自考計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)之阻塞控制

　　阻塞現(xiàn)象是指到達通信子網(wǎng)中某一部分的分組數(shù)量過多，使得該部分網(wǎng)絡(luò)來不及處理，以致引起這部分乃至整個網(wǎng)絡(luò)性能下降的現(xiàn)象，嚴重時甚至?xí)?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)陷入停頓，即出現(xiàn)死鎖現(xiàn)象。這種現(xiàn)象跟公路網(wǎng)中經(jīng)常所見的交通擁擠一樣，當節(jié)假日公路網(wǎng)中車輛大量增加時，各種走向的車流相互干擾，使每輛車到達目的地的時間都相對增加(即延遲增加)，甚至有時在某段公路上車輛因堵塞而無法開動(即發(fā)生局部死鎖)。

　　網(wǎng)絡(luò)的吞吐量與通信子網(wǎng)負荷(即通信子網(wǎng)中正在傳輸?shù)姆纸M數(shù))有著密切的關(guān)系。當通信子網(wǎng)負荷比較小時，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量(分組數(shù)/秒)隨網(wǎng)絡(luò)負荷(每個節(jié)點中分組的平均數(shù))的增加而線性增加。當網(wǎng)絡(luò)負荷增加到某一值后，若網(wǎng)絡(luò)吞吐量反而下降，則表征網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了阻塞現(xiàn)象。在一個出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象的網(wǎng)絡(luò)中，到達某個節(jié)點的分組將會遇到無緩沖區(qū)可用的情況，從而使這些分組不得不由前一節(jié)點重傳，或者需要由源節(jié)點或源端系統(tǒng)重傳。當阻塞比較嚴重時，通信子網(wǎng)中相當多的傳輸能力和節(jié)點緩沖器都用于這種無謂的重傳，從而使通信子網(wǎng)的有效吞吐量下降。由此引起惡性循環(huán)，使通信子網(wǎng)的局部甚至全部處于死鎖狀態(tài)，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)有效吞吐量接近為零。

　　1.阻塞控制方法轉(zhuǎn)自環(huán) 球 網(wǎng) 校edu24ol.com

　　(1)緩沖區(qū)預(yù)分配法。該法用于虛電路分組交換網(wǎng)中。在建立虛電路時，讓呼叫請求分組途經(jīng)的節(jié)點為虛電路預(yù)先分配一個或多個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。若某個節(jié)點緩沖器已被占滿，則呼叫請求分組另擇路由，或者返回一個“忙”信號給呼叫者。這樣，通過途經(jīng)的各節(jié)點為每條虛電路開設(shè)的永久性緩沖區(qū)(直到虛電路拆除)，就總能有空間來接納并轉(zhuǎn)送經(jīng)過的分組。此時的分組交換跟電路交換很相似。當節(jié)點收到一個分組并將它轉(zhuǎn)發(fā)出去之后，該節(jié)點向發(fā)送節(jié)點返回一個確認信息。該確認一方面表示接收節(jié)點已正確收到分組，另一方面告訴發(fā)送節(jié)點，該節(jié)點已空出緩沖區(qū)以備接收下一個分組。上面是“停一等”協(xié)議下的情況，若節(jié)點之間的協(xié)議允許多個未處理的分組存在，則為了完全消除阻塞的可能性，每個節(jié)點要為每條虛電路保留等價于窗口大小數(shù)量的緩沖區(qū)。這種方法不管有沒有通信量，都有可觀的資源(線路容量或存儲空間)被某個連接占有，因此網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用率不高。這種控制方法主要用于要求高帶寬和低延遲的場合，例如傳送數(shù)字化語音信息的虛電路。

　　(2)分組丟棄法。該法不必預(yù)先保留緩沖區(qū)，當緩沖區(qū)占滿時，將到來的分組丟棄。若通信子網(wǎng)提供的是數(shù)據(jù)報服務(wù)，則用分組丟棄法來防止阻塞發(fā)生不會引起大的影響。但若通信子網(wǎng)提供的是虛電路服務(wù)，則必須在某處保存被丟棄分組的備份，以便阻塞解決后能重新傳送。有兩種解決被丟棄分組重發(fā)的方法，一種是讓發(fā)送被丟棄分組的節(jié)點超時，并重新發(fā)送分組直至分組被收到;另一種是讓發(fā)送被丟棄分組的節(jié)點在嘗試一定次數(shù)后放棄發(fā)送，并迫使數(shù)據(jù)源節(jié)點超時而重新開始發(fā)送。但是不加分辨地隨意丟棄分組也不妥，因為一個包含確認信息的分組可以釋放節(jié)點的緩沖區(qū)，若因節(jié)點元空余緩沖區(qū)來接收含確認信息的分組，這便使節(jié)點緩沖區(qū)失去了一次釋放的機會。解決這個問題的方法可以為每條輸入鏈路永久地保留一塊緩沖區(qū)，以用于接納并檢測所有進入的分組，對于捎帶確認信息的分組，在利用了所捎帶的確認釋放緩沖區(qū)后，再將該分組丟棄或?qū)⒃撋訋У姆纸M保存在剛空出的緩沖區(qū)中。

　　(3)定額控制法。這種方法在通信子網(wǎng)中設(shè)置適當數(shù)量的稱做“許可證”的特殊信息，一部分許可證在通信子網(wǎng)開始工作前預(yù)先以某種策略分配給各個源節(jié)點，另一部分則在子網(wǎng)開始工作后在網(wǎng)中四處環(huán)游。當源節(jié)點要發(fā)送來自源端系統(tǒng)的分組時，它必須首先擁有許可證，并且每發(fā)送一個分組注銷一張許可證。目的節(jié)點方則每收到一個分組并將其遞交給目的端系統(tǒng)后，便生成一張許可證。這樣便可確保子網(wǎng)中分組數(shù)不會超過許可證的數(shù)量，從而防止了阻塞的發(fā)生。

　　2.死鎖及其防止阻塞的極端后果是死鎖。

　　死鎖是網(wǎng)絡(luò)中最容易發(fā)生的故障之一，即使在網(wǎng)絡(luò)負荷不很重時也會發(fā)生。死鎖發(fā)生時，一組節(jié)點由于沒有空閑緩沖區(qū)而元法接收和轉(zhuǎn)發(fā)分組，節(jié)點之間相互等待，既不能接收分組也不能轉(zhuǎn)發(fā)分組，并一直保持這一僵局，嚴重時甚至導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。此時，只能靠人工干預(yù)來重新啟動網(wǎng)絡(luò)，解除死鎖。但重新啟動后并未消除引起死鎖的隱患，所以可能再次發(fā)生死鎖。死鎖是由于控制技術(shù)方面的某些缺陷所引起的，起因通常難以捉摸、難以發(fā)現(xiàn)，即使發(fā)現(xiàn)，也常常不能立即修復(fù)。因此，在各層協(xié)議中都必須考慮如何避免死鎖的問題。

　　(1)存儲轉(zhuǎn)發(fā)死鎖及其防止。最常見的死鎖是發(fā)生在兩個節(jié)點之間的直接存儲轉(zhuǎn)發(fā)死鎖。例如，A節(jié)點的所有緩沖區(qū)裝滿了等待輸出到B節(jié)點的分組，而B節(jié)點的所有緩沖區(qū)也全部裝滿了等待輸出到A節(jié)點的分組;此時，A節(jié)點不能從B節(jié)點接收分組，B節(jié)點也不能從A節(jié)點接收分組，從而造成兩節(jié)點間的死鎖。這種情況也可能發(fā)生在一組節(jié)點之間，例如，A節(jié)點企圖向B節(jié)點發(fā)送分組、B節(jié)點企圖向C節(jié)點發(fā)送分組、而C節(jié)點又企圖向A節(jié)點發(fā)送分組，但此時每個節(jié)點都無空閑緩沖區(qū)用于接收分組，這種情形稱做間接存儲轉(zhuǎn)發(fā)死鎖。當一個節(jié)點處于死鎖狀態(tài)時，所有與之相連的鏈路將被完全阻塞。

　　一種防止存儲轉(zhuǎn)發(fā)死鎖的方法是，每個節(jié)點設(shè)置M+1個緩沖區(qū)，并以0到M編號。M為通信子網(wǎng)的直徑，即從任一源節(jié)點到任一目的節(jié)點間的最大鏈路段數(shù)。每個源節(jié)點僅當其0號緩沖區(qū)空時才能接收源端系統(tǒng)來的分組，而此分組僅能轉(zhuǎn)發(fā)給1號緩沖區(qū)空閑的相鄰節(jié)點，再由該節(jié)點將分組轉(zhuǎn)發(fā)給它的2號緩沖區(qū)空閑的相鄰節(jié)點……最后，該分組或者順利到達目的節(jié)點并被遞交給目的端系統(tǒng)，或者到了某個節(jié)點編號為M的緩沖區(qū)中再也轉(zhuǎn)發(fā)不下去，此時一定發(fā)生了循環(huán)，應(yīng)該將該分組丟棄。由于每個分組都是按照編號遞增規(guī)則分配緩沖區(qū)，所以節(jié)點之間不會相互等待空閑緩沖區(qū)而發(fā)生死鎖現(xiàn)象。這種方法的不足之處在于，當某節(jié)點雖然有空閑緩沖區(qū)，但正巧沒有所需要的特定編號的緩沖區(qū)時，分組仍要等待，從而造成了緩沖區(qū)和鏈路的浪費。

　　另一種防止存儲轉(zhuǎn)發(fā)死鎖的方法是，使每個分組上都攜帶一個全局性的惟一的“時間戳”，每個節(jié)點要為每條輸入鏈路保留一個特殊的接收緩沖區(qū)，而其它緩沖區(qū)均可用于存放中轉(zhuǎn)分組。在每條輸出鏈路的隊列上分組按時間戳順序排隊。例如，節(jié)點A要將分組送到節(jié)點B，若B節(jié)點沒有空閑緩沖區(qū)，但正巧有要送到A節(jié)點的分組，此時A、B節(jié)點可通過特殊的接收緩沖區(qū)交換分組;若B節(jié)點既沒有空閑緩沖區(qū)，也沒有要送往A節(jié)點的分組，B節(jié)點只好強行將一個出路方向大致與A節(jié)點方向相同的分組與A節(jié)點互相交換分組，但此時A節(jié)點中的分組必須比B節(jié)點中的分組具有更早的時間戳，這樣才能保證子網(wǎng)中某個最早的分組不受阻擋地轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。由此可見，每個分組最終總會成為最早的分組，并總能被一步一步地發(fā)送到目的節(jié)點，從而避免了死鎖現(xiàn)象的發(fā)生。

　　(2)重裝死鎖及其防止。死鎖中比較嚴重的情況是重裝死鎖。假設(shè)發(fā)給一個端系統(tǒng)的報文很長，被源節(jié)點拆成若干個分組發(fā)送，目的節(jié)點要將所有具有相同編號的分組重新裝配成報文遞交給目的端系統(tǒng)，若目的節(jié)點用于重裝報文的緩沖區(qū)空間有限，而且它無法知道正在接收的報文究竟被拆成多少個分組，此時，就可能發(fā)生嚴重的問題：為了接收更多的分組，該目的節(jié)點用完了它的緩沖空間，但它又不能將尚未拼裝完整的報文遞送給目的端系統(tǒng)，而鄰節(jié)點仍在不斷地向它傳送分組，但它卻無法接收。這樣，經(jīng)過多次嘗試后，鄰節(jié)點就會繞道從其它途徑再向該目的節(jié)點傳送分組，但該目的節(jié)點已被死鎖，其周邊區(qū)域也由此發(fā)生了阻塞。下面幾種方法可用以避免重裝死鎖的發(fā)生：

　?、僭试S目的節(jié)點將不完整的報文遞交給目的端系統(tǒng);

　?、谝粋€不能完整重裝的報文能被檢測出來，并要求發(fā)送該報文的源端系統(tǒng)重新傳送;

　　③為每個節(jié)點配備一個后備緩沖空間，用以暫存不完整的報文。

　?、?、②兩種方法不能很滿意地解決重裝死鎖，因為它們使端系統(tǒng)中的協(xié)議復(fù)雜化了。一般的設(shè)計中，網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)該對端系統(tǒng)透明，也即端系統(tǒng)不該考慮諸如報文拆、裝之類的事。③方法雖然不涉及端系統(tǒng)，但使每個節(jié)點增加了開銷。

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