐng)域里的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，在形式和細(xì)節(jié)上可以進(jìn)行各種改變，而不會(huì)偏離下面的權(quán)利要求給出的本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1.在具有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都跟多個(gè)源連接，這些源發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，還具有一個(gè)顯式速率(ER)引擎以及具有一個(gè)當(dāng)前隊(duì)列長(zhǎng)度和一個(gè)目標(biāo)隊(duì)列長(zhǎng)度用來儲(chǔ)存從源收到的數(shù)據(jù)的一個(gè)數(shù)據(jù)隊(duì)列的分組交換網(wǎng)中的一種公平流控制方法，這種方法包括以下步驟產(chǎn)生第一個(gè)信號(hào)和第二個(gè)信號(hào)；根據(jù)這些源中間的一個(gè)的第一個(gè)信號(hào)，由ER引擎周期性地更新顯式速率(ER)；在這些源中間的一個(gè)那里正向信元到達(dá)的時(shí)候，在來自ER引擎的更新過的顯式速率(ER)的基礎(chǔ)之上估計(jì)本地瓶頸虛電路(|Q|)的個(gè)數(shù)；根據(jù)第二個(gè)信號(hào)，在這個(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前隊(duì)列長(zhǎng)度和目標(biāo)隊(duì)列長(zhǎng)度的差、本地瓶頸虛電路(|Q|)的個(gè)數(shù)估計(jì)和當(dāng)前隊(duì)列長(zhǎng)度的導(dǎo)數(shù)的基礎(chǔ)之上確定一個(gè)新的ER；和在這些源中間的一個(gè)那里檢測(cè)到有一個(gè)反向信元到達(dá)的時(shí)候，將新的ER寫入被檢測(cè)到的反向信元的ER字段中。
2.權(quán)利要求1的方法，還包括在一個(gè)源那里檢測(cè)到有一個(gè)反向信元到達(dá)的時(shí)候，從反向信元中提取最小信元速率(MCR)的步驟。
3.權(quán)利要求1的方法，其中將新的ER寫入反向信元的ER字段的步驟包括以下步驟將反向信元的ER跟新確定的ER和反向信元的MCR的和進(jìn)行比較，和如果這個(gè)和小于從反向信元中提取出來的ER，就將新的ER寫入反向信元的ER字段。
4.權(quán)利要求1的方法，其中的本地瓶頸VC個(gè)數(shù)是通過比較正向信元和來自ER引擎的更新過的ER的當(dāng)前信元速率(CCR)和最小信元速率(MCR)來進(jìn)行估計(jì)的。
5.權(quán)利要求4的方法，其中如果CCR和MCR之間的差大于或者等于更新過的ER，就估計(jì)本地瓶頸VC的個(gè)數(shù)。和
6.權(quán)利要求1的方法，其中的正向和反向信元包括一個(gè)源管理信元。
7.權(quán)利要求1的方法，其中ER引擎更新過的ER是在預(yù)先確定的時(shí)間段內(nèi)確定的。
8.權(quán)利要求1的方法，還包括以下步驟在檢測(cè)到一個(gè)數(shù)據(jù)信元的時(shí)候，判斷一個(gè)源中是否發(fā)生了擁擠，和如果檢測(cè)到擁擠，就發(fā)送第一個(gè)擁擠信號(hào)或者第二個(gè)擁擠信號(hào)；其中第二個(gè)擁擠信號(hào)說明更加擁擠的狀態(tài)。
9.權(quán)利要求8的方法，還包括控制反向信元相對(duì)速率(RR)的步驟，其中的RR由第一個(gè)信號(hào)和第二個(gè)信號(hào)定義。
10.權(quán)利要求8的方法，其如果節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前隊(duì)列長(zhǎng)度跟目標(biāo)隊(duì)列長(zhǎng)度之間的差超過預(yù)先確定的一個(gè)低門限值，就發(fā)送第一個(gè)信號(hào)，如果這個(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前隊(duì)列長(zhǎng)度和目標(biāo)隊(duì)列長(zhǎng)度之間的差超過預(yù)先確定的高門限值，就發(fā)送第二個(gè)信號(hào)。
11.權(quán)利要求1的方法，如果當(dāng)前信元速率(CCR)和從正向信元收到的最小信元速率(MCR)之間的差小于ER引擎發(fā)送的更新過的ER，就確定瓶頸虛電路(|Q|)的個(gè)數(shù)。
12.權(quán)利要求3的方法，其中新的ER是通過按照第二個(gè)信號(hào)，從前一個(gè)ER減去(((平均隊(duì)列長(zhǎng)度-前一個(gè)平均隊(duì)列長(zhǎng)度)×第一個(gè)增益)/估計(jì)的(|Q|)/((平均隊(duì)列長(zhǎng)度-目標(biāo)隊(duì)列長(zhǎng)度)×((第二個(gè)增益×第二個(gè)信號(hào)周期)/計(jì)算出來的|Q|))計(jì)算出來的。
全文摘要
提供了分組交換網(wǎng)中的一種公平流控制方法。這個(gè)分組交換網(wǎng)有多個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)都跟多個(gè)發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的源相連,還有跟當(dāng)前隊(duì)列長(zhǎng)度和目標(biāo)隊(duì)列長(zhǎng)度相關(guān)連,用于儲(chǔ)存從源收到的數(shù)據(jù)的一個(gè)數(shù)據(jù)隊(duì)列。在這種公平流控制方法中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都用相應(yīng)的源的顯式速率(ER)和最小信元速率(MCR)估計(jì)本地瓶頸虛電路(VC)的個(gè)數(shù)。這個(gè)節(jié)點(diǎn)在這個(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前隊(duì)列長(zhǎng)度和目標(biāo)隊(duì)列長(zhǎng)度之間的差、當(dāng)前隊(duì)列長(zhǎng)度的導(dǎo)數(shù)和本地瓶頸VC個(gè)數(shù)的估計(jì)的基礎(chǔ)之上將一個(gè)ER分配給每一個(gè)源,然后通過反饋信號(hào)將這個(gè)ER傳遞給每個(gè)源。
文檔編號(hào)H04Q11/04GK1339209SQ00803312
公開日2002年3月6日 申請(qǐng)日期2000年10月2日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月2日
發(fā)明者鄭松, 姜成昊 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社