基于計算機網絡系統復雜性的競爭特性初探

趙施洋

[摘要]復雜計算機網絡競爭具有普遍性和客觀性,合作總是特殊和暫時的。系統內部競爭無處不在,資源共享與競爭并存。通過對計算機網絡系統的復雜性的分析,分析局域網內成員競爭和路由器級或域間級的競爭,從而對計算機網絡系統復雜性下的競爭特性的相關問題進行分析。

[關鍵詞]網絡系統復雜性競爭特性

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

通過系統的本質角度來探討計算機網絡系統的復雜性,依據子系統組成、種類數量及其相互的關聯關系的復雜程度,可以將系統分成兩類:簡單系統和類巨系統。因為系統數量組成比較少的簡單系統很少,計算機網絡大多數情況下表現出明顯的復雜性。

一、計算機網絡系統的復雜性問題

我們把因特網(Internet)、廣域網(WAN)、局域網(LAN),城域網(WAN)等一些在計算機系統、通信系統的基礎上延伸出來的計算機網絡系統,稱為“開放的復雜巨系統”。計算機網絡系統的復雜性有:1. 開放系統。眾所周知互聯網是集共享性和開放性于一體的開放系統。互聯網因為受到其他環境因素的滲透而減緩了其發展,但是互聯網的發展在某種意義上也影響了外界環境。2. 成員群體數目巨大。計算機網絡中的各種各樣的用戶與節點構建了復雜系統的成員總體。這些成員(Agent)主要包括用戶終端、交換機、網關、路由器等各種終端設備以及中繼設備,這些設備種類繁多、數量龐大。3. 成員間相互關聯、作用。因為系統中成員與成員之間存在著某種不確定的關聯和作用。但是網絡協議龐雜的系統是缺乏集中的控制力的。

二、局域網內系統成員的競爭問題

局域網成員數量通常情況下多于網絡共享設備、信道等資源的個數。在可以使用的資源數量不足,使得想要使用網絡資源的成員過多的時候,相應的在這些成員與成員之間就會形成了激烈的競爭關系。它們爭奪信道和網絡共享設備的使用權。局域網內對成員進行了沖突解決和有序控制來達到有效利用網絡資源的目的。

(一)有序控制。有序控制使得成員間只存在合作關系,避免了沖突的發生。有序控制的實質是預防沖突的發生。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成員對網絡資源的需求,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、混合式等服務方式。2.預約:需要使用網絡資源的成員通過預約使用,然后按照一定的順序使用。包括分布式預約和集中預約。3.令牌控制:通常應用在環形局域網中。令牌作為一個通行證在網內流動,有發送請求的成員通過捕捉閑令牌,把信息放在令牌后發送出去。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網上傳輸,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的時槽才能發送信息。主要包括固定式槽環和隨機式槽環兩種。5.其它方式,例如寄存器插入、信道復用等有序控制方式。

(二)沖突解決。一些局域網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:發生沖突后拒絕進行服務,使得所有待發信息全部后退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。2. 淘汰。通過網絡仲裁機構來實現。仲裁機構從請求服務的用戶成員中隨機選取一次能夠服務的數目,其余的成員要延遲到下次再請求服務。3. 限制:也就是沖突限制方式。通過限制請求服務中參加競爭的用戶成員數量,每次讓部分用戶成員產生的信息參與競爭,這樣使信息發生沖突的可能性變小。4. 排序:對發生沖突的用戶進行排隊

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

三、路由器級或域間級的競爭問題

快速局域網傳輸的大量信息抵達信息速率較慢的局域網時,因為帶寬限制形成瓶頸,從而產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“預防機制”,另一類是“沖突解決”。“預防機制”是在沖突發生前通過一系列措施避免有可能發生的沖突。“沖突解決”則是在沖突發生后采取相應的措施來化解沖突,實現成員之間的合作。

(一)預防機制。預防沖突的TCP協議算法包括“擁塞避免”和“慢啟動”。“慢啟動”通過探測網絡的帶寬,使得用戶節點適量的發送數據使得流量在可控制的范圍,避免瞬間的大量數據引發的沖突。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,數據發送量低于閾值時,TCP選擇慢啟動算法,否則選擇“擁塞避免”算法,使用戶端的發送速率降低。降低沖突發生次數還可以采用提高路由器性能的方法。通過設置適當的緩存容量、提高運算速度以及采用路由器集群結構。路由器集群結構可將多個路由器用內連網絡合并于一體,采用負載均衡技術,分解大量的輸入端數據給多個路由器。當前Diffserv體系結構避免內部沖突的方法主要是在邊界節點嚴格控制進入區域的數據流量。采用動態反饋機制:1.內部節點到邊界點的反饋。內部節點捕獲周邊詳情,并且通報邊界節點,邊界節點根據反饋信息調控進入區域內的總數據流量;2.邊界節點到邊界節點的動態反饋。區域的邊界出口節點把數據傳輸速率反饋給邊界入口節點,入口節點依據這個速率調控進入區域內的數據傳輸速率,最后達到入口速率等于出口速率,來避免區域內發生擁擠沖突。

(二)沖突解決。“丟棄”數據包是所有交換節點都支持的一項操作。當大量的數據包爭奪有限的輸入、輸出緩存或輸出帶寬時,因為資源“供給”小于“需求”引起沖突,就需要丟棄一些數據包。然而到底丟棄哪些數據包、什么時間丟棄要根據不同的算法:1.DropTail(丟尾)算法。當緩存隊列長度高于緩存大小時,丟棄隊列尾部的數據包。2.RED(隨機早期檢測)算法。采用一定概率丟失或標記報文來通知端節點網絡沖突的情況。3.基于RED算法的ARED算法。根據網絡載荷的情況來調整maxp。當avg queue小于minth,就減小maxp;當avg queue大于maxth,就增大maxp。4.基于RED算法的SRED算法。采用預計網絡中TCP連接的數量來調整報文的標記/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整報文的標記/丟失概率。

四、結論

本文通過對計算機網絡復雜系統的競爭特性進行深入的研究,得出以下結論:1.復雜的計算機網絡系統競爭具有普遍性和客觀性。系統內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:網絡繁忙的沖突高峰期容易出現擁塞,我們要設法避免沖突發生;在沖突的低谷期的競爭能夠提高網絡資源利用率。所以我們要根據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,實現成員間的有序合作。2.利用競爭的時間性提高系統效率。避開競爭-沖突高峰期,更有效地利用網絡資源,避免擁塞發生。

參考文獻:

[1]許國志,系統科學與工程研究[M].上海:上海科技技術出版社,2007.

[2]許曉鳴,復雜網絡[M].上海:上海科技教育出版社,2008.