摘 要：本文對(duì)ATM交換網(wǎng)絡(luò)中的擁塞控制問題進(jìn)行了研究，運(yùn)用自適應(yīng)控制理論技術(shù)，提出了一種新的擁塞控制算法，給出了數(shù)學(xué)分析模型，并通過計(jì)算機(jī)仿真分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了本文中的方法的有效性。
　　1 引言
　　隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，異步傳輸模式——ATM(Asynchronous Transfer Mode)技術(shù)顯示出其無(wú)比的優(yōu)越性，其結(jié)構(gòu)、規(guī)模靈活，并具有很強(qiáng)的處理能力，是被公認(rèn)的快速分組交換的主要技術(shù)，是寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(B-ISDN)的基礎(chǔ)，并為多媒體通信提供了一種更有效的交換方式。
　　盡管ATM比傳統(tǒng)的分組交換等網(wǎng)絡(luò)提供了比較好的擁塞控制方法，但是，和其他任何分組交換網(wǎng)絡(luò)一樣，ATM網(wǎng)絡(luò)也是利用有限資源設(shè)計(jì)的，如有限的緩沖器資源。因此擁塞問題對(duì)于ATM網(wǎng)絡(luò)也是一個(gè)不可完全避免的問題。
　　作為ATM交換網(wǎng)絡(luò)的——ATM交換機(jī)，當(dāng)感覺到擁塞要到來(lái)的時(shí)候，會(huì)主動(dòng)地采取一些方法，來(lái)避免或是減輕擁塞，主要方法是對(duì)正在或?qū)⒁粨Q的信元采取一定的取舍。而圍繞信元的智能丟棄問題，已經(jīng)有很多學(xué)者進(jìn)行了大量的不同算法的研究工作。 在文獻(xiàn)[1]中，提出了一種尾部分組丟棄的算法(TPD)，原理是當(dāng)一臺(tái)ATM交換機(jī)感覺要發(fā)生擁塞時(shí)，它就開始丟棄做過標(biāo)記(CLP=1)的信元。這種方法在信元丟棄的靈活性上表現(xiàn)很差，丟失時(shí)沒有根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行衡量和選擇。在文獻(xiàn)[2]中給出了一種早期分組丟棄的算法(EPD)，原理是用閾值度量來(lái)提出一個(gè)占有率因子，一旦達(dá)到這個(gè)因子，就預(yù)先丟棄一些整個(gè)的分組。這種方法的主要問題是，有時(shí)達(dá)到閾值，并不一定發(fā)生擁塞，而且對(duì)于整個(gè)丟棄的分組的選擇也不靈活。在本文中，我們給出了一種自適應(yīng)控制的信元丟棄擁塞控制方案，該方案用緩沖區(qū)的占有狀態(tài)的程度不同，來(lái)觸發(fā)不同的控制算法參數(shù)，并參考信元分組的交換情況等因素，來(lái)決定對(duì)信元的選擇和丟棄，以達(dá)到的擁塞控制效果。
　　2 自適應(yīng)信元分組丟棄技術(shù)(APD)
　　假設(shè)ATM交換機(jī)解決擁塞的方法是信元丟棄，而且，在一個(gè)分組中，一旦有一個(gè)信元被丟棄，則該分組必須被重發(fā)，這里不考慮某些分組對(duì)部分信元丟失的不敏感性。
　　2．1 方案描述
　　自適應(yīng)信元分組丟棄技術(shù)的關(guān)鍵是將信元丟棄控制器與動(dòng)態(tài)的輸出緩沖器的狀態(tài)聯(lián)系起來(lái)，我們將自適應(yīng)控制理論引入到信元丟棄技術(shù)之中，采用了一種基于緩沖區(qū)驅(qū)動(dòng)的信元自適應(yīng)分組丟棄方案。 該方案的主要思想是，監(jiān)控輸出緩沖區(qū)的動(dòng)態(tài)，在保證輸出緩沖區(qū)不溢出的情況下，根據(jù)輸出緩沖區(qū)的動(dòng)態(tài)變化和狀態(tài)，來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整信元的丟棄策略。
　　該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所示。ATM交換機(jī)的自適應(yīng)信元分組丟棄模塊主要由三個(gè)模塊組成：
　　(1)輸出信元調(diào)度和緩沖器監(jiān)視模塊
　　監(jiān)視輸出緩沖器的動(dòng)態(tài)變化和狀態(tài)，以及各個(gè)目的VC／VP的信元分組的輸出狀況等。
　　(2)自適應(yīng)控制器模塊
　　根據(jù)輸出信元調(diào)度和緩沖器提供的參數(shù)，以及輸入信元調(diào)度監(jiān)視器提供的輸入信元的信息，得出輸入信元調(diào)度器所需的參數(shù)。
　　(3)輸入信元調(diào)度器和監(jiān)視器模塊
　　實(shí)現(xiàn)輸入信元的調(diào)度和丟棄控制，并向自適應(yīng)控制器提供參數(shù)。
　　2．2 數(shù)學(xué)建模分析
　　假設(shè)N為輸出緩沖區(qū)中的交換往不同目的VP／VC的信元分組數(shù)，在t寸刻，交換往不同目的VP／VC的信元分組進(jìn)入輸出緩沖區(qū)的信元數(shù)為Ai(t)，從輸出緩沖區(qū)流出的指向該目的VP／VC的信元分組的信元數(shù)量為Bi(t)(0≤i≤N)。設(shè)緩沖區(qū)在初始時(shí)刻，指向各不同VP／VC的信元分組在緩沖區(qū)中的數(shù)量為Ci(t)。
　　我們的任務(wù)就是設(shè)計(jì)一個(gè)算法和一些參數(shù)，使N維向量F={f1，f2……fN}中，“的值的分布盡量集中在已交換的信元數(shù)量較少的信元分組(該分組的CLP=1，CLP=0的分組的fi=0)上，這樣為了緩解擁塞丟棄重發(fā)時(shí)，系統(tǒng)的平均時(shí)延可以減少到，同時(shí)要滿足輸出緩沖的溢出條件，見公式(4)。
　　據(jù)輸出緩沖區(qū)監(jiān)視器和輸出信元調(diào)度監(jiān)視器的輸出，可以獲得Di(t)，C(t)，ΔC(t)等數(shù)據(jù)；根據(jù)輸入信元調(diào)度器可以獲得調(diào)整參數(shù)馬。在即將發(fā)生擁塞的時(shí)刻t，自適應(yīng)控制器根據(jù)采集的這些參數(shù)，計(jì)算出相應(yīng)的信元分組丟棄指數(shù)送給輸入信元調(diào)度控制器，通過對(duì)某些信元分組的丟棄來(lái)緩和擁塞，并縮短信元傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)延。該系統(tǒng)中的自適應(yīng)控制器，我們是通過采用的比例積分PI[3]控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的
　　其中：Cref m是輸出緩沖區(qū)的m級(jí)參考量，也即是輸出緩沖區(qū)的閾值，本系統(tǒng)中設(shè)有μ級(jí)閾值(0≤m≤μ)，在不同的閾值處，觸發(fā)相應(yīng)的參數(shù)控制算法。K1m為對(duì)應(yīng)于第m級(jí)閾值的差量比例系數(shù)，K2m為對(duì)應(yīng)于第m級(jí)閾值的變化量的比例系數(shù)，Kdmi為對(duì)應(yīng)于第m級(jí)閾值、信元目的VP／VC序號(hào)為i的信元分組已交換的信元數(shù)量的比例系數(shù)，Kmi為輸入信元調(diào)度器的對(duì)應(yīng)于第m級(jí)閾值、信元目的VP／VC序號(hào)為i的信元分組的調(diào)節(jié)參數(shù)。
　　此處假定在交換過程中相同目的VP／VC的信元為同一分組，即是指當(dāng)一組信元的頭信元交換成功后，其后的所有交換往該目的VP／VC的信元認(rèn)為屬于同一組。
　　2．3 參數(shù)計(jì)算
　　設(shè)在輸出緩沖區(qū)的閾值為m級(jí)時(shí)，丟棄的閾值為fref，其中緩沖區(qū)的閾值由自適應(yīng)控制器優(yōu)化選擇，信元目的VP／VC序號(hào)為i的信元分組的長(zhǎng)度為L(zhǎng)i。
　　信元的重發(fā)率CR
　　3 計(jì)算機(jī)仿真
　　我們?cè)O(shè)信元分組的長(zhǎng)度為隨機(jī)分布，交換時(shí)延y=1，傳輸時(shí)延x=1；輸出緩沖區(qū)的閾值設(shè)為兩級(jí)：80％，90％。用Matlab軟件進(jìn)行系統(tǒng)的性能仿真分析，并與以前的尾部分組丟棄的算法(TPD)結(jié)果進(jìn)行比較。輸人數(shù)據(jù)采取不定長(zhǎng)分組的仿真數(shù)據(jù)，并逐漸加大數(shù)據(jù)的流量，直到有擁塞產(chǎn)生，分析中，假設(shè)無(wú)擁塞產(chǎn)生和產(chǎn)生擁塞兩種情況下，交換的數(shù)據(jù)量的差異描述成曲線圖，來(lái)比較兩種方法數(shù)據(jù)的重發(fā)量和時(shí)延的變化情況(在仿真中，未考慮交換時(shí)信元的調(diào)度問題，并將反饋部分的時(shí)延對(duì)系統(tǒng)的影響忽略)。
　　當(dāng)剛開始或是即將產(chǎn)生擁塞如果接著沒有擁塞產(chǎn)生，尾部分組丟棄方法就不會(huì)采取任何對(duì)信元的丟棄動(dòng)作，但是我們的自適應(yīng)信元分組丟棄方法，卻由于緩沖區(qū)的占有量超過了一個(gè)低級(jí)的閾值而觸發(fā)了反饋部分，并實(shí)現(xiàn)信元丟棄動(dòng)作，鮮有重發(fā)產(chǎn)生。但是如果擁塞產(chǎn)生，我們的算法與尾部分組丟棄方法的隨機(jī)無(wú)選擇的信元丟棄方法相比，由于算法的改進(jìn)和優(yōu)化，控制擁塞的效果會(huì)有明顯改進(jìn)。
　　當(dāng)擁塞發(fā)生日寸，自適應(yīng)信元分組丟棄方法比原來(lái)的尾部分組丟棄有比較好的效果，能夠在有效地緩解ATM交換機(jī)擁塞的基礎(chǔ)上盡量減少信元重發(fā)和信元平均時(shí)延。
　　4 結(jié)束語(yǔ)
　　ATM技術(shù)是面向未來(lái)的技術(shù)，很多人認(rèn)為它是未來(lái)寬帶的基礎(chǔ)，當(dāng)然對(duì)這個(gè)論點(diǎn)也有爭(zhēng)論，但是隨著大家研究的深入，ATM的技術(shù)會(huì)得到發(fā)展，并且也會(huì)越來(lái)越完善，同時(shí)作為ATM技術(shù)的一個(gè)重要方面，ATM的擁塞預(yù)防和控制也將會(huì)不斷進(jìn)步和取得新的成績(jī)。在本文中我們嘗試使用控制理論和控制方法解決ATM網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并給出—廠仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果證明此方法對(duì)于緩解擁塞是可行的，它提高了信元發(fā)送效率，減少了時(shí)延的影響。