網(wǎng)絡(luò)擁塞控制

-LX. —1—前言隨著網(wǎng)絡(luò)的普及與發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也隨之不斷增長，局域網(wǎng)因其獨特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和工作方式更是得到了迅猛的發(fā)展。眾多公司、學(xué)校、事業(yè)單位都建有自己的局域網(wǎng),并大都以局域網(wǎng)方式接入因特網(wǎng)。局域網(wǎng)接入方式已經(jīng)成為一種最通用的用戶接入方式。然而，局域網(wǎng)接入因特網(wǎng)的一個最大問題在于局域網(wǎng)內(nèi)部帶寬較寬而出口帶寬相對較窄，這屬于一種典型的鏈路匯聚狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，擁塞會經(jīng)常發(fā)生在局域網(wǎng)到廣域網(wǎng)的出口處。當(dāng)擁塞產(chǎn)生時，局域網(wǎng)內(nèi)部的用戶服務(wù)就無法保障。因此，針對這種典型鏈路匯聚狀態(tài)下的擁塞控制問題的研究對于充分利用相對貧乏的出口帶寬資源，對于重要用戶服務(wù)的保障，對于確保出口帶寬的合理利用與分配都具有很強的實際意義。本課題研究的就是在上述典型鏈路匯聚狀態(tài)下?lián)砣麊栴}的一種解決方案。在分析局域網(wǎng)到廣域網(wǎng)的接入方式特點和局域網(wǎng)出口流量基本特性的基礎(chǔ)上，介紹了一個基于偵聽機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制模型i-NCCM(i-NCCM:NetworkCongestionControlModelbasedonInterception)。有效的實現(xiàn)了各種擁塞狀態(tài)的判別，并通過網(wǎng)絡(luò)測試得來的組圖從側(cè)面形象地反映了網(wǎng)絡(luò)的擁塞現(xiàn)象。第一章局域網(wǎng)基礎(chǔ)知識局域網(wǎng)的定義為了完整地給出LAN的定義，必須使用兩種方式:一種是功能性定義，另一種是技術(shù)性定義。前一種將LAN定義為一組臺式計算機(jī)和其它設(shè)備，在物理地址上彼此相隔不遠(yuǎn)，以允許用戶相互通信和共享諸如打印機(jī)和存儲設(shè)備之類的計算資源的方式互連在一起的系統(tǒng)。這種定義適用于辦公環(huán)境下的LAN、工廠和研究機(jī)構(gòu)中使用的LAN。就LAN的技術(shù)性定義而言，它定義為由特定類型的傳輸媒體(如電纜、光纜和無線媒體)和網(wǎng)絡(luò)適配器(亦稱為網(wǎng)卡)互連在一起的計算機(jī)，并受網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。功能性和技術(shù)性定義之間的差別是很明顯的，功能性定義強調(diào)的是外界行為和服務(wù)；技術(shù)性定義強調(diào)的則是構(gòu)成LAN所需的物質(zhì)基礎(chǔ)和構(gòu)成的方法。局域網(wǎng)(LAN)的名字本身就隱含了這種網(wǎng)絡(luò)地理范圍的局域性。由于較小的地理范圍的局限性。由于較小的地理范圍，LAN通常要比廣域網(wǎng)（WAN）具有高的多的傳輸速率,例如，目前LAN的傳輸速率為10Mb/s,FDDI的傳輸速率為100Mb/s,而WAN的主干線速率國內(nèi)目前僅為64kbps或2.048Mbps,最終用戶的上線速率通常為14.4kbps。局域網(wǎng)的基本部件要構(gòu)成LAN,必須有其基本部件。LAN既然是一種計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，自然少不了計算機(jī)，特別是個人計算機(jī)（PC）。幾乎沒有一種網(wǎng)絡(luò)只由大型機(jī)或小型機(jī)構(gòu)成。因此，對于LAN而言，個人計算機(jī)是一種必不可少的構(gòu)件。計算機(jī)互連在一起，當(dāng)然也不可能沒有傳輸媒體，這種媒體可以是同軸電纜、雙絞線、光纜或輻射性媒體。第三個構(gòu)件是任何一臺獨立計算機(jī)通常都不配備的網(wǎng)卡,也稱為網(wǎng)絡(luò)適配器,但在構(gòu)成LAN時，則是不可少的部件。第四個構(gòu)件是將計算機(jī)與傳輸媒體相連的各種連接設(shè)備，如DB-15插頭座、RJ-45插頭座等。具備了上述四種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件，便可搭成一個基本的LAN硬件平臺，如圖1-1所示。有了LAN硬件環(huán)境，還需要控制和管理LAN正常運行的軟件，即謂NOS是在每個PC機(jī)原有操作系統(tǒng)上增加網(wǎng)絡(luò)所需的功能。例如，當(dāng)需要在LAN上使用字處理程序時，用戶的感覺猶如沒有組成LAN一樣,這正是LAN操作發(fā)揮了對字處理程序訪問的管理。在LAN情況下，字處理程序的一個拷貝通常保存在文件服務(wù)器中，并由LAN上的任何一個用戶共享。由上面介紹的情況可知，組成LAN需要下述5種基本結(jié)構(gòu):（1） 計算機(jī)（特別是PC機(jī)）；（2） 傳輸媒體;（3） 網(wǎng)絡(luò)適配器；（4） 網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備；（5） 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。圖1-1基本的LAN硬件平臺局域網(wǎng)的特點與結(jié)構(gòu)局域網(wǎng)的特點相對于城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)來說，局域網(wǎng)具有以下特點：（1）覆蓋范圍小。（2）結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)成本低。（3）傳輸速率高。（4）誤碼率低，可靠性高。（5）易于更新擴(kuò)充。（6）介質(zhì)適應(yīng)性強。（7）使用靈活，易于操作，便于維護(hù)維修。局域網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)從連接結(jié)構(gòu)和工作方式的不同可以把局域網(wǎng)分成對等式和主從式兩種結(jié)構(gòu)。（1） 對等式（Peer-to-peer）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對等式網(wǎng)絡(luò)就是在網(wǎng)絡(luò)中不需要專用的服務(wù)器，每一臺接入網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)既是服務(wù)器，又是工作站。對等網(wǎng)拓?fù)淇梢允强偩€型結(jié)構(gòu)，也可以是星型結(jié)構(gòu)。對等網(wǎng)具有以下的優(yōu)點：組建和維護(hù)容易；不需要專用的服務(wù)器；可實現(xiàn)低價格組網(wǎng)；使用簡單。對等網(wǎng)的缺點是：數(shù)據(jù)的保密性差；文件的存放分散。（2） 主從式結(jié)構(gòu)主從式結(jié)構(gòu)即客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)（Client/Server）,網(wǎng)絡(luò)中至少有一臺被稱為服務(wù)器的計算機(jī)設(shè)備，客戶（Client）既可以與服務(wù)器（Server）通信，也可以與其他客戶直接通信。主從式結(jié)構(gòu)具有以下的優(yōu)點：可以有效地利用各工作站和服務(wù)器的資源；網(wǎng)絡(luò)的工作效率較高；數(shù)據(jù)的安全性好。其缺點是對工作站的管理較為復(fù)雜。局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指用傳輸媒體互連各種設(shè)備的物理布局。將參與LAN工作的各種設(shè)備用媒體互連在一起有多種方法,實際上只有幾種方式能適合LAN的工作。如果一個網(wǎng)絡(luò)只連接幾臺設(shè)備,最簡單的方法是將它們都直接相連在一起，這種連接稱為點對點連接。用這種方式形成的網(wǎng)絡(luò)稱為全互連網(wǎng)絡(luò),如圖1-2所示。圖中有6個設(shè)備，在全互連情況下，需要15條傳輸線路。如果要連的設(shè)備有n個,所需線路將達(dá)到n（n-1）/2條!顯而易見,這種方式只有在涉及地理范圍不大，設(shè)備數(shù)很少的條件下才有使用的可能。即使屬于這種環(huán)境，在LAN技術(shù)中也不使用。這里所以給出這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是因為當(dāng)需要通過互連設(shè)備（如路由器）互連多個LAN時,

將有可能遇到這種廣域網(wǎng)(WAN)的互連技術(shù)。將有可能遇到這種廣域網(wǎng)(WAN)的互連技術(shù)。圖1-2全互連網(wǎng)絡(luò)目前大多數(shù)LAN使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有3種：星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；1.4.1星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星型結(jié)構(gòu)是最古老的一種連接方式，大家每天都使用的電話都屬于這種結(jié)構(gòu)，如圖1-3所示。其中，圖l-3(a)為電話網(wǎng)的星型結(jié)構(gòu)，圖l-3(b)為目前使用最普遍的以太網(wǎng)(Ethernet)星型結(jié)構(gòu)，處于中心位置的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備稱為集線器，英文名為Hub。(a)電話網(wǎng)的星行結(jié)構(gòu)瞼交換機(jī)PC Hub pcPC PC⑹以Hub為中心的結(jié)構(gòu)(a)電話網(wǎng)的星行結(jié)構(gòu)瞼交換機(jī)PC Hub pcPC PC⑹以Hub為中心的結(jié)構(gòu)圖1-3這種結(jié)構(gòu)便于集中控制，因為端用戶之間的通信必須經(jīng)過中心站。由于這一特點也帶來了易于維護(hù)和安全等優(yōu)點。端用戶設(shè)備因為故障而停機(jī)時也不會影響其它端用戶間的通信但這種結(jié)構(gòu)非常不利的一點是,中心系統(tǒng)必須具有極高的可靠性,因為中心系統(tǒng)一旦損壞，整個系統(tǒng)便趨于癱瘓。對此中心系統(tǒng)通常采用雙機(jī)熱備份,以提高系統(tǒng)的可靠性。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一種擴(kuò)充便是星行樹,如圖1-4所示。每個Hub與端用戶的連接仍為星型，Hub的級連而形成樹。然而，應(yīng)當(dāng)指出,Hub級連的個數(shù)是有限制的,并隨廠商的不同而有變化。PC PC PCPC PC圖1-4星行樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還應(yīng)指出，以Hub構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，雖然呈星型布局，但它使用的訪問媒體的機(jī)制卻仍是共享媒體的總線。環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)環(huán)型結(jié)構(gòu)在LAN中使用較多。這種結(jié)構(gòu)中的傳輸媒體從一個端用戶到另一個端用戶，直到將所有端用戶連成環(huán)型，如圖1-5所示。這種結(jié)構(gòu)顯而易見消除了端用戶通信時對中心系統(tǒng)的依賴性。圖1-5環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)環(huán)行結(jié)構(gòu)的特點是,每個端用戶都與兩個相臨的端用戶相連,因而存在著點到點鏈路,但總是以單向方式操作。于是,便有上游端用戶和下游端用戶之稱。例如圖1-5中，用戶N是用戶N+1的上游端用戶，N+1是N的下游端用戶。如果N+1端需將數(shù)據(jù)發(fā)送到N端，則幾乎要繞環(huán)一周才能到達(dá)N端。環(huán)上傳輸?shù)娜魏螆笪亩急仨毚┻^所有端點，因此，如果環(huán)的某一點斷開，環(huán)上所有端間的通信便會終止。為克服這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的脆弱，每個端點除與一個環(huán)相連外，還連接到備用環(huán)上，當(dāng)主環(huán)故障時，自動轉(zhuǎn)到備用環(huán)上?？偩€拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)是使用同一媒體或電纜連接所有端用戶的一種方式，也就是說，連接端用戶的物理媒體由所有設(shè)備共享，如圖1-6所示。使用這種結(jié)構(gòu)必須解決的一個問題是確保端用戶使用媒體發(fā)送數(shù)據(jù)時不能出現(xiàn)沖突。在點到點鏈路配置時，這是相當(dāng)簡單的。如果這條鏈路是半雙工操作，只需使用很簡單的機(jī)制便可保證兩個端用戶輪流工作。在一點到多點方式中，對線路的訪問依靠控制端的探詢來確定。然而，在LAN環(huán)境下，由于所有數(shù)據(jù)站都是平等的，不能采取上述機(jī)制。對此，研究了一種在總線共享型網(wǎng)絡(luò)使用的媒體訪問方法:帶有碰撞檢測的載波偵聽多路訪問，英文縮寫成CSMA/CD。圖1-6總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)具有費用低、數(shù)據(jù)端用戶入網(wǎng)靈活、站點或某個端用戶失效不影響其它站點或端用戶通信的優(yōu)點。缺點是一次僅能一個端用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，其它端用戶必須等待到獲得發(fā)送權(quán)。媒體訪問獲取機(jī)制較復(fù)雜。盡管有上述一些缺點，但由于布線要求簡單，擴(kuò)充容易，端用戶失效、增刪不影響全網(wǎng)工作,所以是LAN技術(shù)中使用最普遍的一種［5。］網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(NOS)是網(wǎng)絡(luò)的心臟和靈魂，是向網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)提供服務(wù)的特殊的操作系統(tǒng)它在計算機(jī)操作系統(tǒng)下工作,使計算機(jī)操作系統(tǒng)增加了網(wǎng)絡(luò)操作所需要的能力。例如象前面已談到的當(dāng)你在LAN上使用字處理程序時，你的PC機(jī)操作系統(tǒng)的行為象在沒有構(gòu)成LAN時一樣，這正是LAN操作系統(tǒng)軟件管理了你對字處理程序的訪問。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)運行在稱為服務(wù)器的計算機(jī)上，并由連網(wǎng)的計算機(jī)用戶共享，這類用戶稱為客戶。NOS與運行在工作站上的單用戶操作系統(tǒng)或多用戶操作系統(tǒng)由于提供的服務(wù)類型不同而有差別。一般情況下，NOS是以使網(wǎng)絡(luò)相關(guān)特性最佳為目的的。如共享數(shù)據(jù)文件、軟件應(yīng)用以及共享硬盤、打印機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、掃描儀和傳真機(jī)等。一般計算機(jī)的操作系統(tǒng)，如DOS和OS/2等，其目的是讓用戶與系統(tǒng)及在此操作系統(tǒng)上運行的各種應(yīng)用之間的交互作用最佳。為防止一次由一個以上的用戶對文件進(jìn)行訪問，一般網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)都具有文件加鎖功能。如果沒有這種功能，將不會正常工作。文件加鎖功能可跟蹤使用中的每個文件，并確保一次只能一個用戶對其進(jìn)行編輯。文件也可由用戶的口令加鎖，以維持專用文件的專用性。NOS還負(fù)責(zé)管理LAN用戶和LAN打印機(jī)之間的連接。NOS總是跟蹤每一個可供使用的打印機(jī)以及每個用戶的打印請求，并對如何滿足這些請求進(jìn)行管理，使每個端用戶的操作系統(tǒng)感到所希望的打印機(jī)猶如與其計算機(jī)直接相連。NOS還對每個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信進(jìn)行管理，這是通過NOS中的媒體訪問法來實現(xiàn)的。NOS的各種安全特性可用來管理每個用戶的訪問權(quán)利，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)的安全保密。因此,NOS從根本上說是一種管理器,用來管理連接、資源和通信量的流向。本章小結(jié)本章主要是從局域網(wǎng)的定義、基本部件、特點和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)等方面介紹了局域網(wǎng)方面的基礎(chǔ)知識，著重闡述了局域網(wǎng)的三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為下文的網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況的分析打下了基礎(chǔ)。第二章網(wǎng)絡(luò)擁塞網(wǎng)絡(luò)擁塞概述隨著INTERNET網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與服務(wù)層出不窮，從基于文本方式的遠(yuǎn)程登錄、電子郵件等到基于多媒體的視頻服務(wù)、多媒體數(shù)據(jù)流服務(wù)，再到當(dāng)前的各種綜合性應(yīng)用，如WWW、電子商務(wù)等等。但是應(yīng)該看到，網(wǎng)絡(luò)通信量也隨之迅猛增長，與此同時網(wǎng)絡(luò)的帶寬的增長卻相對緩慢，這使得網(wǎng)絡(luò)擁塞問題日益突出，己經(jīng)成為當(dāng)前一個巫待解決的重要問題。為了解決這一問題，必須采取一定的擁塞避免和控制措施，在確保網(wǎng)絡(luò)暢通的同時提供一定的用戶服務(wù)質(zhì)量保證。網(wǎng)絡(luò)擁塞的概念與擁塞的產(chǎn)生原因所謂擁塞是指用戶提交給網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載大于網(wǎng)絡(luò)資源結(jié)點容量和處理能力。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的帶寬、網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的緩沖區(qū)和處理機(jī)等，都屬于網(wǎng)絡(luò)資源。在某段時間內(nèi)，若對網(wǎng)絡(luò)中的某一資源的需求超過了該資源所能提供的可用部分，網(wǎng)絡(luò)的性能就會下降，這時就認(rèn)為擁塞產(chǎn)生。擁塞產(chǎn)生的條件表示為式：刀對資源的需求〉可用的資源擁塞現(xiàn)象的發(fā)生和數(shù)據(jù)網(wǎng)的設(shè)計機(jī)制有著密切關(guān)系，該設(shè)計機(jī)制簡單來說包括三個方面的概念:一是基于數(shù)據(jù)包交換(PacketSwitched)的概念，與傳統(tǒng)電路交換(Circuitswitched)相比，為提高資源利用效率，包交換網(wǎng)絡(luò)對資源的利用是基于統(tǒng)計復(fù)用CStatisticalMultiplexing)的。因此在基于統(tǒng)計復(fù)用的情況下，很難保證用戶的服務(wù)質(zhì)量，并且很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)包“亂序”的現(xiàn)象，對亂序數(shù)據(jù)包的處理會大大增加擁塞控制的復(fù)雜性。二是無連接(Connectionless)的概念，發(fā)送端與接收端之間在發(fā)送數(shù)據(jù)之前不需要建立連接，從而簡化了網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點上也無需保留和連接有關(guān)的狀態(tài)信息。但無連接模型很難引入接納控制，在用戶需求大于網(wǎng)絡(luò)資源時難以保證服務(wù)質(zhì)量。此外，由于對數(shù)據(jù)發(fā)送源的追蹤能力很差，給網(wǎng)絡(luò)安全帶來了隱患;無連接也是網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)亂序數(shù)據(jù)包的主要原因。三是“盡力而為”的概念，不對網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)提供服務(wù)質(zhì)量保證。在這種服務(wù)模型下，所有的業(yè)務(wù)流被“一視同仁”地公平地競爭網(wǎng)絡(luò)資源，路由器對所有的數(shù)據(jù)包都采用先來先處理(FirstComeFirstServiceFCFS的工作方式，它盡最大努力將數(shù)據(jù)包包送達(dá)目的地。但對數(shù)據(jù)包傳遞的可靠性、延遲等不能提供任何保證。為方便對擁塞問題的研究，可以將網(wǎng)絡(luò)看作一個隊列的集合。在每個節(jié)點(交換機(jī)、路由器或其他設(shè)備)，每一個輸出信道卜都有一個分組隊列。如果分組(數(shù)據(jù)包)到達(dá)和排隊的速率超過信道傳輸?shù)哪芰?，隊列的大小就會不停地增長而數(shù)據(jù)包經(jīng)歷的延遲就會變得越來越長。使用圖2-1可以描述擁塞發(fā)生的過程。當(dāng)負(fù)載較小時吞吐量的增長和負(fù)載相比基本成線性關(guān)系，延遲增長緩慢:在負(fù)載超過膝點(Knee)之后，吞吐量增長變得緩慢，延遲增長則較快。當(dāng)負(fù)載超過崖點(Cliff)之后吞吐量反而急劇下降，延遲急劇上升。可以看出，負(fù)載在膝點附近對網(wǎng)絡(luò)性能最佳。圖2-1吞吐量、延遲與負(fù)載的關(guān)系示意圖通過以上分析，可以看出，擁塞產(chǎn)生的主要原因有:網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的緩沖區(qū)存儲空間不足網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常出現(xiàn)若干輸入數(shù)據(jù)流向同一輸出端口發(fā)送數(shù)據(jù)的情況，此時這些數(shù)據(jù)流將在輸出端口排隊，如果輸出端口沒有足夠的存儲空間，數(shù)據(jù)包將被丟棄。增加存儲容量在某種程度上可以緩解這一矛盾，但是當(dāng)存儲容量無限增加的時候，擁塞將會更加嚴(yán)重.因為當(dāng)數(shù)據(jù)包經(jīng)過長時間排隊完成轉(zhuǎn)發(fā)時，它們早已超時，所以源端會認(rèn)為這些數(shù)據(jù)包已經(jīng)被丟棄；然而，這些數(shù)據(jù)包還會繼續(xù)向下一跳路由器轉(zhuǎn)發(fā)，從而浪費了網(wǎng)絡(luò)資源，加重了網(wǎng)絡(luò)擁塞。帶寬容量不足高速的數(shù)據(jù)通過低速鏈路時會因為帶寬不足產(chǎn)生擁塞。只有當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送的速率R小于或等于信道容量C時，才有可能避免擁塞?如果R>C,即當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)的速率大于信道容量時，無差錯傳輸通常是不可能的。所以，網(wǎng)絡(luò)中的低速鏈路是網(wǎng)絡(luò)傳輸中的瓶頸，擁塞往往會在高速數(shù)據(jù)向低速鏈路傳輸?shù)倪^程中產(chǎn)生。處理器處理能力弱、速度慢當(dāng)路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)包排隊或者對路由表更新的處理速度無法滿足高速鏈路的傳輸速度的需要時，也會因處理器處理能力弱而產(chǎn)生擁塞。解決擁塞必須從系統(tǒng)各部分的關(guān)系入手，從整體上加以優(yōu)化。單純提高鏈路帶寬而不相應(yīng)地提高處理器速度與網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的緩沖區(qū)容量只會轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)瓶頸，而不能避免擁塞［10。］網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的一般原理所謂擁塞控制是指采用合理的算法與機(jī)制確保網(wǎng)絡(luò)不因數(shù)據(jù)流過大而耗盡網(wǎng)絡(luò)結(jié)點資源而導(dǎo)致由擁塞造成的網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降甚至網(wǎng)絡(luò)的崩潰。擁塞問題的解決，一方面，可以通過增大網(wǎng)絡(luò)的某些資源，來達(dá)到擁塞的控制的目的，其具體手段可以是增大已有數(shù)據(jù)鏈路的帶寬或者是增加額外的數(shù)據(jù)鏈路；另一方面，也可以通過減少用戶對某些資源的需求來達(dá)到擁塞控制的目的，其具體手段可以是拒絕接受新的連接建立請求或者是要求用戶主動減輕注入網(wǎng)絡(luò)的流量。然而，前一種方式需要網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體性能的提升和資金的大量投入，因此，多數(shù)的情況下，是通過后一種方式實施擁塞控制。其基本思想是通過設(shè)計恰當(dāng)?shù)膿砣刂扑惴?，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的緩沖區(qū)容量和網(wǎng)絡(luò)結(jié)點處理機(jī)處理能力的基礎(chǔ)之上，通過控制網(wǎng)絡(luò)流量的注入及網(wǎng)絡(luò)流量共享資源的方式，控制可能產(chǎn)生的擁塞。實踐證明，設(shè)計一個好的擁塞控制算法是很困難的。這主要是因為網(wǎng)絡(luò)中的流量變化是一個動態(tài)過程而非一個靜態(tài)的過程。但是，從大的方向上看，可以將擁塞控制算法分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種基本控制方式叫。所謂開環(huán)控制方法就是在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)時，事先將所有可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞產(chǎn)生的因素考慮周到，力求在工作時不產(chǎn)生擁塞。一旦整個系統(tǒng)運行起來，就不再需要進(jìn)行中途修正。閉環(huán)控制則是基于反饋的概念，它采取一種動態(tài)系統(tǒng)控制，主要包括反饋機(jī)制和控制機(jī)制兩個方面。反饋機(jī)制把當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，如有無擁塞及擁塞的程度等信息通知源結(jié)點，源結(jié)點在收到這些擁塞信息后會減少它注入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包。具體地說，閉環(huán)控制包括以下幾個方面的內(nèi)容：檢測網(wǎng)絡(luò)擁塞在何時、何地發(fā)生網(wǎng)絡(luò)中間結(jié)點，例如交換機(jī)或路由器，是檢測擁塞發(fā)生的最好場所。擁塞的程度可以根據(jù)交換機(jī)或路由器中緩沖隊列長度來確定。將擁塞發(fā)生的信息傳送到可以采取措施的地方網(wǎng)絡(luò)中間結(jié)點在檢測到擁塞后可以利用數(shù)據(jù)包包頭中設(shè)計的擁塞信息位向源結(jié)點通知擁塞；也可以直接向源結(jié)點發(fā)送特殊的控制包通知擁塞發(fā)生；還可以通過丟棄某些數(shù)據(jù)包，讓源結(jié)點依據(jù)該數(shù)據(jù)包的丟失判別擁塞的發(fā)生。調(diào)整網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行以解決出現(xiàn)的問題源結(jié)點在收到擁塞信息后會減少它發(fā)給網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包，以減少其注入網(wǎng)絡(luò)的流量。這才是解決網(wǎng)絡(luò)擁塞問題的根本方式。顯然，網(wǎng)絡(luò)擁塞的檢測非常重要。有很多方法可以用來在網(wǎng)絡(luò)中間結(jié)點檢測網(wǎng)絡(luò)的擁塞，主要是依據(jù)指標(biāo)有：由于缺少緩沖區(qū)空間而被丟棄的分組百分?jǐn)?shù)、網(wǎng)絡(luò)中間結(jié)點緩沖區(qū)的隊列長度、超時重傳的分組數(shù)、平均分組時延等。上述這些指標(biāo)的上升都標(biāo)志著擁塞的加?。?］。擁塞控制的研究意義在剛剛過去的幾年中，有相當(dāng)多的研究都試圖擴(kuò)展Internet的體系結(jié)構(gòu)，為即將大量出現(xiàn)的實時多媒體應(yīng)用提供服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證，有關(guān)QoS的研究引起了不少爭議，一些基于網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點上單個流狀態(tài)的業(yè)務(wù)模型通常具有較復(fù)雜的實現(xiàn)機(jī)制，可擴(kuò)展性是該類業(yè)務(wù)模型存在的嚴(yán)重問題;另外一些研究認(rèn)為在具有充足資源的盡力傳輸(bestefort)網(wǎng)絡(luò)中，所有的問題都會迎刃而解，這種觀點難以令人置信。倒是大多數(shù)人認(rèn)為更多、更合理的控制機(jī)制對已有網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運行無疑將是至關(guān)重要的。其中一個最基本和最重要的要求就是防止網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞崩潰，使網(wǎng)絡(luò)運行在輕度擁塞的最佳狀態(tài)，同時保證一定的公平性;在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中采用恰當(dāng)?shù)目刂茩C(jī)制也有可能引入一定的區(qū)分業(yè)務(wù)等級，這種思路強調(diào)己取得較大成功的Intemet固有的本質(zhì)屬性和最初的設(shè)計原則，而不是一味地放大現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)中存在的不足與缺陷，這應(yīng)該是一種較為合理的工程技術(shù)途徑。最初設(shè)計的Internet是非面向連接的分組交換網(wǎng)絡(luò)，所有的業(yè)務(wù)分組被不加區(qū)分地在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，網(wǎng)絡(luò)能給出的唯一承諾就是盡自己最大的努力傳輸進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的每一個分組，但它無法給出一個定量的性能指標(biāo)，譬如，吞吐里、端到端時延和分組丟失率等參量的界。相應(yīng)地，用戶也無需進(jìn)行業(yè)務(wù)許可請求，因此網(wǎng)絡(luò)的性能不僅僅是其本身可以確定的，還受用戶施加負(fù)載的影響，很顯然，這種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)缺乏一定的隔離和保護(hù)機(jī)制，但是建立在這種體系結(jié)構(gòu)上的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有較強的靈活性和適應(yīng)性。隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，應(yīng)用模式不斷豐富，加之商業(yè)化進(jìn)程的推動。越來越需要對網(wǎng)絡(luò)所傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)類型有一個較為具體和明確的定義，即所謂的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)模型。從早期的ISDN，到IntServ，再到后來的DifServ，這些都是結(jié)合應(yīng)用的需要和技術(shù)的發(fā)展提出來的。無論最終采用哪一種業(yè)務(wù)體系結(jié)構(gòu)，其技術(shù)的核心都需要在恰當(dāng)?shù)膶哟魏土６壬蠈α髁窟M(jìn)行必要的管理，其中包括接納控制、流量成形、隊列管理、調(diào)度和擁塞控制等諸多方面，但最基本和最核心的應(yīng)該依舊是擁塞控制，因為很難想象一個時常有可能出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)砣覠o法及時加以恢復(fù)的網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的QoS保證。實施擁塞控制應(yīng)該是其它QoS機(jī)制正常工作的必要前提。當(dāng)然，擁塞控制的研究并非由QoS保證而起，它一直是分組交換網(wǎng)絡(luò)中倍受關(guān)注的一個技術(shù)熱點，對于它的研究，除了具有延續(xù)性的技術(shù)意義之外，在強調(diào)業(yè)務(wù)模型的新網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，如何通過增強的擁塞控制為QoS的實現(xiàn)提供一定的便利，也是擁塞控制研究的目標(biāo)之一［6］。擁塞是一種持續(xù)過載的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，此時用戶對網(wǎng)絡(luò)資源(包括鏈路帶寬、存儲空間和處理器處理能力等)的需求超過了其固有的容量。就Intemet的體系結(jié)構(gòu)而言，擁塞的發(fā)生是其固有的屬性。因為在事先沒有任何協(xié)商和請求許可機(jī)制的資源共享網(wǎng)絡(luò)中，幾個IP分組同時到達(dá)路由器，并期望經(jīng)同一個輸出端口轉(zhuǎn)發(fā)的可能性是存在的，顯然，不是所有分組可以同時接受處理，必須有一個服務(wù)順序，中間節(jié)點上的緩存為等候服務(wù)的分組提供一定保護(hù)。然而，如果此狀況具有一定的持續(xù)性，當(dāng)緩存空間被耗盡時，路由器只有丟棄分組。表面上，增大緩存總可以防止由于擁塞引起的分組丟棄，但隨著緩存的增加，端到端的時延也相應(yīng)增大，因為分組的持續(xù)時間(lifetime)是有限的，超時的分組同樣需要重傳。因此，過大的緩存空間倒有可能妨礙擁塞的恢復(fù)，因為有些分組白白浪費了網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬。擁塞導(dǎo)致的直接結(jié)果是分組丟失率提高，端到端時延加大，甚至有可能使整個系統(tǒng)發(fā)生崩潰。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于擁塞崩潰狀態(tài)時，微小的負(fù)載增量都將使網(wǎng)絡(luò)的有效吞吐量(goodput)急劇下降。擁塞崩潰對Internet的威脅可以追溯到其早期的發(fā)展中，1984年Nagle報告了由于TCP連接中沒必要的重傳所誘發(fā)的擁塞崩潰，1986—1987年間這種現(xiàn)象曾經(jīng)多次發(fā)生，嚴(yán)重時一度使LBL到UCBerkeley之間的數(shù)據(jù)吞吐量從32Kbps跌落到了40bps。除此之外，還有其他一些誘發(fā)擁塞崩潰的原因，例如，不可達(dá)分組(undeliveredpackets)導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)崩潰，它與前一種有所不同，不是一種穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)負(fù)載減小時，擁塞可以自動恢復(fù)。Floyd也報告了一種擁塞崩潰現(xiàn)象，即分片擁塞崩潰，網(wǎng)絡(luò)傳輸了大t的分組分片，但因為無法在接收端重裝成有效的分組而只好將它們丟棄。網(wǎng)絡(luò)傳輸大量用戶不再需要的陳舊分組(stablepackets)會導(dǎo)致另一種形式的擁塞崩潰現(xiàn)象。圖2-2刻畫了負(fù)載與吞吐量之間的關(guān)系，當(dāng)負(fù)載較小時，吞吐量與負(fù)載之間呈線性關(guān)系，到達(dá)膝點(Knee)之后，隨負(fù)載的增加，吞吐量的增量逐漸變小。當(dāng)負(fù)載越過崖點(Cliff)之后，吞吐量卻急劇下降。通常將Keen點附近稱為擁塞避免區(qū)間；Keen和Cliff之間是擁塞恢復(fù)區(qū)間；Cliff之外是擁塞崩潰區(qū)間。為最大限度地利用資源，網(wǎng)絡(luò)工作在輕度擁塞狀態(tài)時應(yīng)該是較為理想的，但這也增加了滑向擁塞崩潰的可能性，因此需要一定的擁塞控制機(jī)制來加以約束和限制，這是研究擁塞控制最本質(zhì)的意義［5。］本章小結(jié)本章首先講述了擁塞的概念，接著從吞吐量、延遲、負(fù)載之間的關(guān)系圖上分析了擁塞產(chǎn)生的過程，總結(jié)出了擁塞產(chǎn)生的原因，介紹了擁塞控制的原理，最后說明了擁塞導(dǎo)致的后果以及研究擁塞控制的意義。第三章局域網(wǎng)出口擁塞判別局域網(wǎng)出口擁塞控制的基本考慮局域網(wǎng)出口是一種典型的鏈路匯聚狀態(tài),局域網(wǎng)所有用戶都通過同一個出口訪問外部網(wǎng)絡(luò),擁塞往往會在這種匯聚狀態(tài)下產(chǎn)生。若不實施恰當(dāng)?shù)膿砣刂?就難以保證網(wǎng)絡(luò)正常運轉(zhuǎn),也不能保證重要流量的帶寬。為了解決局域網(wǎng)出口擁塞問題，一種直接的方式就是升級出口路由器設(shè)備、增大出口帶寬從而盡量避免擁塞。但是這種方式并不能徹底地解決問題。主要原因在于通過升級增加出口帶寬相對而言比較昂貴，而且局域網(wǎng)出口通信量的增長并不總是和系統(tǒng)的升級成正比，因此有必要實施針對局域網(wǎng)出口的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制。針對局域網(wǎng)到廣域網(wǎng)出口的擁塞控制有如圖3-1、3-2所示的兩種基本的控制系統(tǒng)接入方式。（1） 串行接入控制方式

圖3-1串行接入的局域網(wǎng)出口擁塞控制方式串行接入控制方式如圖3-1所示。在這種接入方式下，控制系統(tǒng)能夠?qū)τ诿總€通過網(wǎng)絡(luò)出口的數(shù)據(jù)包進(jìn)行實時檢查，從而決定某個連接是否建立或某個數(shù)據(jù)包是否通過。這種方式的優(yōu)勢在于它有很強的控制力度，從而具有很好的控制效果。這種方式的不足在于：在網(wǎng)絡(luò)正常狀態(tài)下，它會帶來不必要的網(wǎng)絡(luò)傳輸時延；另外，一旦系統(tǒng)硬件產(chǎn)生故障，將會對整個網(wǎng)絡(luò)的運行帶來不良影響，甚至?xí)?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出口不可使用。（2） 并行接人方式圖3-2并行接人的局域網(wǎng)出口擁塞控制方式并行接人方式如圖3-2所示。這種方式不能夠通過對每個數(shù)據(jù)包進(jìn)行實時檢查來決定某個連接是否建立或某個數(shù)據(jù)包是否通過，因此，其控制力度相對較弱。但它的優(yōu)勢在于：在網(wǎng)絡(luò)正常狀態(tài)下，它不會帶來不必要的網(wǎng)絡(luò)傳輸時延；在擁塞產(chǎn)生時，若能采取有效的手段，同樣能達(dá)到較強的控制效果；另外，即使控制系統(tǒng)產(chǎn)生硬件故障，也不會對整個網(wǎng)絡(luò)的運行帶來不良影響。為了維護(hù)局域網(wǎng)運行的穩(wěn)定性以及可靠性，我們選取并行方式作為針對局域網(wǎng)出口擁塞實施控制的控制系統(tǒng)接入方式。這種控制方式的基本思路是通過一個置于局域網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備實時監(jiān)視局域網(wǎng)出口擁塞狀況，并同時記錄進(jìn)出口的TCP流量信息。在擁塞發(fā)生時，針對局域網(wǎng)出口的不同擁塞狀態(tài)，結(jié)合用戶定義的控制策略以及記錄的網(wǎng)絡(luò)中實際流量狀況，共同決定擁塞控制中的對象選擇和控制力度，實施有效的擁塞控制。這種方式又可以稱為基于偵聽機(jī)制的擁塞控制方式，因為它對于出口擁塞狀態(tài)的監(jiān)視以及對于網(wǎng)絡(luò)流量的統(tǒng)計都是采用偵聽的方式實現(xiàn)的?；趥陕牂C(jī)制的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制模型架構(gòu)及其工作流程3.2.1i-NCCM模型架構(gòu)本文給出的基于偵聽機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制模型(i-NCCM)就是基于上述考慮所設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖3-3所示：圖3-3基于偵聽機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制模型該模型由四個主要功能模塊構(gòu)成。統(tǒng)計模塊負(fù)責(zé)統(tǒng)計TCP連接信息。該模塊通過捕獲并解析IP數(shù)據(jù)包，獲得TCP連接及各連接所占用的帶寬等信息，并以此作為擁塞控制時選取擁塞控制對象的一個依據(jù)。策略配置模塊實施擁塞控制時，需要依據(jù)一定的控制策略，這些策略都是在策略配置模塊中配置的，例如哪些IP地址段需要保證帶寬、哪些服務(wù)具有較高的網(wǎng)絡(luò)帶寬使用優(yōu)先權(quán)等?？刂浦行膶⑻崛〔呗耘渲媚K中的配置策略作為選取擁塞控制對象的依據(jù)?？刂浦行南到y(tǒng)的核心模塊。該模塊借助SNMP協(xié)議偵聽局域網(wǎng)出口狀態(tài)，進(jìn)行擁塞判別;當(dāng)需要進(jìn)行擁塞控制時，分析統(tǒng)計模塊所提交的信息，根據(jù)策略配置模塊中的配置策略，形成擁塞控制優(yōu)先級隊列;然后，根據(jù)擁塞控制算法，從擁塞控制優(yōu)先級隊列中選取若干子隊列形成擁塞控制隊列集合，作為最后的擁塞控制對象，交由執(zhí)行模塊實施擁塞控制。執(zhí)行模塊擁塞控制的實際執(zhí)行者。根據(jù)控制中心所選取的控制對象，產(chǎn)生具體的ICMP和TCP報文，對TCP連接發(fā)送控制命令⑷3.2.2i-NCCM工作流程i-NCCM具體實施包括兩個方面的內(nèi)容，系統(tǒng)初始化過程與系統(tǒng)正常工作流程，下面從這兩個方面具體說明。i-NCCM初始化過程：a,策略配置：配置擁塞控制優(yōu)先級隊列形成中所需要的分類策略與排隊策略；b，執(zhí)行模塊初始化：擁塞控制隊列集合中的實際隊列個數(shù)初始化為0，即擁塞控制隊列集合中還沒有任何子隊列；c，統(tǒng)計模塊初始化：啟動并初始化流量統(tǒng)計模塊，開始統(tǒng)計流量；d,控制中心初始化：配置系統(tǒng)控制周期T—完整的統(tǒng)計與控制周期；配置擁塞判別中的闡值。系統(tǒng)控制周期T可以由用戶自定義，建議值為1分鐘到5分鐘之間；i-NCCM正常工作流程下面從i-NCCM配置并正常啟動后，在一個完整的統(tǒng)計與控制周期中的完整工作過程來說明i-NCCM的正常工作流程。在T/2時間，進(jìn)行SNMP輪詢，獲取擁塞判別中的相關(guān)參數(shù)；系統(tǒng)控制周期時間T結(jié)束時，首先停止任何可能正在實施的控制執(zhí)行措施，并根據(jù)當(dāng)借助SNMP取得的參數(shù)判別出口擁塞狀態(tài)。根據(jù)T時間內(nèi)的不同擁塞狀態(tài)，可能有兩種不同的處理：如果需要擁塞控制，則需要根據(jù)流童統(tǒng)計表，選擇新的控制對象，具體包括以下三個方面的內(nèi)容：I，提取統(tǒng)計模塊中的流量統(tǒng)計信息并將統(tǒng)計模塊中的流量分類排隊，形成擁塞控制優(yōu)先級隊列;根據(jù)本文設(shè)計的擁塞控制算法，從擁塞控制優(yōu)先級隊列中選取擁塞控制對象，并確定控制措施。將該控制對象與相應(yīng)控制措施提交執(zhí)行模塊，實施擁塞控制。刷新流量統(tǒng)計表，并進(jìn)行下一周期內(nèi)的流量統(tǒng)計。如果無需擁塞控制，則不需要進(jìn)行控制對象的選取，僅僅對TCP流量統(tǒng)計表更新，并實施下一統(tǒng)計控制周期T內(nèi)的流量統(tǒng)計即可。在經(jīng)過初始化后，系統(tǒng)將沿著正常工作流程運行，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有擁塞發(fā)生時，實施相應(yīng)擁塞控制；否則，該系統(tǒng)會實時監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)出口狀態(tài)，但并不實施任何控制，也不對網(wǎng)路的正常運轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)面的影響。局域網(wǎng)出口擁塞狀態(tài)劃分擁塞判別就是要在實時獲取出口各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)的前提下，根據(jù)判別規(guī)則，判斷出口擁塞狀態(tài)，以便根據(jù)此狀態(tài)實施有效的擁塞控制。在擁塞判別前，首先將局域網(wǎng)出口擁塞狀態(tài)劃分為四種：無擁塞、輕度擁塞、中度擁塞、嚴(yán)重?fù)砣?，如圖3-4所示。無擁塞：局域網(wǎng)出口處于輕載狀態(tài)；輕度擁塞：網(wǎng)絡(luò)最佳狀態(tài)。此時，網(wǎng)絡(luò)在保持服務(wù)質(zhì)量的同時，出口吞吐量也接近最大；中度擁塞：網(wǎng)絡(luò)匯聚流量增大的情況下，吞吐率反呈下降趨勢，此時需要對流量進(jìn)行調(diào)控；嚴(yán)重?fù)砣和掏侣始眲∠陆?，須通過丟棄數(shù)據(jù)包或拒絕新的連接請求等較強控制手段保證網(wǎng)絡(luò)的正常運行。3.4擁塞判別數(shù)據(jù)獲取對于局域網(wǎng)出口擁塞狀況的判別，可以在分析局域網(wǎng)到廣域網(wǎng)出口與流量相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上得到。這些參數(shù)可以通過對SNMPMIB相關(guān)統(tǒng)計量的分析基礎(chǔ)之上獲得。下面說明在SNMPMIB中定義的與局域網(wǎng)到廣域網(wǎng)出口流量相關(guān)的相關(guān)統(tǒng)計量并對這些統(tǒng)計量做了簡單的分析，作為下一步討論擁塞判別的基礎(chǔ)。3.4.1SNMP相關(guān)統(tǒng)計量為了獲得局域網(wǎng)出口相關(guān)統(tǒng)計量，需要使用簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMP(SimpleNetworkManagementProtocol)，從路由器的局域網(wǎng)到廣域網(wǎng)(LAN->WAN)的接口中讀取出口相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。SNMP是由IETF提出的，隨著TCP/IP成為事實上的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)而廣泛被使用的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議。SNMP主要由三部分組成：管理者、代理和管理信息庫MIB(ManagementInformationBase)。MIB遵從管理信息結(jié)構(gòu)SMI(StructureofManagementInformation)定義，用來存放設(shè)備或者網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)的信息。管理站通過GetRequest,GetNextRequest,SetRequest,GetResponse,Trap等操作從代理中獲取MIB中的參數(shù)值，基本原理如圖3-5所示。

圖3-5SNMP通信原理MIB所定義的接口組里，和流量相關(guān)的統(tǒng)計量如表3.1所示。表3.1與流量相關(guān)的MIB對象對象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說明IflnOctetsu_Int64指定接口接收到的字節(jié)總數(shù)IfOutOctetsu_Int64指定接口發(fā)送的字節(jié)總數(shù)IfInUcastPktsu_Int64發(fā)往高層協(xié)議的單播包數(shù)IfOutUcastPktsu_Int64咼層協(xié)議請求的單播包數(shù)IfInNUcastPktsu_Int64發(fā)往高層協(xié)議的非單播包數(shù)IfOutNUcastPktsu_Int64咼層協(xié)議請求的非單播包數(shù)IflnDiscardsu_Int64指定接口丟棄的輸入包數(shù)IfOutDiscardsu_Int64指定接口丟棄的輸出包數(shù)IflnErrorsu_Int64包含錯誤的輸入包數(shù)IfOutErrorsu_Int64由于包含錯誤而不能傳輸?shù)妮敵霭鼣?shù)IflnUnknownProtosu_Int64由于屬于位置或不支持的協(xié)議而被拋棄的輸入包數(shù)IfOutQLenu_Int64輸出緩沖區(qū)中的包數(shù)IfSpeeedu_Int64廣域網(wǎng)接口的最大帶寬，單位為比特/秒3.4.2SNMP統(tǒng)計量分析在取得上述值的基礎(chǔ)上，我們可以計算出如下統(tǒng)計量：(1)出口帶寬利用率R_bandwith=(WflnOctets+'ifOutOctet)*8ifSpeed*^ (3_1)其中，At為輪詢時間間隔；lngts表示在時間間隔內(nèi)指定接口發(fā)送

的字節(jié)數(shù)；AiflnOutoctets表示在時間間隔“內(nèi)指定接口接收的字節(jié)數(shù)。（2） 端口輸入錯誤百分率3-2)R_in_error— fInErrors 3-2)iflnUcastPkts+iflnNucastPkts（3） 端口輸出錯誤百分率3-3)R_out_error— ifOutError 3-3)ifOutUcasPkts+ifOutNucastPkts（4） 端口輸入丟失率R_in_loss— iflnDiscards3-4)iflnUcastPkts+iflnNucastPkts3-4)（5） 端口輸出丟失率R_out_loss— ifOutDiscardsifOutUcastPkts+ifOutNucastPkts上述相關(guān)統(tǒng)計量與基于這些統(tǒng)計量基礎(chǔ)上的分析結(jié)果是擁塞判別的基礎(chǔ)，下面進(jìn)一步討論擁塞的判別。擁塞判別在獲取參數(shù)的基礎(chǔ)上，判斷出口擁塞狀態(tài)。擁塞的判別是一個綜合性的過程，可以將多個統(tǒng)計量結(jié)合起來判斷擁塞的產(chǎn)生、也可以選取關(guān)鍵性統(tǒng)計量作為判別的依據(jù)。但是，無論使用哪種判別方式，都應(yīng)該具備兩個基本特征：（1） 實時性：保證擁塞的判別能體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時實際狀態(tài);（2） 有效性：擁塞判別規(guī)則的設(shè)定和悶值的選擇能有效判斷擁塞的產(chǎn)生與擁塞的實際狀態(tài)。下面給出兩種判別方式。3.5.1基于RED算法思路的判別方式制定INTERNET網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的INTERNET研究任務(wù)組IRTF（InternetResearchTaskForce）用了很多年對網(wǎng)絡(luò)擁塞檢測進(jìn)行研究，旨在選擇一個最合適的擁塞檢測參數(shù)，用來產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞反饋信息，并以此作為網(wǎng)絡(luò)擁塞判別的依據(jù)。經(jīng)過反復(fù)驗證，TRTP得出的最好解決方案以是緩沖區(qū)隊列長度做為擁塞反饋信號的來源。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生時，設(shè)置一個大容量的緩沖區(qū)，把所有新到達(dá)有來不及處理的分組都保存在緩沖區(qū)中，當(dāng)系統(tǒng)空閑時再處理這些保存起來的分組，這樣，緩沖區(qū)長度與出口的繁忙程度就成正比。RED算法就是依據(jù)此思路提出的。在RED算法中使用緩沖區(qū)隊列長度這個關(guān)鍵性統(tǒng)計量來作為擁塞判別的依據(jù)的一種算法。本文依據(jù)RED算法的核心思想，選取局域網(wǎng)出口輸出緩沖區(qū)隊列長度為判別依據(jù)。令L表示局域網(wǎng)出口輸出緩沖區(qū)當(dāng)前長度，11,lm，lh分別表示相應(yīng)的擁塞判別闡值，擁塞狀態(tài)的判別規(guī)則為：無擁塞：O<-L<11；輕度擁塞：ll<-L<Im；中度擁塞：1m<-L<Ih；嚴(yán)重?fù)砣篒h<-L；Lmax為局域網(wǎng)出口輸出緩沖區(qū)允許的最大長度，11,lm,Ih的求取規(guī)則為：11=LmaxX40%lm=LmaxX60%1h=LmaxX95%這三個閩值在多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、多用戶環(huán)境、不同鏈路接入速度及流量特性下都經(jīng)過試驗檢驗，獲得令人滿意擁塞檢測性能?；趥陕牂C(jī)制的擁塞控制系統(tǒng)接入到主干網(wǎng)上，通過SNMP輪詢局域網(wǎng)至廣域網(wǎng)端口MIB庫中的對象ifOutQlen來取得L值，與設(shè)定的輕度、中度、嚴(yán)重?fù)砣南鄳?yīng)閩值比較，判別得出局域網(wǎng)出口擁塞狀態(tài)。這里給出的三個闡值還可以由用戶根據(jù)需要動態(tài)調(diào)整，以更接近局域網(wǎng)的實際工作狀況［13。］3.5.2基于多統(tǒng)計量結(jié)合方式的擁塞判別另一種合理的方式就是多統(tǒng)計量結(jié)合方式的判別擁塞，例如：將ifOutDiscards和ifOutOctets結(jié)合起來可以判斷網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況。當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備丟棄了許多試圖離開接口的包，而輸出的字節(jié)數(shù)卻在逐漸減少，即ifOutDiscards增長很快而ifOutOctets增長緩慢，則說明該設(shè)備的這個接口發(fā)生了擁塞。因為本模型是利用基于RED算法思路，選取關(guān)鍵性統(tǒng)計量作為判別依據(jù)的，因此，對于利用多個指標(biāo)結(jié)合情況下的擁塞判斷問題在此不做詳細(xì)討論。本章小結(jié)本章主要講述局域網(wǎng)出口的擁塞判別，首先介紹了局域網(wǎng)出口擁塞狀況的基本考慮，接著介紹了一個基于偵聽機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制模型并說明了其各個部分的功能及工作流程。論述了SNMP相關(guān)統(tǒng)計量的獲取和分析，最后針對局域網(wǎng)出口擁塞狀況介紹了基于RED算法思路的判別方式，該算法能有效的解決局域網(wǎng)出口擁塞問題，從而在維持網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)的同時保證網(wǎng)絡(luò)資源的最佳利用。第四章網(wǎng)絡(luò)性能測試4.1網(wǎng)絡(luò)測量技術(shù)網(wǎng)絡(luò)測量是獲得網(wǎng)絡(luò)行為指標(biāo)和參數(shù)的最有效的手段，是為最終建立高效、安全、可預(yù)測和可控制網(wǎng)絡(luò)的基本環(huán)節(jié)。網(wǎng)絡(luò)測量技術(shù)研究主要解決以下問題：測量需求和目的，測量指標(biāo)，測量方法和測量理論，測量實施時間、地點，測量頻度的測量實施策略，測量精度和可靠性分析，測量對網(wǎng)絡(luò)影響，測試代價，測量實現(xiàn)技術(shù)等。具體研究領(lǐng)域包括:（1）網(wǎng)絡(luò)測量指標(biāo)與算法:精確的測量網(wǎng)絡(luò)運行行為以及活動狀況的定量數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)測量的主要參數(shù)包括站點的連通性、網(wǎng)絡(luò)延時、丟包率、路由信息、帶寬、路徑瓶頸、突發(fā)業(yè)務(wù)量的頻率、擁塞程度、動態(tài)瓶頸、吞吐量、帶寬利用率、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的響應(yīng)時間、最大的網(wǎng)絡(luò)流量、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（包括圖像、數(shù)據(jù)、語音等服務(wù)的質(zhì)量）等。在網(wǎng)絡(luò)層次的測量中，需要測量的一類屬性是網(wǎng)絡(luò)固有的，如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜拖嚓P(guān)鏈路的連接容量，在較長的時間內(nèi)穩(wěn)定，不會發(fā)生較大的變化:而另一類屬性反映了網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前狀態(tài)，如排隊延遲、連接可用性、路由的動態(tài)性、路徑的有效帶寬和帶寬利用率，與網(wǎng)絡(luò)路徑狀況和承載的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)密切相關(guān)，隨時間不斷的動態(tài)變化。（2）測量結(jié)果分析與模型化:使用模擬方法或統(tǒng)計方法推導(dǎo)出網(wǎng)絡(luò)行為正式的描述模型，找出其中的特征不變量和變化因素，用以預(yù)測將來某個時間的網(wǎng)絡(luò)行為。（3）網(wǎng)絡(luò)控制，利用網(wǎng)絡(luò)測量與模型化知識，對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行合理配置和優(yōu)化，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源利用的最大化和最佳的總體網(wǎng)絡(luò)性能。目前網(wǎng)絡(luò)測量技術(shù)主要包括基于SNMP（SimpleNetworkManagementProtocol）的測量技術(shù)、基于流量采集的性能監(jiān)測技術(shù)（如Netflow）、主動測量技術(shù)和被動測量技術(shù)?；诤唵尉W(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）的測試方法通過訪問路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備讀取MIB庫，獲取網(wǎng)絡(luò)流量、路由表、接口信息和協(xié)議分布等數(shù)據(jù)信息。RMON與Netflow定義了標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視功能和接口組，使基于SNMP的管理終端與遠(yuǎn)程監(jiān)視器通信，采集整個網(wǎng)段的統(tǒng)計信息，從一定程度上彌補了SNMP針對單個網(wǎng)元的不足。但對于跨越多個網(wǎng)段的大型網(wǎng)絡(luò)或端到端路徑，網(wǎng)絡(luò)由不同的服務(wù)提供商運營，網(wǎng)絡(luò)管理權(quán)限的限制讀取使得基于SNMP的監(jiān)控與測量應(yīng)用范圍狹窄，并且無法提供端到端的路徑性能參數(shù)和相關(guān)的應(yīng)用層性能指標(biāo)，加之輪詢網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的操作需要運行于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的SNMP代理進(jìn)程不斷對請求響應(yīng)，從而降低了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)性能，并帶來大量的管理流量負(fù)載。被動測量技術(shù)以數(shù)據(jù)包捕獲為基礎(chǔ)，一般需要專用的硬件采集并保存大量的數(shù)據(jù)，并提交到上層進(jìn)行協(xié)議解碼與分析，可以獲得被測網(wǎng)段的詳細(xì)數(shù)據(jù)包協(xié)議統(tǒng)計，網(wǎng)元信息與流量分布數(shù)據(jù)。被動測量不會產(chǎn)生測試流量，但缺點也是很明顯的：它依賴于網(wǎng)絡(luò)己有流量，在高速鏈路需要高性能的硬件設(shè)備進(jìn)行全速捕獲和解碼分析，在安全性方面可能對網(wǎng)絡(luò)用戶的隱私造成侵犯。主動測量，即數(shù)據(jù)包探測的方法則相當(dāng)靈活寬，即測量端按照一定規(guī)則向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送探測性流量數(shù)據(jù)來獲得相關(guān)的特征參數(shù)。主動測量會在網(wǎng)絡(luò)中引入較多的測量流量，對網(wǎng)絡(luò)實際性能會造成一定的影響。特別是用在帶寬測量時，產(chǎn)生較好估計的關(guān)鍵是發(fā)送足夠的探測數(shù)據(jù)，隨路徑長度的增加，對于一些算法需要的探測數(shù)迅速增加，而這又使得帶寬測量成為一種損害很大的應(yīng)用。盡管端到端測量會產(chǎn)生額外的網(wǎng)絡(luò)測試流量，但它是一種網(wǎng)絡(luò)級的測量方式，可以彌補SNMP這種網(wǎng)元級的測量方法的不足，又無需特定的裝置節(jié)點記錄路由或時間等信息從而達(dá)到測試路徑相關(guān)特征參數(shù)的目，通過構(gòu)造高效的算法可以以一定的規(guī)則定時發(fā)出少量的探測流，沿通路各主要的，所以在路徑性能監(jiān)測、用戶業(yè)務(wù)仿真和故障鏈路定位等方面有很大的優(yōu)勢［11。］4.2FLUKoptiview工作群組分析儀簡介我們測試使用的是FLUKoptiView工作群組分析儀，小巧、精致的分析儀功能強大，操作界面友好，主要用于局域網(wǎng)（LAN）的故障排除和監(jiān)測°FLUKoptiView工作群組分析儀主要有三大部分組成：分析儀主機(jī)、與其配備的計算機(jī)、附件。具體部件及形狀如圖4-1、圖4-2、圖4-3所示。_T*freflfl圖_T*freflfl圖4-1分析儀和附件圖4-2分析儀的正面圖4-3直接連接端例端測試過程我們測試地點是2號實驗樓，對象是2號樓的局域網(wǎng)，時間是上網(wǎng)高峰期。只所以選擇上網(wǎng)高峰期這個時間段，就是這樣容易看出網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的變化，更能反映出局域網(wǎng)性能的問題。首先我們選取一個測試端點，其IP為：202.196.043.046,對于FLUKoptiView工作群組分析儀網(wǎng)絡(luò)自動給其分配一IP地址，其IP為50。我們采用主動測量方式，通過分析儀向IP為：202.196.043.046的端點發(fā)送數(shù)據(jù)包,如圖4-4所示。在圖4-5中形象地看出了通過發(fā)包后帶寬占用率為19.90%。通過圖4-6我們可以看出當(dāng)每秒發(fā)送一個數(shù)據(jù)包、包大小為512字節(jié)時的測量結(jié)果，