計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的競爭特性研究

[摘要]計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜系統(tǒng)中的競爭性在各級子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中均有體現(xiàn),并且在用戶節(jié)點和各類交換節(jié)點上都存在競爭,競爭的資源有所不同。按競爭發(fā)生的位置將其分為局域網(wǎng)內(nèi)級、路由器級以及域間級并予以詳細(xì)討論。

[關(guān)鍵詞]計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)競爭特性

中圖分類號:TP3文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0820056-01

局域網(wǎng)內(nèi)系統(tǒng)成員競爭問題。在局域網(wǎng)內(nèi),系統(tǒng)成員競爭的是信道或網(wǎng)絡(luò)共享設(shè)備的使用權(quán)。為了有效利用網(wǎng)絡(luò)資源,局域網(wǎng)對參與競爭的系統(tǒng)成員進(jìn)行了有序控制和沖突解決。作為下一代互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,光突發(fā)交換網(wǎng)中突發(fā)數(shù)據(jù)包之間競爭鏈路資源問題成為一個研究熱點。其競爭解決機(jī)制主要包括光緩存、波長轉(zhuǎn)換、偏轉(zhuǎn)路由以及突發(fā)分片的競爭解決方法。文章按競爭發(fā)生的位置將其分為局域網(wǎng)內(nèi)級、路由器級、域間級三個競爭級別,并予以詳細(xì)討論。

一、局域網(wǎng)內(nèi)系統(tǒng)成員競爭問題

局域網(wǎng)內(nèi)的信道、網(wǎng)絡(luò)共享設(shè)備等網(wǎng)絡(luò)資源的數(shù)量通常是遠(yuǎn)小于網(wǎng)內(nèi)成員個數(shù)。當(dāng)同時想要使用網(wǎng)絡(luò)資源的成員數(shù)量超過可供使用的網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)量時,這些成員之間就構(gòu)成了競爭關(guān)系。它們競爭的是信道或網(wǎng)絡(luò)共享設(shè)備的使用權(quán)。為了有效利用網(wǎng)絡(luò)資源,局域網(wǎng)內(nèi)對成員進(jìn)行了有序控制和沖突解決。

(一)有序控制。采取了有序控制后,成員間只是存在合作關(guān)系,不會有沖突發(fā)生。有序控制的實質(zhì)是預(yù)防了沖突發(fā)生。常見的有序控制方式有:

1.輪詢:網(wǎng)絡(luò)控制程序按一定順序逐個詢問各系統(tǒng)內(nèi)成員是否需要使用網(wǎng)絡(luò)資源,如有,則被詢問的成員立即使用;如無則接著詢問下一成員。有限定式、門限式、窮盡式、混合式等服務(wù)方式。

2.預(yù)約:需要使用網(wǎng)絡(luò)資源的成員必須先預(yù)約,再按預(yù)約順序使用。分為集中預(yù)約和分布式預(yù)約。集中預(yù)約方式下的各成員先集中預(yù)約,再集中使用。分布式預(yù)約采用的是用戶成員邊預(yù)約邊使用。

3.令牌控制:多在環(huán)形局域網(wǎng)中采用。在網(wǎng)內(nèi)流動的令牌相當(dāng)于一個通行證,有發(fā)送請求的用戶成員要捕獲到閑令牌,才能將信息附在令牌后發(fā)送。分為單令牌和多令牌方式。

4.時槽方式:信息在環(huán)網(wǎng)上的傳輸時間分成固定大小的若干段,每一段稱為一個時槽,相應(yīng)的用戶成員分別使用自己的時槽發(fā)送信息。有固定式槽環(huán)和隨機(jī)時槽環(huán)兩種。

(二)沖突解決。有些局域網(wǎng)不采取有序控制,而是采取沖突解決方法,主要有以下幾種:

1.后退:發(fā)生沖突時,不服務(wù),令所有待發(fā)信息全部后退1個隨機(jī)時間再來競爭,只有無沖突時的l個成員才受到服務(wù)。例如以太網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問。

2.淘汰:如同社會生活中的隨機(jī)仲裁一樣,網(wǎng)絡(luò)中也有仲裁機(jī)構(gòu)。仲裁機(jī)構(gòu)從請求服務(wù)的用戶成員中隨機(jī)選取一次能夠服務(wù)的數(shù)量,其余成員等下次再請求服務(wù)。例如星形局域網(wǎng)中存在的競爭一沖突淘汰存取方式。

3.限制:即沖突限制方式。對參加競爭的用戶成員作某些限制,每次讓部分用戶成員產(chǎn)生的信息參與競爭,使信息發(fā)生沖突的可能性變小。例如自適應(yīng)存取、缸存取。

二、路由器級或域間級的競爭

當(dāng)快速局域網(wǎng)發(fā)出的大量信息到達(dá)信息速率較慢的局域網(wǎng)時,會由于帶寬限制形成瓶頸,這正是競爭帶寬引起的沖突。當(dāng)過多的信息占據(jù)了路由器輸入端的緩存,而路由器的輸出能力不足時,就會由于競爭緩存和路由器的處理能力而引起沖突。我們將路由器級/域間級的沖突解決策略分為“預(yù)防機(jī)制”和“沖突解決”兩大類?！邦A(yù)防機(jī)制”是在沖突發(fā)生前設(shè)法避免可能發(fā)生的沖突?！皼_突解決”則是在沖突發(fā)生后采取一系列的措施化解沖突,達(dá)到成員合作的目的。

(一)預(yù)防機(jī)制。當(dāng)數(shù)據(jù)量越發(fā)送越變大而不加以控制的話,必然有發(fā)生沖突的危險。引入一個慢啟動閩值,當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送量小于閩值時,TCP處于慢啟動階段,否則就進(jìn)入“擁塞避免”階段,減小用戶端的發(fā)送速率。提高路由器性能也是減少沖突發(fā)生的方法。在硬件方面,設(shè)置適當(dāng)?shù)木彺嫒萘俊⑻岣哌\算速度和采用路由器集群結(jié)構(gòu)。路由器集群結(jié)構(gòu)可以使多個路由器通過內(nèi)連網(wǎng)絡(luò)連接在一起,利用負(fù)載均衡技術(shù),將大量的輸入端數(shù)據(jù)分擔(dān)給多個路由器。在軟件方面,改進(jìn)路由算法和輸入、輸出緩存中的隊列調(diào)度算法,以提高交換節(jié)點的處理效率和緩存的利用率。目前Diffsery體系結(jié)構(gòu)中避免內(nèi)部不發(fā)生沖突的方法是在邊界節(jié)點嚴(yán)格控制進(jìn)入?yún)^(qū)域的總數(shù)據(jù)流量。通過動態(tài)反饋機(jī)制:內(nèi)部節(jié)點到邊界點的反饋。內(nèi)部節(jié)點收集周邊情況,并通報邊界節(jié)點,邊界節(jié)點根據(jù)反饋來的內(nèi)部信息調(diào)控進(jìn)入?yún)^(qū)域內(nèi)的總數(shù)據(jù)流量;邊界節(jié)點到邊界節(jié)點的動態(tài)反饋。區(qū)域的邊界出口節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸速率反饋給邊界入口節(jié)點,入口節(jié)點根據(jù)此速率調(diào)控進(jìn)入?yún)^(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸速率,最終達(dá)到入口速率等于出口速率,從而避免區(qū)域內(nèi)發(fā)生擁擠沖突。

(二)沖突解決?！皝G棄”數(shù)據(jù)包是所有交換節(jié)點都支持的一種操作。當(dāng)大量數(shù)據(jù)包競爭有限的輸入、輸出緩存或輸出帶寬時,由于資源“供給”<“需求”引起沖突,就需要丟棄一部分?jǐn)?shù)據(jù)包。但是究竟丟棄哪些數(shù)據(jù)包、何時丟棄有不同的算法,丟尾算法是當(dāng)緩存中的隊列長度超過緩存大小時,丟棄隊列尾部的數(shù)據(jù)包。隨機(jī)早期檢測算法是通過以一定概率丟失或標(biāo)記報文來通知端節(jié)點網(wǎng)絡(luò)沖突的情況。

三、結(jié)論

在復(fù)雜計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,競爭具有普遍性和客觀性,合作具有特殊性和暫時性。系統(tǒng)內(nèi)部競爭可以說是無處不在,既然存在資源共享,就必然有競爭。競爭的存在如同雙刃劍:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)繁忙時,也就是在競爭一沖突的高峰期容易造成擁塞,要設(shè)法避免沖突的發(fā)生;而在競爭一沖突的低谷期,競爭會提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。所以要根據(jù)人們的需求和競爭的特性改進(jìn)沖突解決策略,化解沖突,從而實現(xiàn)成員間的有序合作。可利用競爭的時間性提高系統(tǒng)效率。避開競爭一沖突高峰期,更有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源,避免擁塞發(fā)生。

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作者簡介:

崔仁杰(1969-),男,山西稷山人,西安工程大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心,工程師,研究方向為:網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與管理。