趙施洋

[摘要]復(fù)雜計算機網(wǎng)絡(luò)競爭具有普遍性和客觀性,合作總是特殊和暫時的。系統(tǒng)內(nèi)部競爭無處不在,資源共享與競爭并存。通過對計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜性的分析,分析局域網(wǎng)內(nèi)成員競爭和路由器級或域間級的競爭,從而對計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)復(fù)雜性下的競爭特性的相關(guān)問題進行分析。

[關(guān)鍵詞]網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)復(fù)雜性競爭特性

中圖分類號:TP3文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1120063-01

通過系統(tǒng)的本質(zhì)角度來探討計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜性,依據(jù)子系統(tǒng)組成、種類數(shù)量及其相互的關(guān)聯(lián)關(guān)系的復(fù)雜程度,可以將系統(tǒng)分成兩類:簡單系統(tǒng)和類巨系統(tǒng)。因為系統(tǒng)數(shù)量組成比較少的簡單系統(tǒng)很少,計算機網(wǎng)絡(luò)大多數(shù)情況下表現(xiàn)出明顯的復(fù)雜性。

一、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜性問題

我們把因特網(wǎng)(Internet)、廣域網(wǎng)(WAN)、局域網(wǎng)(LAN),城域網(wǎng)(WAN)等一些在計算機系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上延伸出來的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),稱為“開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)”。計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜性有:1. 開放系統(tǒng)。眾所周知互聯(lián)網(wǎng)是集共享性和開放性于一體的開放系統(tǒng)?；ヂ?lián)網(wǎng)因為受到其他環(huán)境因素的滲透而減緩了其發(fā)展,但是互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展在某種意義上也影響了外界環(huán)境。2. 成員群體數(shù)目巨大。計算機網(wǎng)絡(luò)中的各種各樣的用戶與節(jié)點構(gòu)建了復(fù)雜系統(tǒng)的成員總體。這些成員(Agent)主要包括用戶終端、交換機、網(wǎng)關(guān)、路由器等各種終端設(shè)備以及中繼設(shè)備,這些設(shè)備種類繁多、數(shù)量龐大。3. 成員間相互關(guān)聯(lián)、作用。因為系統(tǒng)中成員與成員之間存在著某種不確定的關(guān)聯(lián)和作用。但是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議龐雜的系統(tǒng)是缺乏集中的控制力的。

二、局域網(wǎng)內(nèi)系統(tǒng)成員的競爭問題

局域網(wǎng)成員數(shù)量通常情況下多于網(wǎng)絡(luò)共享設(shè)備、信道等資源的個數(shù)。在可以使用的資源數(shù)量不足,使得想要使用網(wǎng)絡(luò)資源的成員過多的時候,相應(yīng)的在這些成員與成員之間就會形成了激烈的競爭關(guān)系。它們爭奪信道和網(wǎng)絡(luò)共享設(shè)備的使用權(quán)。局域網(wǎng)內(nèi)對成員進行了沖突解決和有序控制來達(dá)到有效利用網(wǎng)絡(luò)資源的目的。

(一)有序控制。有序控制使得成員間只存在合作關(guān)系,避免了沖突的發(fā)生。有序控制的實質(zhì)是預(yù)防沖突的發(fā)生。常見的有序控制方式有:1. 輪詢:控制程序會按照某種順序依次詢問系統(tǒng)成員對網(wǎng)絡(luò)資源的需求,如果需要,則被詢問的成員可以立刻使用;反之就詢問下一成員。通常包括有限定式、窮盡式、門限式、混合式等服務(wù)方式。2.預(yù)約:需要使用網(wǎng)絡(luò)資源的成員通過預(yù)約使用,然后按照一定的順序使用。包括分布式預(yù)約和集中預(yù)約。3.令牌控制:通常應(yīng)用在環(huán)形局域網(wǎng)中。令牌作為一個通行證在網(wǎng)內(nèi)流動,有發(fā)送請求的成員通過捕捉閑令牌,把信息放在令牌后發(fā)送出去。主要包括單令牌與多令牌兩種方式。4.時槽方式:信息的傳輸時間分為固定大小的幾段在環(huán)網(wǎng)上傳輸,通常其中的一段叫做一個時槽,用戶成員必須通過使用自己對應(yīng)的時槽才能發(fā)送信息。主要包括固定式槽環(huán)和隨機式槽環(huán)兩種。5.其它方式,例如寄存器插入、信道復(fù)用等有序控制方式。

(二)沖突解決。一些局域網(wǎng)采取沖突解決方式而不采用有序控制,這樣主要有以下四種:1. 后退:發(fā)生沖突后拒絕進行服務(wù),使得所有待發(fā)信息全部后退1個時間,然后再來競爭,只有無沖突時的成員才能接受服務(wù)。2. 淘汰。通過網(wǎng)絡(luò)仲裁機構(gòu)來實現(xiàn)。仲裁機構(gòu)從請求服務(wù)的用戶成員中隨機選取一次能夠服務(wù)的數(shù)目,其余的成員要延遲到下次再請求服務(wù)。3. 限制:也就是沖突限制方式。通過限制請求服務(wù)中參加競爭的用戶成員數(shù)量,每次讓部分用戶成員產(chǎn)生的信息參與競爭,這樣使信息發(fā)生沖突的可能性變小。4. 排序:對發(fā)生沖突的用戶進行排隊

后,按照排好的順序逐一接受服務(wù)。排隊辦法主要有先來先服務(wù)(FIFS),優(yōu)先級服務(wù)等等。

三、路由器級或域間級的競爭問題

快速局域網(wǎng)傳輸?shù)拇罅啃畔⒌诌_(dá)信息速率較慢的局域網(wǎng)時,因為帶寬限制形成瓶頸,從而產(chǎn)生競爭帶寬引起的沖突。路由器級/域間級的沖突解決策略分兩大類,一類為“預(yù)防機制”,另一類是“沖突解決”?！邦A(yù)防機制”是在沖突發(fā)生前通過一系列措施避免有可能發(fā)生的沖突?！皼_突解決”則是在沖突發(fā)生后采取相應(yīng)的措施來化解沖突,實現(xiàn)成員之間的合作。

(一)預(yù)防機制。預(yù)防沖突的TCP協(xié)議算法包括“擁塞避免”和“慢啟動”。“慢啟動”通過探測網(wǎng)絡(luò)的帶寬,使得用戶節(jié)點適量的發(fā)送數(shù)據(jù)使得流量在可控制的范圍,避免瞬間的大量數(shù)據(jù)引發(fā)的沖突。這里我們引入了所謂的“慢啟動閾值”,慢啟動閾值的意義在于,數(shù)據(jù)發(fā)送量低于閾值時,TCP選擇慢啟動算法,否則選擇“擁塞避免”算法,使用戶端的發(fā)送速率降低。降低沖突發(fā)生次數(shù)還可以采用提高路由器性能的方法。通過設(shè)置適當(dāng)?shù)木彺嫒萘俊⑻岣哌\算速度以及采用路由器集群結(jié)構(gòu)。路由器集群結(jié)構(gòu)可將多個路由器用內(nèi)連網(wǎng)絡(luò)合并于一體,采用負(fù)載均衡技術(shù),分解大量的輸入端數(shù)據(jù)給多個路由器。當(dāng)前Diffserv體系結(jié)構(gòu)避免內(nèi)部沖突的方法主要是在邊界節(jié)點嚴(yán)格控制進入?yún)^(qū)域的數(shù)據(jù)流量。采用動態(tài)反饋機制:1.內(nèi)部節(jié)點到邊界點的反饋。內(nèi)部節(jié)點捕獲周邊詳情,并且通報邊界節(jié)點,邊界節(jié)點根據(jù)反饋信息調(diào)控進入?yún)^(qū)域內(nèi)的總數(shù)據(jù)流量;2.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)點把數(shù)據(jù)傳輸速率反饋給邊界入口節(jié)點,入口節(jié)點依據(jù)這個速率調(diào)控進入?yún)^(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸速率,最后達(dá)到入口速率等于出口速率,來避免區(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)點都支持的一項操作。當(dāng)大量的數(shù)據(jù)包爭奪有限的輸入、輸出緩存或輸出帶寬時,因為資源“供給”小于“需求”引起沖突,就需要丟棄一些數(shù)據(jù)包。然而到底丟棄哪些數(shù)據(jù)包、什么時間丟棄要根據(jù)不同的算法:1.DropTail(丟尾)算法。當(dāng)緩存隊列長度高于緩存大小時,丟棄隊列尾部的數(shù)據(jù)包。2.RED(隨機早期檢測)算法。采用一定概率丟失或標(biāo)記報文來通知端節(jié)點網(wǎng)絡(luò)沖突的情況。3.基于RED算法的ARED算法。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)載荷的情況來調(diào)整maxp。當(dāng)avg queue小于minth,就減小maxp;當(dāng)avg queue大于maxth,就增大maxp。4.基于RED算法的SRED算法。采用預(yù)計網(wǎng)絡(luò)中TCP連接的數(shù)量來調(diào)整報文的標(biāo)記/丟失概率。5.基于RED算法的BLUE算法。采用鏈路空閑和緩沖溢出的狀況來調(diào)整報文的標(biāo)記/丟失概率。

四、結(jié)論

本文通過對計算機網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜系統(tǒng)的競爭特性進行深入的研究,得出以下結(jié)論:1.復(fù)雜的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)競爭具有普遍性和客觀性。系統(tǒng)內(nèi)部競爭可以說是普遍存在,既然存在資源共享,就必然有競爭。競爭就是一把雙刃劍:網(wǎng)絡(luò)繁忙的沖突高峰期容易出現(xiàn)擁塞,我們要設(shè)法避免沖突發(fā)生;在沖突的低谷期的競爭能夠提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。所以我們要根據(jù)需求和競爭的特性來改進沖突的解決策略,在化解沖突的同時,實現(xiàn)成員間的有序合作。2.利用競爭的時間性提高系統(tǒng)效率。避開競爭-沖突高峰期,更有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源,避免擁塞發(fā)生。

參考文獻:

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