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摘 要：分布式排队双总线(DQDB)协议采用带宽平衡机制(BWB)，保证了在网络重载时，在每个结点浪费掉一部分带宽的条件下，达到全网带宽分配的公平性.但它还存在着优先级管理和达到公平性稳态的时间较长等问题.在分析造成这些问题的原因的基础上，提出了一种更为有效地解决带宽分配公平性的方法，即具有时隙重用功能和抢占优先功能的、多请求多优先级BWB计数器的媒质接入控制机制(M-DQDB).这种新方法在保持原协议特点的同时，进一步改善了网络带宽分配的性能. 关键词：城域网；计算机通信网；分布队列双总线协议；带宽平衡机制；公平性；媒质接入控制 中图分类号：TN 91；TP 3 文献标识码：A Bandwidth Distribution Strategy in DQDB MAN WEN Yan-hong1， YING Hai-xiong2， Y U Song-yu1 1. Inst. of Image Comm. and Inf. Processing, Shanghai Jiaotong Univ., Shanghai 200030, China； 2. Shanghai Genteq Comm. Equip. Co., Ltd, Shanghai 200042, China Abstract： The bandwidth balancing(BWB) mechanism is used in the Distributed Queue Dual Bus(DQDB) protocol and the fairness of the bandwidth in overload can be achieved by forcing each node using a fraction of the available bandwidth for transmission. The problems in the protocol, such as priorities management and long instant delay, were studied, and a better solution called Slot Reused and Preemptive Media Access Control mechanism with Multiple Requests outstanding and Multiple BWB Counters for different priorities was presented, which further improves the fairness of the distributed queue protocol with its characteristics unchanged. Key words： metropolitan area network (MAN); computer communication networks; distributed queue dual bus (DQDB) protocol; bandwidth balancing mechanism; fairness; media access control (MAC) MAN是为适应大范围高速数据业务的需求而发展起来的.随着电脑用户的日益增多和应用领域的不断扩展，传统的局域网已不能适应和满足人们的需求，这些新的应用要求把多个局域网互连起来，构成一个更大范围的计算机网络，同时要求这种连接能支持高速传输和综合业务.为此，IEEE802.6委员会接受分布队列双总线(Distributed Queue Dual Bus,DQDB)作为MAN的标准.为了与B-ISDN标准相适应，IEEE802.6委员会对DQDB标准作了具有重大意义的修改.DQDB MAN是利用信元交换实现应用互连的高速接入平台，是基于光纤传输技术的分布式队列双总线网.它使用分布式排队协议，提供了与各种网络规程和速率无关的存取特征.它允许信元单独寻址，并在宽带传输载体上传送，向终端用户提供标准的接入接口.一方面，它是作为LAN的扩展而出现的，不仅非常适合于大都市(一般跨距50 km)，还可作为骨干网将多个LAN互连起来，扩展至覆盖整个地区或国家，甚至可提供全球性服务；另一方面，它还能满足话音和视频按需接入的要求. MAN通常配置成双总线或环形，在网络发生故障时具有自愈能力.高质量的医疗图像传送、远距离教学电子出版系统、多媒体信息业务和先进的可视数据业务，就是受益于这一新技术的应用. 但是，由于DQDB协议本身不甚完善，使得网络上各结点的带宽分配不甚公平.本文分析了造成这种不公平性的原因，并在此基础上，提出了一种更为有效地解决带宽分配公平性的方法，即具有时隙重用功能和抢占优先功能的、多请求多优先级BWB计数器的媒质接入控制机制(M-DQDB)〔1〕. 1 标准DQDB存在的问题 IEEE802.6城域网标准〔2〕——DQDB网包含两条数据流向相反的单向总线，是基于优先级接入控制的分布式排队概念.DQDB的主要特点是它的MAC比较简单，在网络轻载时可以充分利用网络的容量(带宽)，且不依赖于网络的大小和数据速率.但在重载时，由于DQDB结构本身不对称的特点，使得上游结点比下游结点有更多的机会利用空时隙来发送cell，而下游结点则比上游结点有更多的机会发送请求信息.另外，上游结点低优先级的业务也会推迟下游结点高优先级业务的发送.这就是说，总线上结点的性能与它在总线上的位置有关.造成这种带宽分配不公平性的原因主要有两点：一是网络传播时延的影响；二是协议本身不完善. 协议规定，当一个结点有cell准备在正向总线上发送时，它先要在反向总线上发一个请求信息，通过对反向总线上请求位的计数，以及前向总线上路过的空时隙，来决定此cell在分布式排队队列中的位置.这就是说，在前向总线上的发送是在反向总线上进行排队的，从而造成了总线上各结点的发送顺序与排队顺序不完全一致的现象〔3〕.通常，上游结点能够后入而先出，有更多的机会获得空时隙，而下游结点则由于请求位传播时延的影响，使得上游结点不能及时得到请求信息而往往先入后出，以较长的接入时延获得发送机会. 其次，协议只允许每个结点只能有一个请求进入分布式排队队列，那怕cell先到达排队队列，也由于其队首的cell未发送出去而无法进入排队队列，这也造成了排队顺序与实际情况不完全一致的现象〔4〕. 由于同样的原因，传播时延也影响到下游结点高优先级业务请求的传送，使得上游结点低优先级业务占用了一部分本该属于下游结点高优先级业务的带宽，从而增加了下游结点高优先级业务的传送时延，影响了下游结点高优先级业务的服务质量(QoS). 再有，当总线上某个结点释放带宽时，这个带宽最有可能被它相邻的下游结点所获取，并非在整个网络内公平的分配.网络的跨距越长，规模越大，负载越重，这种带宽分配的不公平性就越明显，上下游结点接入媒质的时延差也越大. 为了克服上述的带宽分配不公平性，在原DQDB协议的基础上，提出了带宽平衡(BWB)机制的概念.它为每个结点设置了一个带宽平衡模数(BWB-MOD)，限制了结点对带宽的使用权.BWB机制的基本思想是：网上的结点并不全部使用提供给它的带宽，而是放弃一部分带宽的使用权留给下游结点使用.这虽然解决了带宽合理分配的问题〔5，6〕，却又同时带来两个问题：一是它没能合理地进行优先级管理，也就是说高优先级的业务有可能被低优先级的业务所拖延〔7〕；二是网络达到公平性稳态的暂态时间较长. 本文针对这两个问题提出了一种改进DQDB协议带宽分配公平性的方法：① 为每个优先级都设置了一个BWB模数β(i)(i=0,1,2)，对不同的优先级分别进行管理，即MPBWB机制；② 允许每个结点有多个请求进入分布式排队队列，这样不再会因为队首的cell未发送出去而推迟后继cell进入排队队列，即MRQ机制；③ 允许在任何时候网络如果出现了高优先级业务，它都可以在低优先级业务之前得到服务，即高优先级的抢占机制(preemptive)；④ 为了更有效地避免带宽的浪费，目的结点不仅具有释放时隙的功能，将忙slot改为闲slot，而且在下游结点有待发cell时就将此释放信息通知上游结点，即所谓slot reuse机制.把这4个改进措施结合起来，就是本文提出的具有时隙重用功能和抢占优先功能的多请求多优先级BWB机制. 2 改进方案 不失一般性，本文只讨论在A总线(Bus A)上发送数据，在B总线(Bus B)上传送请求的情况.另一个方向上的操作是完全相同的. 排队裁决的功能主要由5个计数器共同完成.这些计数器是：请求计数器(RQ-CTR)、倒计数计数器(CD-CTR)、带宽平衡计数器(BWB-CTR)、本结点FIFO(先进先出缓冲器)、请求计数器(FRQ-CTR)和本结点未发出的请求计数器(NRQ-CTR).对应于两条总线，3个优先级别，每个结点共有6个RQ-CTR、6个CD-CTR、6个BWB-CTR、6个FRQ-CTR和6个NRQ-CTR.这些计数器均为可逆计数器，初值为0. 结点中为各优先级虚设了一个FIFO请求发送队列FRQ，它是全网分布排队队列的一部分.结点管理为此队列设置了相应的请求窗口W和β，W限制了进入到FIFO请求队列里的cell数，β则用于平衡各结点使用的带宽.另外，用HP表示本结点待发cell的最高优先级，SE表示正向发送总线上路过的时隙是忙还是闲，SR(i)表示反向总线上路过的时隙是否有相应优先级的请求.即 HP=max{i:cell(i)等待发送} 最后，定义 其中：|PF|为网络最高优先级；γPF为网络中是否存在优先级等于或高于本结点待发cell优先级的cell，若有，则γPF=0；否则，γPF=1. 若结点处于空闲状态idle(i)(i=0,1,2)，意味着i优先级等待发送队列中没有等待发送的cell，即FRQ-CTR(i)=0，否则结点处于倒计数状态countdown(i).对于不同优先级，结点可能同时存在idle(i)与countdown(j)状态(i≠j). 当结点处于idle(i)状态时，CD-CTR(i)和BWB-CTR(i)不起作用，FRQ-CTR(i)=0，NRQ-CTR(i)=0，而RQ-CTR(i)既要对下游结点相应优先级的请求计数，又要对下游结点较高优先级的请求计数.而且当结点有等于或高于下游结点最高优先级的请求待发cell时，RQ-CTR(i)就要对上游路过的空slot作减1操作： RQ-CTR(i)=max{RQ-CTR(i)+ 这样可以保证高优先级cell具有抢占功能，即满足： RQ-CTR(0)≥RQ-CTR(1)≥RQ-CTR(2) 这时，如果出现了一个请求待发的cell(i)，结点就进入countdown(i)状态.首先，FRQ-CTR(i)=FRQ-CTR(i)+1i)的请求，CD-CTR(i，1)要加1，而当|PF|≤i时，对于上游过来的空slot，CD-CTR(i，1)要减1. 如果CD-CTR(i，1)=0，且① i=HP;② HP≥|PF|;③ SE=1.三个条件同时满足，结点就可利用正向发送总线上过来的空时隙把此cell(i)发送出去；否则， 这样，当下游结点有更高优先级的待发cell时，结点就推迟其cell的发送，且在结点内部总能满足 CD-CTR(0，1)≥CD-CTR(1,1)≥CD-CTR(2,1) 即，总是先发送其最高优先级的cell. 在countdown(i)状态下，若CD-CTR(i，1)≠0，在第一个cell还未发送出去时，又有cell到达FIFO请求发送队列，若FRQ-CTR(i)=W(i),就禁止cell再进入FIFO请求发送队列，直到FRQ-CTR(i)0； CD-CTR(i，1)=CD-CTR(i,2); CD-CTR(i,2)=CD-CTR(i,3); … CD-CTR(i,FRQ-CTR(i))=CD-CTR(i,FRQ-CTR(i)+1); RQ-CTR(j)=RQ-CTR(j)+1,所有idle(j),ji. 这种多优先级BWB机制，既避免了结点独占带宽的可能性，又对不同优先级进行了不同的处理.它使得高优先级业务只放弃少量带宽，而低优先级则要放弃较多的带宽. 等到i优先级FIFO请求发送队列变为空，即FRQ-CTR(i)减到0时，结点又恢复到idle(i)状态.这时结点才可利用上游来的空slot发送低优先级的cell. 当目的地址与本结点相符的时隙到达时，结点负责将此时隙cell内容取下，并按优先级暂存到相应的队列中.同时，把此时隙恢复为空时隙，可被下游结点再次利用.此时，若结点的RQ-CTR(j)≠0或CD-CTR(j，1)≠0(j=0,1,2)，结点就向上游结点通报这一时隙重用信息.当上游结点收到此重用信息时， CD-CTR(j，1)=max{CD-CTR(j,1)-1,0},j优先级处于countdown状态； RQ-CTR(j)=max{RQ-CTR(j)-1,0},j优先级处于idle状态. 3 M-DQDB协议与DQDB协议比较 图1、2是两张分布队列状态转移图，以比较原DQDB协议和M-DQDB协议的区别.由于双总线对称的拓扑结构，两条总线上发送cell的情况是相同的.