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[摘要]复杂计算机网络竞争具有普遍性和客观性,合作总是特殊和暂时的。系统内部竞争无处不在,资源共享与竞争并存。通过对计算机网络系统的复杂性的分析,分析局域网内成员竞争和路由器级或域间级的竞争,从而对计算机网络系统复杂性下的竞争特性的相关问题进行分析。
[关键词]网络系统复杂性竞争特性
中图分类号:TP3文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1120063-01
通过系统的本质角度来探讨计算机网络系统的复杂性,依据子系统组成、种类数量及其相互的关联关系的复杂程度,可以将系统分成两类:简单系统和类巨系统。因为系统数量组成比较少的简单系统很少,计算机网络大多数情况下表现出明显的复杂性。
一、计算机网络系统的复杂性问题
我们把因特网(Internet)、广域网(WAN)、局域网(LAN),城域网(WAN)等一些在计算机系统、通信系统的基础上延伸出来的计算机网络系统,称为“开放的复杂巨系统”。计算机网络系统的复杂性有:1. 开放系统。众所周知互联网是集共享性和开放性于一体的开放系统。互联网因为受到其他环境因素的渗透而减缓了其发展,但是互联网的发展在某种意义上也影响了外界环境。2. 成员群体数目巨大。计算机网络中的各种各样的用户与节点构建了复杂系统的成员总体。这些成员(Agent)主要包括用户终端、交换机、网关、路由器等各种终端设备以及中继设备,这些设备种类繁多、数量庞大。3. 成员间相互关联、作用。因为系统中成员与成员之间存在着某种不确定的关联和作用。但是网络协议庞杂的系统是缺乏集中的控制力的。
二、局域网内系统成员的竞争问题
局域网成员数量通常情况下多于网络共享设备、信道等资源的个数。在可以使用的资源数量不足,使得想要使用网络资源的成员过多的时候,相应的在这些成员与成员之间就会形成了激烈的竞争关系。它们争夺信道和网络共享设备的使用权。局域网内对成员进行了冲突解决和有序控制来达到有效利用网络资源的目的。
(一)有序控制。有序控制使得成员间只存在合作关系,避免了冲突的发生。有序控制的实质是预防冲突的发生。常见的有序控制方式有:1. 轮询:控制程序会按照某种顺序依次询问系统成员对网络资源的需求,如果需要,则被询问的成员可以立刻使用;反之就询问下一成员。通常包括有限定式、穷尽式、门限式、混合式等服务方式。2.预约:需要使用网络资源的成员通过预约使用,然后按照一定的顺序使用。包括分布式预约和集中预约。3.令牌控制:通常应用在环形局域网中。令牌作为一个通行证在网内流动,有发送请求的成员通过捕捉闲令牌,把信息放在令牌后发送出去。主要包括单令牌与多令牌两种方式。4.时槽方式:信息的传输时间分为固定大小的几段在环网上传输,通常其中的一段叫做一个时槽,用户成员必须通过使用自己对应的时槽才能发送信息。主要包括固定式槽环和随机式槽环两种。5.其它方式,例如寄存器插入、信道复用等有序控制方式。
(二)冲突解决。一些局域网采取冲突解决方式而不采用有序控制,这样主要有以下四种:1. 后退:发生冲突后拒绝进行服务,使得所有待发信息全部后退1个时间,然后再来竞争,只有无冲突时的成员才能接受服务。2. 淘汰。通过网络仲裁机构来实现。仲裁机构从请求服务的用户成员中随机选取一次能够服务的数目,其余的成员要延迟到下次再请求服务。3. 限制:也就是冲突限制方式。通过限制请求服务中参加竞争的用户成员数量,每次让部分用户成员产生的信息参与竞争,这样使信息发生冲突的可能性变小。4. 排序:对发生冲突的用户进行排队
后,按照排好的顺序逐一接受服务。排队办法主要有先来先服务(FIFS),优先级服务等等。
三、路由器级或域间级的竞争问题
快速局域网传输的大量信息抵达信息速率较慢的局域网时,因为带宽限制形成瓶颈,从而产生竞争带宽引起的冲突。路由器级/域间级的冲突解决策略分两大类,一类为“预防机制”,另一类是“冲突解决”。“预防机制”是在冲突发生前通过一系列措施避免有可能发生的冲突。“冲突解决”则是在冲突发生后采取相应的措施来化解冲突,实现成员之间的合作。
(一)预防机制。预防冲突的TCP协议算法包括“拥塞避免”和“慢启动”。“慢启动”通过探测网络的带宽,使得用户节点适量的发送数据使得流量在可控制的范围,避免瞬间的大量数据引发的冲突。这里我们引入了所谓的“慢启动阈值”,慢启动阈值的意义在于,数据发送量低于阈值时,TCP选择慢启动算法,否则选择“拥塞避免”算法,使用户端的发送速率降低。降低冲突发生次数还可以采用提高路由器性能的方法。通过设置适当的缓存容量、提高运算速度以及采用路由器集群结构。路由器集群结构可将多个路由器用内连网络合并于一体,采用负载均衡技术,分解大量的输入端数据给多个路由器。当前Diffserv体系结构避免内部冲突的方法主要是在边界节点严格控制进入区域的数据流量。采用动态反馈机制:1.内部节点到边界点的反馈。内部节点捕获周边详情,并且通报边界节点,边界节点根据反馈信息调控进入区域内的总数据流量;2.边界节点到边界节点的动态反馈。区域的边界出口节点把数据传输速率反馈给边界入口节点,入口节点依据这个速率调控进入区域内的数据传输速率,最后达到入口速率等于出口速率,来避免区域内发生拥挤冲突。
(二)冲突解决。“丢弃”数据包是所有交换节点都支持的一项操作。当大量的数据包争夺有限的输入、输出缓存或输出带宽时,因为资源“供给”小于“需求”引起冲突,就需要丢弃一些数据包。然而到底丢弃哪些数据包、什么时间丢弃要根据不同的算法:1.DropTail(丢尾)算法。当缓存队列长度高于缓存大小时,丢弃队列尾部的数据包。2.RED(随机早期检测)算法。采用一定概率丢失或标记报文来通知端节点网络冲突的情况。3.基于RED算法的ARED算法。根据网络载荷的情况来调整maxp。当avg queue小于minth,就减小maxp;当avg queue大于maxth,就增大maxp。4.基于RED算法的SRED算法。采用预计网络中TCP连接的数量来调整报文的标记/丢失概率。5.基于RED算法的BLUE算法。采用链路空闲和缓冲溢出的状况来调整报文的标记/丢失概率。
四、结论
本文通过对计算机网络复杂系统的竞争特性进行深入的研究,得出以下结论:1.复杂的计算机网络系统竞争具有普遍性和客观性。系统内部竞争可以说是普遍存在,既然存在资源共享,就必然有竞争。竞争就是一把双刃剑:网络繁忙的冲突高峰期容易出现拥塞,我们要设法避免冲突发生;在冲突的低谷期的竞争能够提高网络资源利用率。所以我们要根据需求和竞争的特性来改进冲突的解决策略,在化解冲突的同时,实现成员间的有序合作。2.利用竞争的时间性提高系统效率。避开竞争-冲突高峰期,更有效地利用网络资源,避免拥塞发生。
参考文献:
[1]许国志,系统科学与工程研究[M].上海:上海科技技术出版社,2007.
[2]许晓鸣,复杂网络[M].上海:上海科技教育出版社,2008.
[关键词]网络系统复杂性竞争特性
中图分类号:TP3文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1120063-01
通过系统的本质角度来探讨计算机网络系统的复杂性,依据子系统组成、种类数量及其相互的关联关系的复杂程度,可以将系统分成两类:简单系统和类巨系统。因为系统数量组成比较少的简单系统很少,计算机网络大多数情况下表现出明显的复杂性。
一、计算机网络系统的复杂性问题
我们把因特网(Internet)、广域网(WAN)、局域网(LAN),城域网(WAN)等一些在计算机系统、通信系统的基础上延伸出来的计算机网络系统,称为“开放的复杂巨系统”。计算机网络系统的复杂性有:1. 开放系统。众所周知互联网是集共享性和开放性于一体的开放系统。互联网因为受到其他环境因素的渗透而减缓了其发展,但是互联网的发展在某种意义上也影响了外界环境。2. 成员群体数目巨大。计算机网络中的各种各样的用户与节点构建了复杂系统的成员总体。这些成员(Agent)主要包括用户终端、交换机、网关、路由器等各种终端设备以及中继设备,这些设备种类繁多、数量庞大。3. 成员间相互关联、作用。因为系统中成员与成员之间存在着某种不确定的关联和作用。但是网络协议庞杂的系统是缺乏集中的控制力的。
二、局域网内系统成员的竞争问题
局域网成员数量通常情况下多于网络共享设备、信道等资源的个数。在可以使用的资源数量不足,使得想要使用网络资源的成员过多的时候,相应的在这些成员与成员之间就会形成了激烈的竞争关系。它们争夺信道和网络共享设备的使用权。局域网内对成员进行了冲突解决和有序控制来达到有效利用网络资源的目的。
(一)有序控制。有序控制使得成员间只存在合作关系,避免了冲突的发生。有序控制的实质是预防冲突的发生。常见的有序控制方式有:1. 轮询:控制程序会按照某种顺序依次询问系统成员对网络资源的需求,如果需要,则被询问的成员可以立刻使用;反之就询问下一成员。通常包括有限定式、穷尽式、门限式、混合式等服务方式。2.预约:需要使用网络资源的成员通过预约使用,然后按照一定的顺序使用。包括分布式预约和集中预约。3.令牌控制:通常应用在环形局域网中。令牌作为一个通行证在网内流动,有发送请求的成员通过捕捉闲令牌,把信息放在令牌后发送出去。主要包括单令牌与多令牌两种方式。4.时槽方式:信息的传输时间分为固定大小的几段在环网上传输,通常其中的一段叫做一个时槽,用户成员必须通过使用自己对应的时槽才能发送信息。主要包括固定式槽环和随机式槽环两种。5.其它方式,例如寄存器插入、信道复用等有序控制方式。
(二)冲突解决。一些局域网采取冲突解决方式而不采用有序控制,这样主要有以下四种:1. 后退:发生冲突后拒绝进行服务,使得所有待发信息全部后退1个时间,然后再来竞争,只有无冲突时的成员才能接受服务。2. 淘汰。通过网络仲裁机构来实现。仲裁机构从请求服务的用户成员中随机选取一次能够服务的数目,其余的成员要延迟到下次再请求服务。3. 限制:也就是冲突限制方式。通过限制请求服务中参加竞争的用户成员数量,每次让部分用户成员产生的信息参与竞争,这样使信息发生冲突的可能性变小。4. 排序:对发生冲突的用户进行排队
后,按照排好的顺序逐一接受服务。排队办法主要有先来先服务(FIFS),优先级服务等等。
三、路由器级或域间级的竞争问题
快速局域网传输的大量信息抵达信息速率较慢的局域网时,因为带宽限制形成瓶颈,从而产生竞争带宽引起的冲突。路由器级/域间级的冲突解决策略分两大类,一类为“预防机制”,另一类是“冲突解决”。“预防机制”是在冲突发生前通过一系列措施避免有可能发生的冲突。“冲突解决”则是在冲突发生后采取相应的措施来化解冲突,实现成员之间的合作。
(一)预防机制。预防冲突的TCP协议算法包括“拥塞避免”和“慢启动”。“慢启动”通过探测网络的带宽,使得用户节点适量的发送数据使得流量在可控制的范围,避免瞬间的大量数据引发的冲突。这里我们引入了所谓的“慢启动阈值”,慢启动阈值的意义在于,数据发送量低于阈值时,TCP选择慢启动算法,否则选择“拥塞避免”算法,使用户端的发送速率降低。降低冲突发生次数还可以采用提高路由器性能的方法。通过设置适当的缓存容量、提高运算速度以及采用路由器集群结构。路由器集群结构可将多个路由器用内连网络合并于一体,采用负载均衡技术,分解大量的输入端数据给多个路由器。当前Diffserv体系结构避免内部冲突的方法主要是在边界节点严格控制进入区域的数据流量。采用动态反馈机制:1.内部节点到边界点的反馈。内部节点捕获周边详情,并且通报边界节点,边界节点根据反馈信息调控进入区域内的总数据流量;2.边界节点到边界节点的动态反馈。区域的边界出口节点把数据传输速率反馈给边界入口节点,入口节点依据这个速率调控进入区域内的数据传输速率,最后达到入口速率等于出口速率,来避免区域内发生拥挤冲突。
(二)冲突解决。“丢弃”数据包是所有交换节点都支持的一项操作。当大量的数据包争夺有限的输入、输出缓存或输出带宽时,因为资源“供给”小于“需求”引起冲突,就需要丢弃一些数据包。然而到底丢弃哪些数据包、什么时间丢弃要根据不同的算法:1.DropTail(丢尾)算法。当缓存队列长度高于缓存大小时,丢弃队列尾部的数据包。2.RED(随机早期检测)算法。采用一定概率丢失或标记报文来通知端节点网络冲突的情况。3.基于RED算法的ARED算法。根据网络载荷的情况来调整maxp。当avg queue小于minth,就减小maxp;当avg queue大于maxth,就增大maxp。4.基于RED算法的SRED算法。采用预计网络中TCP连接的数量来调整报文的标记/丢失概率。5.基于RED算法的BLUE算法。采用链路空闲和缓冲溢出的状况来调整报文的标记/丢失概率。
四、结论
本文通过对计算机网络复杂系统的竞争特性进行深入的研究,得出以下结论:1.复杂的计算机网络系统竞争具有普遍性和客观性。系统内部竞争可以说是普遍存在,既然存在资源共享,就必然有竞争。竞争就是一把双刃剑:网络繁忙的冲突高峰期容易出现拥塞,我们要设法避免冲突发生;在冲突的低谷期的竞争能够提高网络资源利用率。所以我们要根据需求和竞争的特性来改进冲突的解决策略,在化解冲突的同时,实现成员间的有序合作。2.利用竞争的时间性提高系统效率。避开竞争-冲突高峰期,更有效地利用网络资源,避免拥塞发生。
参考文献:
[1]许国志,系统科学与工程研究[M].上海:上海科技技术出版社,2007.
[2]许晓鸣,复杂网络[M].上海:上海科技教育出版社,2008.