（模式识别与智能系统专业论文）自适应p持续csmacd介质访问控制策略及计算机仿真研究.pdf

一一塑坚盔堂堡! ：兰篁笙苎! ! ! a b s t r a c t i n t e r n e tu s e r sa n da p p l i c a t i o n s g r o wr a p i d l yw i t hd e v e l o p m e n to fi n t e m e ts c a l e c o m p u t e rn e t w o r kc o n g e s t i o nb e c o m e sa ni m p o r t a n tp r o b l e m ag r e a td e a lo f r e s e a r c hh a db e e nd e v e l o p e di nn e t w o r kc o n g e s t i o nc o n t r 0 1r e c e n ty e a r s c o n g e s t i o n c o n t r o ia l g o r i t h m sh a v et w om a i n p a r t s o n ei ss o u r c ea l g o r i t h mo ne n ds y s t e m a n d a n o t h e ri s1 i n ka l g o r i t h mo nn e t w o r k se q u i p m e n t s n e t w o r kc o n g e s t i o ni sd u et o u n b a l a n c ed i s t r i b u t i o no fn e t w o r kr e s o u r c e sa n dn e t w o r k f l o w c o n g e s t i o nc a n n o tb e e l i m i n a t e db ye n h a n c i n gn e t w o r kp r o c e s sa b i l i t y t h ed e s i g no f c o n g e s t i o nc o n t r o l a l g o r i t h mb e c o m e sv e r yd i f f i c u l tb e c a u s eo fi t sd i s t r i b u t i o n ，n e t w o r kc o m p l e x i t ya n d p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n to ft h ea l g o r i t h m t h ec o n g e s t i o np r o b l e m sh a v en o tb e e n s o l v e du pt od a t e t h et h r o u g h p u td e c r e a s eo re v e ne n t i r eb l o c k o f a n y n e t w o r k sn o d e a n d1 i n kc a na 1 1b ec a l l e dc o n g e s t i o ng e n e r a l l y h e r ew ei n t r o d u c eam a i o r i t yo f c o n t e n ta b o t i tc o m p u t e rn e t w o r k c o n g e s t i o nc o n t r 0 1 w es t r e s so n t h ep r o b l e mo fl o c a l a r e ac o m p u t e rn e t w o r k ss h a r i n gm e d i aa c c e s s a n db r i n gf o r w a r dt h er e s o l v ef o r e t h e r n e to ft h e s p e c i a lc o n g e s t i o no ft h r o u g h p u td e c r e a s eg r e a t l ya th e a v yl o a d s a n y m o r e w es t u d y o nh o wt or e d u c ee m e r n e tf r a n l e d e l a y a n da c c e s st i m e u n c e r t a i n t ya b o u t r e a lt i m ec o m m u n i c a t i o n t h em a i nc o n t e n ti no u r p a p e r i n c l u d e ： t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e sb a s i cc o n c e p t i o na b o u tc o m p u t e rn e t w o r kc o n g e s t i o n c o n t r 0 1 w e p o i n to u tan e w b e t t e rr e s o l u t i o n a d a p t i v ep p e r s i s t e n tc s m c dm e d i aa c c e s s p o l i c y f o r e t l 】c r u e ta f t e r i n t r o d u c i n g i 招d e f a u l ti nt h es e c o n d c h a p t e r t h e c o n u n e r e i a l i z e di n c a la r e an e t w o r k sm e d i aa c c e s sc o n t r o lp r o t o c o li e e e8 0 2 3i s l - p e r s i s t a n tc s m 胱d w h i c h l c a d sd i s t i n c t l yp o o rp e r f o r m a n c eu n d e rh e a v yl o a d si n t h es a m ec o l l i s i o nd o m a i n t h i sp a d e ra n a l y z e d p p e r s i s t e n tc s 删c dp r o t o c o la n d p r o p o s e d an e w a d a p t i v ea l g o r i t h mf o rt h em j u s t m e n t o f t h e c o e f f i c i e n t pb yr e a l - t i m e c h a n n e lt r a f f i cs e n s i n gb a s e do nt h ef e e d b a c kc o n t r o l 也e o r y ，i e c h a n g i n gt h ev a l u e o f pd y n a m i c a l l yt h r o u g h t h ea n a l y s i so fn e t w o r k s f l o wt oc o n t r o lt h eb e h a v i o ro ft h e s t a t i o n ss e n d i n gd a t af r a m e si nt h es a m ec o l l i s i o nd o m a i n ，t ok e e pt h em e d i ac h a n n e l j na no p t i m a ls t a t ea n dt oe n h a n c et h ec h a n n e lt r a n s m i s s i o ne f n c i e n c y w bi m p r o v e t h ea d a p t i v ep p e r s i s t e n tc s m a c dt om a k ei ts u i t a b l ef o rr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n c o n s i d e r i n gt h er a p i dg l r o w no fr e a l t i m ea p p l i c a t i o n ss u c ha sf l o wm e d i a h e r ew e c a l lt h em e t h o da sc o m p e t i t i o nt i m el e n g t h e n e da d a p t i v e p p e r s i s t e n tc s m a c d n j s p r o t o c o lg i v e sr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n a h i g h e rp r i n r i t yt oa c c e s sc h a n n e la n dr e d u c e e t h e m e t d e l a y t i m eu n c e r t a i n t y g r e a t l y t h et h i r d c h a p t e r i sas i m u l a t i o n p a r t i n t h i s c h a p t e r w ec o m p a r e a d a p t i v e p p e r s i s t e n tc s m a c ds i m u l a t i o nr e s u l t st o8 0 2 3e t h e m e t w ea l s oc o m p a r et h e d e t a i l e dp e r f o r m a n c ew i t l lt h et w op r o t o c o l si nd i f i e r e n ts t a t i s t i cp e r i o d n o d en u m b e r , p a c k e t ss i z ea n dp a c k e ti n t e r v a l t h ec o n c l u s i o ns h o wa d a p t i v ep - p e r s i s t e n th a v i n g a b e t t e rp e r f o r l t l a n c e t h ec o n t e n t i o nt i m el e n g t h e n e dr e a l - t i m ep p e r s i s t e n ts i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wn o to n l yr e a l t i m et r a f f i cd e l a yp e r f o r m a n c eb e i n ge n h a n c e dg r e a t l yb u t a l s oc o m m o nd a t ad e l a ya n dt h r o u g h p u t sn o tb e i n ga f f e c t e de v i d e n t l y 浙江大学硕j ：学位论文 第一章导论 摘要：本章介2 “了计算机网络拥塞控制和流龄管理的基本内容，以及前人在这些方面所做 的研究和现在该领域的研究热点，具体从桌面剑网络的数据链路接入、网络层、传输层等几 个层次分别进行阐述，比较详尽地描述该层的拥塞控制的特点和方法。 当前，在世界范围内，一个以微电子技术，计算机技术和通信技术为先导的， 以信息技术和信息产业为中心的信息革命方兴未艾。信息技术和信息产业的发 展，对国民经济的发展、国家经济信息化起着举足轻重的作用，并已成为衡量一 个国家发展水平的重要标志。计算机网络是计算机技术和通信技术、光电技术、 控制技术等学科紧密结合的产物，是当今计算机应用中空前活跃的领域，是2 0 世纪乃至2 1 世纪信息技术和信息产业发展水平的主要标志之一。目前，计算机 网络技术在金融与商业电子化、生产过程控制、企业管理、办公自动化、军事、 科研、教育、医疗卫生和信息服务等领域已经得到广泛的应用。在信息社会中， 信息f 以爆炸方式增长，因此信息的传输、存储、处理、提取和应用( 控制、决 策) 成为信息社会的重要问题。 2 0 世纪后半期，尤其是8 0 年代以来，世界范围内掀起一场以“信息革命” 为中心的技术浪潮，它席卷了包括科技和经济两个方面的众多技术领域。但是， 这场革命的动力，都离不开计算机科学和通信这两门学科的发展及相应技术的现 代化。其主要标志就是计算机的广泛应用，以及它与现代通信技术的密切结合。 计算机网络是2 0 世纪7 0 一8 0 年代出现的新事物，到9 0 年代得到了迅猛的发展， 特别是近几年更是已成倍的方式在增长。网络己无时不在无处不在。它已经溶入 了现代生活，成了现代生活不可或缺的一部分。无论在企业办公、个人家庭生活、 科研活动还是在消遣娱乐，计算机网络在其中都扮演了重要的角色。计算机网络 技术是现代信息技术的关键技术之一。 随着计算机网络的飞速发展，信息的交流变得方便和快捷，然而由于网络数 据流量的激增，拥塞问题也越来越严重。拥塞控制是保证网络鲁棒性的关键因素， 同时又牵涉到网络运行的经济性，因此已成为当前网络研究的一个热点问题。传 统的捌塞控制方法是基于直接推断的，有很大的随机性和人为因素，这些控制策 略没有可靠的理论依据，也未形成完整的理论体系。其控制效果不够理想，容易 产生数据错误和丢失，不适合精确分析和进一步改进。在网络拥塞和流量控制方 面，尚存在较多的问题急待解决。由于计算机网络是一个非线性的、时变的、不 确定的随机系统，对于它的研究比常规遇到的对象要复杂的多。从理论上寻找可 靠的解决方法，无论对于解决网络的拥塞问题还是对指导计算机网络的设计和制 造都具有重要的意义。 三一 笙= 童壁鲨 控制理论是一门相当成熟的系统理论，有相当多的方法可以借鉴到拥塞控制 中来。近年来，国内外的一些专家学者已经认识到可以应用控制理论的方法来解 决拥塞控制问题，并作了一些尝试工作，如经典控制理论 1 、神经网络控制 2 及预测控制 3 等控制方法在通信网络拥塞中的应用。计算机网络的许多方面性 能的完善依赖于控制技术的应用。专家系统在网络故障诊断中的应用体现了智能 控制技术的网络故障排除中的优越性能。网络安全越来越成为公众关注的问题， 黑客入侵造成的损失令人痛心疾首，专家系统在基于策略的防火墙中的应用，充 分体现了智能防火墙在防止网络入侵上的优势和可靠性。网络上追求的目标往往 不是单一的，如信道效率、q o s 、不同应用等级的数据传输要求及公平性等等。 因此，多目标优化理论在网络中会有广泛的应用。此外，其它先进控制技术如鲁 棒控制在高速网络的稳定性和性能分析中的应用等，均体现了控制技术与计算机 网络技术的结合的实际意义。 1 1 网络拥塞控制和流量管理机制 当通信子网中的分组超过其额定容量时其性能降低。这种情况叫做拥塞 ( c o n g e s t i o n ) ，当主机发送到通信子网中的分组数量在其传输容量之内时它们将全 部送达目的地( 除了因传输错误而不能正确发送的少数分组外) ，且送到的数量 与发送的数量成比例。然而当通信量增加太快时路由器不再能够应付，开始丢 失分组并会导致情况恶化。在通信量非常高的情况下，网络完全瘫痪，几乎没有 分组能够送达。 造成拥塞有若干因素。大致可以分为以下几种：一、出口线路带宽不足。如果突 然之间分组流同时从多个输人线到达，并且要求输出到同一线路，就将建立起队 列。如果没有足够的空间来保存这些分组，有些分组就会丢失。在某种程度上增 加内存会有所帮助，但n a g l e 4 发现如果路由器即使有无限大的内存，拥塞状况 不仅不会变好，反而会更糟。因为等到分组到达队列的前面时，它已经超时了( 甚 至反复地超时) ，而超时重传的副本已经被重发了，重发的分组都将被转发到下 一个路由器，增加了到目的地所有线路的网络负担。二、处理器速度慢也能导致 捌塞。如果路由器的c p u 处理速度太慢，以至于不能执行要求它们做的日常工 作( 缓冲区排队更新表等) ，那么即使有多余的线路容量，也可能使队列饱和。 只提高线路的带宽而不提高处理器性能，或反之，对缓解网络的拥塞状况都不会 有多大作用。只是升级系统的部分而不是整体往往只是将瓶颈转移到系统中别的 地方。这一问题直到所有设施的性能都相互平衡后才会解决。 拥塞会导致恶性循环。如果路由器没有空余缓冲区，它必须丢掉新到来的分 组。当扔掉一个分组时发送该分组的路由器( 一个邻居) 可能会因为超时而重传 此分组，或许要重发多次。由于发送方路由器在未收到确认之前不能扔掉该分组， 三一 笙= 童壁鲨 控制理论是一门相当成熟的系统理论，有相当多的方法可以借鉴到拥塞控制 中来。近年来，国内外的一些专家学者已经认识到可以应用控制理论的方法来解 决拥塞控制问题，并作了一些尝试工作，如经典控制理论 1 、神经网络控制 2 及预测控制 3 等控制方法在通信网络拥塞中的应用。计算机网络的许多方面性 能的完善依赖于控制技术的应用。专家系统在网络故障诊断中的应用体现了智能 控制技术的网络故障排除中的优越性能。网络安全越来越成为公众关注的问题， 黑客入侵造成的损失令人痛心疾首，专家系统在基于策略的防火墙中的应用，充 分体现了智能防火墙在防止网络入侵上的优势和可靠性。网络上追求的目标往往 不是单一的，如信道效率、q o s 、不同应用等级的数据传输要求及公平性等等。 因此，多目标优化理论在网络中会有广泛的应用。此外，其它先进控制技术如鲁 棒控制在高速网络的稳定性和性能分析中的应用等，均体现了控制技术与计算机 网络技术的结合的实际意义。 1 1 网络拥塞控制和流量管理机制 当通信子网中的分组超过其额定容量时其性能降低。这种情况叫做拥塞 ( c o n g e s t i o n ) ，当主机发送到通信子网中的分组数量在其传输容量之内时它们将全 部送达目的地( 除了因传输错误而不能正确发送的少数分组外) ，且送到的数量 与发送的数量成比例。然而当通信量增加太快时路由器不再能够应付，开始丢 失分组并会导致情况恶化。在通信量非常高的情况下，网络完全瘫痪，几乎没有 分组能够送达。 造成拥塞有若干因素。大致可以分为以下几种：一、出口线路带宽不足。如果突 然之间分组流同时从多个输人线到达，并且要求输出到同一线路，就将建立起队 列。如果没有足够的空间来保存这些分组，有些分组就会丢失。在某种程度上增 加内存会有所帮助，但n a g l e 4 发现如果路由器即使有无限大的内存，拥塞状况 不仅不会变好，反而会更糟。因为等到分组到达队列的前面时，它已经超时了( 甚 至反复地超时) ，而超时重传的副本已经被重发了，重发的分组都将被转发到下 一个路由器，增加了到目的地所有线路的网络负担。二、处理器速度慢也能导致 捌塞。如果路由器的c p u 处理速度太慢，以至于不能执行要求它们做的日常工 作( 缓冲区排队更新表等) ，那么即使有多余的线路容量，也可能使队列饱和。 只提高线路的带宽而不提高处理器性能，或反之，对缓解网络的拥塞状况都不会 有多大作用。只是升级系统的部分而不是整体往往只是将瓶颈转移到系统中别的 地方。这一问题直到所有设施的性能都相互平衡后才会解决。 拥塞会导致恶性循环。如果路由器没有空余缓冲区，它必须丢掉新到来的分 组。当扔掉一个分组时发送该分组的路由器( 一个邻居) 可能会因为超时而重传 此分组，或许要重发多次。由于发送方路由器在未收到确认之前不能扔掉该分组， 浙江大学硕l ：学位论文 故接收端的拥塞迫使发送者不能释放在通常情况下已释放了的缓冲区，导致拥塞 加重。拥塞控制必须确保通信子网能传输待传送的数据，这是全局性的问题，涉 及到所有主机，所有路由器，路由器中存储转发处理的行为，以及所有将导致削 弱通信子网负荷能力的其他因素。 与之不同的是，流量控制只与发送者和接收者之间的点到点通信量有关。它 的任务是确保一个快速发送者不能以比接收者能承受的速率更高的速度传输数 据。流量控制几乎总是涉及到接收者，接收者要向发送者送回另一端状况的直接 反馈信息。 拥塞控制与流量控制容易混淆的原因在于有些拥塞控制算法在网络出现问 题时，通过向源端发送消息来告诉它们要减慢发送速度。因此一个主机既可能因 为接收者不能跟上输入，也可能因为网络承受能力有限而收到减慢的消息。因此， 拥塞控制包含有流量管理的内容。 很多像计算机网络这样的复杂系统中的问题，都能从控制论的角度进行解 释。这种方法导致所有解决方案被分为两类：一类是开环，另一类是闭环控制。 开环的关键在于它致力于通过良好的设计采避免问题的出现，确保问题在一开始 时就不会发生。一旦系统安装并运行起来，就不再做任何中间阶段的更正。做开 环控制的策略包括决定何时接受新的通信，何时丢弃分组，以及丢弃哪些分组， 还包括在网络的不同点作计划表。所有这些的共同之处在于，它们在做出决定时 并不考虑当前网络的状况。 与之相比较闭环的解决方案是建立在反馈环路的概念之上的。拥塞控制中的 闭环控制方法有3 个部分： 1 监视系统，检测何时何地发生了拥塞。 2 将此信息传送到可能采取行动的地方。 3 调整系统操作以更正问题。 有多种度量可用来监视子网的拥塞状况。其中主要的有：因缺少缓冲区空间 而丢失分组的比例，平均队列长度，超时和重发分组的数量，平均分组延迟，以 及分组延迟的标准方差。对于以上所有因素，数值的增加就表示发生拥塞可能性 的增加。 反馈环路的第二步是将拥塞信息从检测点传送到可以对此采取行动的地方。 最显而易见的方法就是检测到拥塞的路由器向信源发送一个反馈分组。当然这些 额外的分组恰好在子网拥塞时又增加了子网的负荷。 采用捎带的控制方法可以不用单独发送反馈信息，例如，可以在每个分组中 保留一位或一个字段，当路由器发现拥塞状态超过某临界值时就在所有发送分组 中填充这个比特位或字段以警告它的邻居要发生拥塞了。另一种方法，就是让主 机或路由器定期发送证实分组来显式地询问拥塞状况。这一信息可用来使通信量 绕过有问题的区域。在所有的反馈方案中都希望主机能够根据拥塞的信息采取适 第一章导论 当行动以减少拥塞。 现在已经出现了很多拥塞控制算法，为了有效地对其进行组织y a n 2 和r e d d v 【5 1 提出了一种拥塞控制算法的分类方法。他们开始将所有算法分为开环和闭环。 又将丌环算法分为作用于源端的和作用于目的端的，闭环算法也分成两个子类， 显式反馈和隐式反馈。在显式反馈算法中警告分组由拥塞点发向源端。在隐式算 法中源端通过局部观察来推断是否存在捌塞，例如确认返回时所用的时间。拥塞 控制算法包含拥塞避免( c o n g e s t i o na v o i d a n c e ) $ 口拥塞控锖t j ( c o n g e s t i o nc o n t r 0 1 ) 这两 种不同的机制 6 】。拥塞控制是“恢复”机制，它用于把网络从拥塞状态中恢复出 来；捌塞避免是“预防”机制，它的目标是避免网络进入拥塞状念，使网络运 行在高吞吐量低延迟的状态下。 拥塞的出现表示载荷( 暂时地) 超过了( 系统中的一部分) 资源的承受能力。 有两种解决办法：增加资源或降低载荷。例如，子网可以启用拨号电话网以l 晒时 提高某两点间的带宽。在卫星系统中，提高传输能量往往能增加带宽。将通常是 选用最佳路由的信息分散到多条路由上，也能有效地提高带宽。通常以用来备份 的空闲路由器也能在发生严重拥塞时加以利用以提供更高的通信容量。 但有时又不可能提高通信容量，或容量已到了极限。这时解决拥塞问题的唯 一办法就是降低载荷。已有很多办法可用于降低载荷，包括拒绝为某些用户服务。 给某些用户或全部用户的服务降级，以及让用户以可预测的方式来安排他们的需 求。拥塞控制可以在o s l 分层模型的各层次上实施，主要是在数据链路层、网络 层和传输层实现，表列1 1 出了影响拥塞的各种策略。 重传策略处理发送者的速度多快会超时，以及超时后传送什么。太快的发送 者如果使用退后n 帧重传策略对网络造成的载荷比一个使用选择性重传策略的 慢速发送者大得多。与此紧密相连的是缓存策略。如果只是机械地丢弃所有的乱 序分组，这些分组将不得不重传，造成额外的载荷。 确认策略也会影响拥塞，如果每个分组都要立即确认，确认分组将会造成额 外的通信量。但是如果将确认保存起来，以便被别的反向分组捎带，又可能造成 不应该的超时和重传。一个紧凑的流量控制方案( 例如，一个小窗口) 能降低数 据传输速率，进而减少拥塞。 在网络层，虚电路和数据报之间的选择会对拥塞产生影响。因为很多拥塞控制算 法只用于虚电路子网。分级排队和服务策略关系到是否为路由器的每条输入线路 建立一个队列，每条输出线一个队列，或者兼而有之。它还关系到分组的处理顺 序( 例如，循环排序，或基于优先级) 。丢弃策略说明当没有剩余空间时哪些分 组被丢弃。好的策略能减缓拥塞，坏的策略只能使它更糟。 路由选择算法中的链路负载平衡技术能通过将通信量分散到所有线路上来 避免拥塞，而坏的路由算法会将过多的通信量发送到本来已经拥塞的线路上。 浙江大学硕：i 。学位论文 层 策略 传输层重发策略 乱序缓存策略 确认策略 流量控制策略 超时终止 网络层子网内的虚电路与数据报 分组排队和服务策略 分组丢弃策略 路由选择算法 分组生命期管理 数据链路层重发策略 乱序缓存策略 确认策略 流量控制策略 表1 1影响拥塞的策略 最后，分组生命期策略管理决定一个分组在丢弃前能存活多长时间，如果生命制 太长，丢失的分组可能会长时间地在网络上存储转发；如果太短，分组又可能在 到达目的地之前就超时，由此导致重传。 在传输层与数据链路层类似，只是决定超时间隔更困难，因为在网络上从源 端到目的端的传输时间比在两个路由器间的传输时间更难预测。如果时间间隔太 短，会产生一些不必要的额外分组；如果太长拥塞会减少，但一旦分组丢失，反 应时间太长。 拥塞控制算法的设计困难 拥塞控制算法的设计困难体现在以下几方面【7 】： ( 1 ) 算法的分布性。拥塞控制算法的实现分布在多个网络节点中，必须使用 不完整的信息完成控制，并使各节点协调工作，还必须考虑某些节点工作不正常 的情况。 f 2 ) 网络环境的复杂性。i n t e m e t 中各处的网络性能有很大的差异，算法必须 具有很好的适应性。另外，由于i n t e m e t 对报文的正确传输不提供保证，算法必 须处理报文丢失、乱序到达等情况。 ( 3 ) 算法的性能要求。拥塞控制算法对性能有很高的要求，包括算法的公平 性、效率、稳定性和收敛性等。某些性能目标之间存在矛盾，在算法设计时需要 进行权衡。 ( 舢算法的开销。拥塞控制算法必须尽量减少附加的网络流量，特别是在拥 塞发生时。在使用反馈式的控制机制时，这个要求增加了算法设计的困难。算法 还必须尽量降低在网络节点( 特别是网关) 上的计算复杂性。目前的策略是将大部 分计算放在端节点完成，在网关上只进行少量的操作，黼i n t e m e t 的基本设 计思想8 。 旦一一笙二垦壁堡 1 2 物理层和数据链路层的拥塞控制 物理层是所有网络的基础。传输介质可以分为有导线的和无导线的。基本的 有线介质是双绞线、同轴电缆和光纤。无线介质包括无线电、微波、红外线以及 空中激光。数据链路层的任务是把从物理层得到的原始比特流转换成网络层利用 的帧流。数据链路层协议能提供差错控制，以重传受损或丢失的帧。为了防止快 的发送方“淹没”慢的接收方，数据链路协议还必须提供流量控制。滑动窗口机 制广泛地使用，以便捷的方式将差错控制和流量控制融为一体。介质访问控制 m a c ( m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 是数据链路层的子层，用来决定广播信道分配。不同 的信道分配方式导致信道有不同的利用率和分组的延时。不同的信道也决定了适 合该信道的最佳分配方式。 1 2 1 通信端主机到网络的接入 通信端主机到网络的接入方式有无线接入、局域网接入和其它方式的单独主 机接入。8 0 2 1 1 无线局域网和其它8 0 2 局域网点接入方式都有各自不同点介质访 问控制策略，它们的介质访问控制都是与各自的传输介质相适应的，从某种意义 上它们的介质访问控制提供了一种适合该传输介质的拥塞控制方法。 除了上述的局域网接入方式外，还有通过拨号、调制解调等方式的接入，如 x d s l 、i s d n 、电话拨号和有线电视网的接入等。目前，这些方法并没有相关的 捌塞控制策略。 1 2 1 1 无线接入方式 无线电波具有易产生、传播距离远、易穿过建筑物的特点，因此被广泛用于 通信。在光纤出现以前，几十年来微波构成了远距离电话传输系统的核心。微波 通信被广泛用于长途电话通信、蜂窝电话、电视传播和其他应用。它比光纤有几 个优点。主要的优点是不需要路权，只需要每5 0k m 盖一座微波塔就可以绕过电 话系统直接通信。微波相对较便宜。无导向的红外线和毫米波被广泛用于短距离 通信。电视、录像机使用的遥控装置都利用了红外线装置。它们相对有方向性、 不能穿透坚实的物体、便宜并且容易制造。红外线不能穿透坚固的墙壁的优点， 使得它的保密性和安全性较好。这些特性使红外线成为室内无线传输很好的媒 介。大气中无导向的光波信号传输已经被使用了几个世纪。现代的应用是通过装 在楼顶的激光来连接两幢建筑物里的l a n 。这种方法可以用极低的成本提供极 高的带宽。 一、8 0 2 1 1 无线局域网及其介质访问控制 旦一一笙二垦壁堡 1 2 物理层和数据链路层的拥塞控制 物理层是所有网络的基础。传输介质可以分为有导线的和无导线的。基本的 有线介质是双绞线、同轴电缆和光纤。无线介质包括无线电、微波、红外线以及 空中激光。数据链路层的任务是把从物理层得到的原始比特流转换成网络层利用 的帧流。数据链路层协议能提供差错控制，以重传受损或丢失的帧。为了防止快 的发送方“淹没”慢的接收方，数据链路协议还必须提供流量控制。滑动窗口机 制广泛地使用，以便捷的方式将差错控制和流量控制融为一体。介质访问控制 m a c ( m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 是数据链路层的子层，用来决定广播信道分配。不同 的信道分配方式导致信道有不同的利用率和分组的延时。不同的信道也决定了适 合该信道的最佳分配方式。 1 2 1 通信端主机到网络的接入 通信端主机到网络的接入方式有无线接入、局域网接入和其它方式的单独主 机接入。8 0 2 1 1 无线局域网和其它8 0 2 局域网点接入方式都有各自不同点介质访 问控制策略，它们的介质访问控制都是与各自的传输介质相适应的，从某种意义 上它们的介质访问控制提供了一种适合该传输介质的拥塞控制方法。 除了上述的局域网接入方式外，还有通过拨号、调制解调等方式的接入，如 x d s l 、i s d n 、电话拨号和有线电视网的接入等。目前，这些方法并没有相关的 捌塞控制策略。 1 2 1 1 无线接入方式 无线电波具有易产生、传播距离远、易穿过建筑物的特点，因此被广泛用于 通信。在光纤出现以前，几十年来微波构成了远距离电话传输系统的核心。微波 通信被广泛用于长途电话通信、蜂窝电话、电视传播和其他应用。它比光纤有几 个优点。主要的优点是不需要路权，只需要每5 0k m 盖一座微波塔就可以绕过电 话系统直接通信。微波相对较便宜。无导向的红外线和毫米波被广泛用于短距离 通信。电视、录像机使用的遥控装置都利用了红外线装置。它们相对有方向性、 不能穿透坚实的物体、便宜并且容易制造。红外线不能穿透坚固的墙壁的优点， 使得它的保密性和安全性较好。这些特性使红外线成为室内无线传输很好的媒 介。大气中无导向的光波信号传输已经被使用了几个世纪。现代的应用是通过装 在楼顶的激光来连接两幢建筑物里的l a n 。这种方法可以用极低的成本提供极 高的带宽。 一、8 0 2 1 1 无线局域网及其介质访问控制 浙江人学硕士学位论文 无线局域网是指采用无线传输媒体的计算机局域网，采用的标准是 i e e e 8 0 2 1 1 。1 9 9 0 年i e e e 8 0 2 标准化委员会成立8 0 2 1 1 无线局域n ( w l a n ) 标 准工作组。8 0 2 1 1 无线局域网标准工作组任务为研究1 m b p s 和2 m b p s 数据速率、 工作在2 4 g h z 开放频段的无线设备和网络发展的全球标准，并于1 9 9 7 年6 月 公布了浚标准，它是第一代无线局域网标准之一。该标准定义物理层和媒体访问 控制( m a c ) 规范，允许无线局域网及无线设备制造商建立互操作网络设备。无线 l a n 的协议体系结构如图1 1 所示，可以看出与有线l a n 一样，无线l a n 1 e e e 8 0 2 2 l e e e 8 0 2 1 0 m a c 物理层 图1 1无线l a n 的协议体系结 - i e e e s 0 2 j 构 的标准化工作主要在逻辑链路控制子层( l l c ) 以下，即媒体访问控制子层( m a c l 和物理层。介质访问控s 0 ( m a c ) 层使用载波侦听多路访问避免冲突( c s m a c a ) 协议。由于在r f 传输网络中冲突检测比较困难，所以该协议用避免冲突检测代 替在8 0 2 3 协议使用的冲突检测，使用信道空闲评估( c c a ) 算法来决定信道是否 空闲，通过测试天线口能量和决定接收信号强度r s s i 来完成。c s m a c a 使用 r t s 、c t s 和a c k 帧减少冲突。为无线局域网设计的一个较早的协议是避免冲 突的多路访问m a c a ( m u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o na v o i d a n c e ) 9 1 。它被采用为i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网标准的基础。在m a c a 进行模拟研究的基础之上，b h a r g h a v a n 等进一步改进了m a c a ，使其性能得到提高，并且将改进的协议命名为 m a c a w 1 0 。无线局域网8 0 2 1 1 现行的介质访问子层的标准为d f w m a c 1 1 】。 一二、数字蜂窝无线电g s m 、c d m a 接入控制 无线网的另一种形式是数字蜂窝无线电，它是在a m p s 系统的基础上发展 而来的，包括g s m 和c d m a 。 g s m 全球可移动通信系统：现在的蜂窝电话已发展为数字式，采用了 无线电分组( p a c k e tr a d i o ) 技术。g s m 系统中每个蜂窝最多可拥有2 0 0 多个全双工 信道，每个信道包括下行链路频率( 从基站到可移动站) 和上行链路频率( 从可 移动站到基站) 每个频率段宽2 0 0 k h z ，g s m 使用1 2 4 个频率信道，每个均使用 8 隙t d m 系统。在1 2 4 个频率信道中，每一个均可采用时分复用技术支持8 个 独立的连接。每个当前活动的站点均在某一信道中分配一个时隙。 c d m a 码分多址：c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 与g s m 的信道 分配方法完全不同。前面所介绍的方法中，有些是将信道分成频率段，对它们进 行静态分配( f d m ) ，或是根据需求分配( 波分多路访问) ，用户则可以无限制地 使用它们。另外的方法则是根据帧来分配信道，将整个信道静态地( 具有固定时 第一章导论 隙的t d m ) 或动态地( a l o h a ) 分配给各个站点。c d m a 允许所有站点同时在整 个频段上进行传输，多路的同时传输采用编码原理加以区分，它假定多重信号是 线性叠加的。理想状态下，无噪声的c d m a 系统的容量( 即站点的数量) 可以 任意大，但在实际中，d 于时间同步、功率控制等物理条件的限制，容量大打折 扣。尽管如此，c d m a 仍是无线移动通信中迅速发展的一种比较巧妙的方法。 无线链路的通信是通过发送装置和接收装置的天线实现的。在无线通信中通 过调整天线的发射功率可以达到不同的信干比s i r ( s i g n a l t oi n t e r f e r e n c er a t i o ) ，不 同通信质量要求不同的信干比。当信道的s i r 下降时，天线可以提高发射功率以 增大s i r ，从而保证正常的通信质量。不管是局域网无线接入点( a p ) 天线还是蜂 窝无线电基站天线的发射功率都是有限的。天线发射功率达到极限时，在特定接 入链路数目的情况下，只能维持一定的信干比。过多的通信链路的接入将导致信 干比的降低和通信质量的下降。因此，无线接入点( a p ) 和基站天线成了无线通信 链路的瓶颈。通信量所需要的功率超过天线功率的极限时，信号将不能从干扰中 币确地恢复，导致数据的大量丢失，重发机制使得这种情况更加恶化。等效地形 成了链路的拥塞。 g s m 数据链路层是有连接的模型，引入“接纳控制”( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 算法， 在用户需求大于网络资源时，通过限制接入的用户数来保证服务质量。 对于c d m a 系统w h a s o o k j e o n 1 2 1 等人提出了直接序列码分多址访问 ( d s c d m a ) 蜂窝系统的移动多媒体通信业务的呼叫接入控制( c a l l a c c e s sc o n t r 0 1 ) 方案。对多媒体通信的呼叫进行分类，不同的呼叫类型分配不同的信于比。呼叫 类型之间的优先级机制是通过给不同的呼叫分配不同的c a c 阈值。对于c d m a 系统，所有移动主机共用相同的频谱，给每个移动主机分配一个具有良好白相关 和互相关特性的伪随机扩展码( c h i p ) 实现多址接入。c d m a 是有限干扰系统，一 个蜂窝的容量因本地和邻近蜂窝的负荷而不同，其主要是因为共信道干扰随负荷 而改变。呼叫接入的决策基于对信道s i r 的检测。为保证足够的通话质量，一个 呼叫的s i r 应大于预设值。为此，新的呼叫请求只有当任何正在通信中的呼叫的 s i r 不小于其闽值时才准许接入。在考虑到上行链路和下行链路不对称的情况， 以及确保基站之间通信转接的优先级大于初始的呼叫接入，该多媒体移动通信呼 叫接入控制方法有较好的效果。 1 2 1 2 局域网接入方式 局域网是通过使用有线连接的体系结构把计算机连接成网络的一个通讯系 统。局域网把个人计算机、工作站和服务器连在一起，允许用户通讯和共享资源， 如磁盘存储及打印机等。i e e e 制定了几个局域网标准。这些标准合称为i e e e 8 0 2 标准，它们包括c s m a c d 、令牌总线和令牌环。这些标准在物理层和m a c 子 浙江人学顿l 学位论文 层上有所不同，但在数据链路层上是兼容的。i e e e8 0 2 标准已被a n s i 采用为美 国国家标准，被n i s t 采用为政府标准，并且被i s o 作为国际标准，称之为i s o 8 8 0 2 。 i e e e8 0 2 3 以太网：“以太网”指的是传输电缆( 以太) ，以太网是最流 行的局域网技术。以太网是通过广播技术进行包交换的局域网。连接在电缆上的 设备使用c s m a c d 1 3 协议来争夺访问机会。 i e e e 8 0 2 4 令牌总线：8 0 2 3 以太网的随机介质访问方式以及数据帧无优先 级区别使其无法做到严格的实时性，用令牌这种特殊的控制帧来赋予站点发送数 据的权利，可以解决实时性问题。i e e e8 0 2 4 令牌总线( t o k e nb u s ) 就是这种局 域网。在物理上令牌总线是一根线形或树形的电缆，其上连接着各个站点。在逻 辑上，所有站点构成一个环，每个站点知道自己的左边和右边的站点的地址。令 牌绕逻辑环传送，只有持有这才能够发送数据帧。并按照f i f o 先进现出的原则 进行发送。 i e e e 8 0 2 5 令牌环网：它是与令牌总线样采用令牌来裁决信道的访问问题 的局域网技术，有与令牌总线相似的功能。令牌环网在物理和逻辑上都是一个环。 它们各自都有不同的m a c 子层访问技术。 i e e e 8 0 2 6 分布队列双总线：d q d b ( d i s t r i b u t e dq u e u ed u a lb u s ) 是能够连接几 千个站点的城域网技术。它由两条平行的单向总线穿绕整个城市，站点同时连接 于两条总线上。在8 0 2 6 中，站点按照顺序进行排队，并按照f i f o 先进现出的 原则进行发送。 1 2 2 数据链路层点对点通信的流量控制 在数据链路层及较高层中一个重要的设计问题是：如何处理发送方的传送能 力比接收方接收能力大的问题。当发送方是在一个相对快速或负载较轻的机器上 运行时而接收方是在一个相对慢速或负载较重的机器上运行时，这种情况就容易 出现。如果发送方不断地高速将数据帧送出，会最终淹没接收方。即使传送过程 中毫无差错，到某一时刻接收方也将无能力处理收到的帧，而会丢失一些帧。因 此，很明显必须采取某种措旌来防止这种情况的发生。 通常的解决办法是引入流量控制来限制发送方所发出的数据流量，使其发送 速率不要超过接收方能处理的速率。这种限制量需要某种反馈机制，使发送方能 了解接收方是否能接收到。 大部分已知流量控制方案的基本原理都是相同的。协议中包括了一些定义完 整的规则，这些规则描述了发送方在什么时候发送下一帧，在未获