摘要：提出了一種綜合的適合MPLS網(wǎng)絡(luò)的主動式流量和擁塞控制策略。通過仿真表明，與傳統(tǒng)的TCP協(xié)議相比，該策略縮短了擁塞反饋時延，有效地避免了網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高了業(yè)務(wù)吞吐量。

近年來，隨著Internet用戶數(shù)量的迅速增加和各種新型業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量提出的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，越來越嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題逐漸暴露出來，擁塞控制已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的重要研究課題之一。目前Internet上廣泛使用的擁塞控制協(xié)議是Tahoe TCP，改進(jìn)協(xié)議主要有Reno TCP、NewReno TCP以及SACK TCP協(xié)議等。深入研究以上幾種協(xié)議可以看到：這些協(xié)議本質(zhì)上都是使用諸如確認(rèn)、超時及重復(fù)確認(rèn)等隱含信號推斷網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并利用反饋修正數(shù)據(jù)源的發(fā)送窗口，控制注入網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)量以緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞。其中一直存在的問題是：網(wǎng)絡(luò)擁塞的檢測和控制不是由發(fā)生擁塞的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及時和主動地進(jìn)行，而是在端到端的基礎(chǔ)上由源端通過各種隱含信號推測出來。這不但延緩了對網(wǎng)絡(luò)擁塞的檢測和控制，還可能造成更嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)擁塞。上述改進(jìn)協(xié)議在這一問題上都未能提出較好的解決方案。

    因此，在路由器中引入擁寒控制已顯得非常必要。這依賴于路由器的計(jì)算能力。多協(xié)議標(biāo)簽交換MPLS（Multi-protocol Label Switching）順應(yīng)了這種要求。它在無連接的IP網(wǎng)絡(luò)引入面向連接的機(jī)制，形成MPLS域，標(biāo)簽邊緣路由器LER（Label Edge Router）具有計(jì)算能力，完成分類、調(diào)度和QoS映射等處理。標(biāo)簽交換器由器LSR（Label Switch Router）完成簡單轉(zhuǎn)發(fā)，即“邊緣智能，交換”。本文利用MPLS的這種特性，將反饋擁塞算法從端點(diǎn)引入到網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)，并設(shè)定低等級業(yè)務(wù)接入門限，可以有效縮短擁塞反饋時延，提高業(yè)務(wù)吞吐量。通過仿真證明該算法具有較好的性能。

1 綜合擁塞策略的基本思想

本文提出的擁塞控制策略正是在MPLS網(wǎng)絡(luò)中由路由器參與擁塞控制的主動式流程擁塞控制機(jī)制。在基于反饋的擁塞控制系統(tǒng)中，鏈路瓶頸的擁塞持續(xù)時間與帶寬時延符積直接相關(guān)。網(wǎng)絡(luò)端到端的時延越大，端點(diǎn)能夠檢測到網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞的時間就越長；網(wǎng)絡(luò)帶寬越大，在端點(diǎn)檢測到網(wǎng)絡(luò)擁塞之前，端點(diǎn)發(fā)送到擁塞網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量就越大，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞進(jìn)一步惡化。因此，在網(wǎng)絡(luò)帶寬一定的情況下，減少時延時減少擁塞的一個重要因素。

    基于這樣的考慮，筆者把傳統(tǒng)TCP的反饋擁塞計(jì)算從端點(diǎn)引入到網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)。為縮短擁塞反饋時延，利用路由器LSR監(jiān)視隊(duì)列長度的功能，認(rèn)為緩存隊(duì)列達(dá)到某一長度閾值，即表明有擁塞的可能，由該路由器向邊緣路由器LER發(fā)送擁塞警信息，由邊緣路由器對預(yù)警信息做出反應(yīng)，進(jìn)行流量接入控制；同時，通知端點(diǎn)降低發(fā)送速率，進(jìn)入Slow Start狀態(tài)，從而及時地預(yù)測和緩解擁塞狀況。

同時考慮到大多數(shù)研究中，對高等級業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量比較關(guān)注，只對高等級業(yè)務(wù)做出相應(yīng)的處理和控制，讓高等級業(yè)務(wù)優(yōu)先占用資源，而對盡力而為的低等級業(yè)務(wù)則采取等待或者在資源不夠的時候優(yōu)先丟棄或者舍棄的策略；完全不關(guān)心網(wǎng)絡(luò)中大量普遍存在的、未提出任何要求的低等級業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，只是在滿足高等級業(yè)務(wù)的前提下對其進(jìn)行簡單的處理。這種處理在網(wǎng)絡(luò)的承載量不是很大時作用是明顯的，但是在網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)量較大時就不是很合理了。在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)承載較大時，由于盡力而為業(yè)務(wù)是只要網(wǎng)絡(luò)有資源容納就進(jìn)入，因此就出現(xiàn)了這樣的現(xiàn)象：大量盡力而為業(yè)務(wù)剛剛被接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，此時如果又有一個新的高等級業(yè)務(wù)到達(dá)，而剩余的網(wǎng)絡(luò)資源不夠的話，由于高等級業(yè)務(wù)將優(yōu)先占用網(wǎng)絡(luò)資源，因此剛剛被接入的盡力傳輸業(yè)務(wù)將被丟棄。這樣盡力傳輸業(yè)務(wù)的傳輸時延和丟失率將隨著業(yè)務(wù)到達(dá)率的增加而大大增加，從而損害了盡力傳輸業(yè)務(wù)的性能，而且還將造成網(wǎng)絡(luò)資源的無畏浪費(fèi)，降低全網(wǎng)的性能。

    鑒于以上考慮，在綜合策略中設(shè)定了一個低等級業(yè)務(wù)的接入門限，只有在網(wǎng)絡(luò)較空閑的情況下，盡力而為業(yè)務(wù)才被接入。這種操作在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不高時，效果不明顯，但是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時效果非常明顯。其原理是：雖然通過接入少量低等級業(yè)務(wù)使得低等級業(yè)務(wù)的吞吐量下降，但是，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時，這避免了已接入低等級業(yè)務(wù)在中間節(jié)點(diǎn)的大量無謂的丟棄，提高了低等級業(yè)務(wù)的實(shí)際傳輸效率和資源的有效使用率。同時，也大大降低了網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的處理復(fù)雜度，可以在不改變原有高等級業(yè)務(wù)的處理和性能下，有效地提高低等級業(yè)務(wù)和性能，并且提高全網(wǎng)的吞吐量。

在尾丟棄策略上，采用隨機(jī)早檢測RED算法和優(yōu)先級相結(jié)合的策略。RED算法將決定丟棄是否發(fā)生，優(yōu)先級將決定那個分組被丟棄。

2 綜合的MPLS流量工程擁塞控制策略

如前所述，采用路由器LSR對隊(duì)列長度進(jìn)行監(jiān)測，并取隊(duì)列長度的70%作為擁塞預(yù)警值，即低等級業(yè)務(wù)的準(zhǔn)入門限，同時把進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行緩存分類，分為高等級業(yè)務(wù)和盡力而為業(yè)務(wù)，而且高等級業(yè)務(wù)隊(duì)列還按優(yōu)先級排隊(duì)，高的優(yōu)先級排在前面，從而建立了一種綜合的MPLS流量工程的擁塞控制策略ICC（Integrated Congestion Control Strategy for MPLS Traffic Engineering）。在該策略中，當(dāng)隊(duì)列流量沒有超出預(yù)警值時，路由器下常轉(zhuǎn)發(fā)緩存隊(duì)列的數(shù)據(jù)，不進(jìn)行流量控制；當(dāng)任一LSR檢測到自己的緩存隊(duì)列超出預(yù)警值，便向其邊緣入口LER發(fā)送預(yù)警信息，入口LER收到預(yù)警信息啟動隊(duì)列管理機(jī)制，對盡力傳輸型業(yè)務(wù)限制接入，同時邊界MPLS LER通知數(shù)據(jù)發(fā)送源端降低數(shù)據(jù)發(fā)送速率。在每個路由器內(nèi)部，采用隨機(jī)早檢測RED算法和優(yōu)先級相結(jié)合的策略。當(dāng)分組到來時，考察隊(duì)列長度q，若隊(duì)列長度介于隊(duì)列容量/2和隊(duì)列容量之間，把分組按優(yōu)先級進(jìn)行排隊(duì)，然后以概率P丟棄隊(duì)尾數(shù)據(jù)包。若隊(duì)列已滿，則直接丟棄數(shù)據(jù)包。其中，p=(q-minth)/(maxth-minth),minth為隊(duì)列容量/2，maxth為隊(duì)列容量。丟棄數(shù)據(jù)包的順序是從隊(duì)列尾部開媽，因此隊(duì)列是按優(yōu)先級排隊(duì)的。這樣就保證了高等級業(yè)務(wù)的優(yōu)先服務(wù)，同時這種丟棄策略也使網(wǎng)絡(luò)擁塞得到緩解。

3 仿真實(shí)例

仿真中采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。端節(jié)點(diǎn)client TOSi和server TOSi之間建立連接，鏈路的帶寬為1Mbps,發(fā)送端采用TCP（Reno）協(xié)議，報(bào)文平均長度為1000byte，網(wǎng)絡(luò)中共有60個TCP源，其輸入模型為FTP模型。路由器router A和router B之間構(gòu)成瓶頸鏈路，鏈路帶寬為2.048Mbps，傳輸延遲為20ms～100ms，此范圍對應(yīng)于從局域網(wǎng)平均遲延到廣域網(wǎng)的鏈路平均遲延，在仿真中通過改變此鏈路遲延就可改變鏈路的帶寬遲延積。路由器中的緩沖區(qū)多可容納350個報(bào)文。

    解決擁塞的終目的是為了提高吞吐量，所有的吞吐量都是按照目的端收到的有用包來計(jì)算的。隨著鏈路時延的增加，即帶寬時延積的增加，瓶頸鏈路的吞吐量。由于ICC和TCP都依賴于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和端點(diǎn)的反饋通信，因此兩者的性能都隨著帶寬時延積的增大而下降。但由于ICC利用中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行反饋，這主要是因?yàn)殒溌窌r延增加后，數(shù)據(jù)包的RTT時間增加，TCP協(xié)議的定時器長度也隨之增加，造成了用戶終端對網(wǎng)絡(luò)擁塞進(jìn)行檢測和控制時間物延長。此外，由于TCP協(xié)議至少需要經(jīng)一個RTT時間才能發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞，在此之前端終將繼續(xù)發(fā)送大量的數(shù)據(jù)包。這樣就有可能造成擁塞節(jié)點(diǎn)情況的進(jìn)一步惡化，造成數(shù)據(jù)包的大量丟失，從而也影響瓶頸鏈路的吞吐量。

采用ICC和傳統(tǒng)TCP方法對照情況下的高、低等級業(yè)務(wù)的吞吐量圖。網(wǎng)絡(luò)延遲為50ms?？梢钥闯觯涸诰W(wǎng)絡(luò)資源較空閑的情況下，采取適當(dāng)?shù)牡偷燃墭I(yè)務(wù)接入門限，可以有效提高低等級業(yè)務(wù)吞吐量，從而使網(wǎng)絡(luò)的吞吐量得到提高。

隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的膨脹和新業(yè)務(wù)的增加，單一的TCP擁塞控制已不能完全滿足擁塞控制的要求，必須使路由器參與到主動的擁塞控制中。本文在分析了相關(guān)的擁塞控制策略的基礎(chǔ)上，將反饋擁塞算法從端點(diǎn)引入到了網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)，并設(shè)定低等級業(yè)務(wù)接入門限。理論分析和仿真結(jié)果表明在網(wǎng)絡(luò)中瓶頸鏈路延遲較大時不僅可提高高等級業(yè)務(wù)的吞吐量，也照顧了低等級業(yè)務(wù)的吞吐量。