专利名称：管理网络资源的方法和设备的制作方法
A．用于新一代高性能网络的快速电路交换DTM(动态同步传输模式)是基于能够进行资源动态再分配的加强型快速电路交换技术的宽带网络结构。它提供基于多点传送、多速率信道的具有短建立延时的业务，并支持对服务质量具有实时要求的应用及带有突发性异步业务的应用。本申请描述了DTM结构和其分布式资源管理模式。提供了从网络模拟中得到的性能分析结果。该分析是根据双总线和双总线网这两种网络拓扑结构的吞吐量和访问延时进行的。相对于均匀业务流量模式，研究了用户需求、节点间距离和传送长度诸因素变化的影响。研究结果表明即使对于短的传送，建立信道的额外开销也是低的(几百微秒)，而利用率是高的。分析还表明当非常频繁地建立信道时，信令容量限制了性能。1．介绍新一代网络将集成各类应用业务诸如传真、信函和文件传送之类的延时不敏感异步应用，和诸如声频和视频之类的带有实时要求的延时敏感应用。传统上，这些不同类型的应用由不同类型的网络拓扑结构来支持。采用分组交换和存储-转发技术的计算机网络(如因特网)支持异步通信。另一方面，电路交换，时分多路复用电话网支持实时通信。
电路交换网具有许多引入注目的特性。一个电路上的业务不受其他电路上业务的影响，在这个意义上来说电路彼此之间是孤立的。这样就有可能通过固定延时来保证传送质量，这适用于具有定时要求的应用。此外，在电路交换网中数据和控制是分离的。只在电路建立和拆除时才进行控制信息的处理，而在实际进行数据传送时，无需进行数据流、阻塞控制等处理。这就可以有效地进行大量数据传送[1]。我们认为在将来这点更为重要，因为光子学方面的发展极大降低了传输成本，从而使交换成为通信的主要瓶颈。
常规电路交换网的统计性能表明，它们不适用于某些类型的业务。通常，电路具有固定的容量、长的建立延时并且不能很好地支持多点传送。这些缺点使它难于有效地支持例如电路交换网中的计算机通信。这促进了寻找替代的解决方案，而占有主导地位的观点是，新一代电信网络应是基于ATM的信元交换网[2]。信元是小的、固定长度的分组，所以面向于分组交换[3]。这意味着分组交换的许多弱点也存在于信元交换网中，特别是在需要保证业务质量的领域。于是，需要诸如许可控制、业务量调节和链路上分组调度以及接收器方的再同步等附加机制来共同支持不同的业务类型[4]。关于分组交换网，特别是ATM，一个最值得关心的问题是它能否以有效的性能／价格比方式实现这些机制[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。
DTM(动态同步传输模式)是瑞典皇家技术研究所开发的宽带网络体系结构。该体系结构试图综合电路交换和分组交换的优点。该体系结构基于能够进行资源动态再分配的加强型快速电路交换技术，它支持多点传送信道并具有能够提供短访问延时的机制。DTM体系结构涉及各种媒体访问，包括一个同步机制，甚至于接收器方逻辑端口的路由选择和编址。DTM，支持各种类型的业务并且能够直接用于应用-应用的通信，或者作为诸如ATM或IP等其它协议的承载网络。一种基于622Mbps光纤的原型实现已经运作两年了，工作的进展情况是以4波长波分多路复用版本为代表。在[12]中公开了DTM的概况以及原型实现的详细说明。
用于电话系统的快速电路交换在80年代初就已出现[13]。快速电路交换电话网试图只在一组网络用户积极发送信息时才将给定数据速率的传输路径分配给他们。这意味着为每次信息突发建立一电路[14]，[15]。当检测寂静时，迅速将传输容量重新分配给其他用户。在TASI-E[13]使用的格式中，已为欧洲和美国之间的洲际通信配置了快速电路交换。成组交换(burst switching)是快速电路交换的另一种形式，其中在固定比特率的时分信道上发送脉冲串(由头、任意数量的数据和结束符组成)，于是与其它脉冲串交错[16]。这使成组交换不同于快速分组交换，在快速分组交换中以全链路带宽每次发送一个分组。此外，与分组不同，在发送之前无法确定脉冲串的长度。
业已表明与通信信道的建立和拆除有关的信令延时是影响快速电路交换效率的主要因素[14]。于是，使DTM在几百微秒内快速建立信道。DTM不同于成组交换，在DTM中控制和数据是分开的，DTM使用多点传送、多速率、高容量信道支持各种不同的业务类型。这意味着例如DTM可以增加或减少为一现存信道分配的资源。即使DTM网络具有为每一消息建立一信道的能力，我们也不认为这种方法适用于所有业务类型。而至多是让用户确定是否为每一信息突发建立一信道或即使在空闲间也保持建立的信道。
本发明的目的在于通过研究DTM中快速电路交换的性能，重点是动态资源管理模式，从而证明DTM能够支持由短的频繁传送组成的业务。本文按如下方式组织部分2给出有关DTM的介绍，描述了信道概念和资源管理模式，并讨论如何解决传统电路交换的一些问题。部分3报告和讨论了单跳和多跳连接等各种配置下的模拟结果。最后，在部分4中给出结论。2．DTM-动态同步传输模式DTM用于多址的单向介质，即具有可由所有连接节点共享容量的介质。它可以建立在各种不同的拓扑结构上，如环、折叠式总线或双总线。由于双总线与折叠式总线相比具有较短的平均节点间距离，所以我们选择了双总线，并且我们发现DTM的同步模式在双总线上比在环上更容易实现。
提供的业务是基于信道的。信道是具有一个发送方和任意多个接收方的时隙集；保证数据以该信道容量所确定的速率到达接收方。通过时分多路复用(TDM)模式实现建立在物理上共享介质上的信道(如
图1所示)。总容量划分成若干个125微秒的周期，而每个周期又进一步划分成若干个64位的时隙。
时隙分为数据时隙和控制时隙。每个节点访问至少一个控制时隙，该控制时隙用于向其他节点发送控制信息。响应来自其他节点的控制消息或为了管理而自发地，在接收到用户的请求时，发送控制消息。控制时隙占总容量的极小一部分，大部分时隙是承载的数据时隙。在系统启动时，根据一些预定的分配原则，将数据时隙分配给节点。这意味着每个节点“拥有”一部分数据时隙。节点需要拥有时隙，以利用它发送数据，并且在网络运行期间可在各节点之间动态地改变这种时隙拥有关系。2．1时隙分配DTM使用分布式算法进行时隙的再分配，其中在各节点中分配自由时隙池。使用分布式方案代替集中式时隙池方案有以下两个主要原因。首先，当节点只使用来自本地时隙池的时隙建立信道时，信道建立中的额外开销就很低。其次，分布式算法不依赖于单个节点，所以对节点故障有一定的容错能力。分布式实现的主要缺点是节点间的通信和同步带来的额外开销。
当接收到用户请求时，节点首先检查其本地时隙池，是否有足够的时隙满足该请求，如果满足，立即向下一跳线发送信道建立消息。否则，该节点首先必须向总线上的其他节点请求更多的时隙。每个节点维护一个包含有关于其他节点的自由时隙的信息的状态表，当需要更多的时隙时，该节点参考其状态表确定向哪个节点请求时隙。每个节点定期地发送带有其本地时隙池信息的状态消息。状态消息的优先级低于其他控制消息的优先级，这样只在控制时隙没有被占用时，才发送状态消息。此外，再分配算法不依赖节点处理所有状态消息，所以节点在忙时可以安全地忽略状态信息。
时隙再分配的过程很简单，工作过程如下如果用户请求M个时隙的信道，而节点只有N个自由时隙，节点就发送索要时隙请求。该节点首先向具有自由时隙的最近节点发送请求。如果根据状态表判断此节点没有足够多的自由时隙，则还向具有自由时隙的第二最近节点发送请求，如此处理。该节点等待，直到已接收到每个请求的应答，然后根据再分配过程的结论授权或拒绝该信道请求。
一个具有J个自由时隙而接收到索要K个时隙的时隙再分配请求的节点总是分送min(J，K)个时隙。该节点通过发送一个时隙再分配确认来作出响应，表示分送什么时隙。如果被请求的节点没有任何自由时隙，则通过一时隙再分配抱绝来应答。除了该算法，资源可由网络管理系统来控制。例如，为了防止网络饥饿，可将节点配置成不分送其所有时隙，而保持一定部分的初始共享。2．2交换DTM网可通过互连一些总线和交换节点而得到扩展(如图2所示)。在DTM中，任何与两条或更多总线相连的节点都可以在它们之间交换数据，从这种意义上讲，DTM使用的是分散式交换。这样做的优点是，通过增加更多的交换节点而使交换能力大大加强了。交换是同步的，这意味着交换延时对一信道来说是恒定的。这表明多跳信道具有和单个总线上信道大致相同的特性。而区别仅在于交换信道具有略长的延时(每个跳线至多125微秒)。如果一交换节点能为其每条总线缓存一个数据周期，则在该节点上不可能有任何阻塞或溢出。
在每个周期上进行总线间的同步。在所有总线上以相同的频率启动基准周期。这可以通过让一网络节点负责在其所有外出总线上周期地产生周期来实现。对于每个新的周期，该节点产生一个转发给网络中所有总线的周期-启动标志。每一总线都有一负责在总线上转发该标志的交换节点。这些交换节点必须组织起来以使标志到达每一总线正好一次。当标志到达总线时，在该总线上重新启动该周期。有关同步方案的更详细情况读者可参见[12]。
周期时间和时隙的长度两者对于所有总线都可以是恒定的，这意味着同步模式允许不同总线以不同的比特率运行。这样就有可能在网络中升级或重新配置各个总线而不影响网络的其它部分。2．3DTM信道在DTM中抽象出来的信道不同于一般电路，这样的信道具有以下特点。
·简单信道由发送方到接收方建立。双工连接由两信道组成，一个方向上一信道。
·多速率信道可由任意个数据时隙组成，这意味着信道容量可以是512Kbps的倍数，至多是总线的整个数据容量。
·多点传送一个信道可以具有几个接收方。
一节点可以通过为一信道分配一组数据时隙并发送一信道建立控制消息来建立一信道。该控制消息可以或者发给一单个节点或发给一多点传送组，并宣布信道已建立和其使用的时隙。
为建立一信道，必须在发送方和沿该信道路由的每一交换节点上分配时隙。于是，交换节点以发送方的名义为一信道分配时隙。该交换节点然后通过将该信道的时隙从入内总线复制到外出总线来对该信道进行交换。如果任何有关的交换节点不能分配所需数量的时隙，则建立多跳信道的努力宣告失败。在这种情况下，必须尝试其他路由。在一网格结构中，在每对节点间正常情况下都有几个路由。该协议的当前版本使用源路由[17]和基于网格中坐标(X，Y)的寻址模式。一种用于两跳线的简单负载平衡模式是通过让每个交换节点使用状态消息发送关于其外出总线上自由时隙数量的信息来实现的。例如，在图2所示的节点1和节点4之间存在两条可能的路径，所以如果节点1想建立与节点4的连接，它可以在使用交换节点2和交换节点3之间作出选择。节点1接收来自节点2和3的状态信息，并根据该信息作出其路由决定。该算法对于紧凑网格网很适用，大多数路由只使用两次跳跃，但对于任意拓扑结构的网络则更需要一般的路由选择算法。2．3．1多点传送信道传统电路是发送方和接收方之间点一点的连接。DTM使用本质上支持多点传播的共享介质，因为时隙可被总线上多个节点读。可以很容易地将多点传送信道扩展为跨越几个跳线，由于交换操作实际上是多点传送操作，在这种意义上来说，它将数据复制到另一总线上(见图3)。3网络性能在这部分中我们研究在各种业务状态下的吞吐量和延时。我们已对两种不同的网络结构进行模拟·带100个节点的双总线·带20×20个节点的全连双总线网络。
在模拟模型中，节点接收来自业务发生器的传送请求和来自其它网络节点的控制消息。将这些事件放入节点的输入队列中，并且节点每次处理一个事件。处理一个事件的时间是5微秒。由泊松过程产生传送请求，并且均匀地分布源和目的地址。对于每个传送请求，节点都试图分配时隙，如果成功，则建立信道、发送数据并拆除此信道。这意味着只要传送完成就释放时隙。
该模拟对不同传送长度(1-256千字节)、不同类型用户需求和不同节点间距离(0．01至10千米)进行。链路比特率为4．8Gbps，这给出75MHz的时隙速率和9600个时隙的周期大小。每个传送请求每个周期40个时隙。这相当于20．48Mbps的信道，这意味着例如16千字节的传送需6毫秒。
我们通过将总的传送的用户数据量除以模拟时间得到吞吐量，并相对一根双总线的容量(9．6Gbps)标准化该值。有可能得到的最大吞吐量总是小于链路容量，因为一些容量被用于控制消息。在单个双总线模拟中，对于100个节点，每个节点的控制容量是5个控制时隙，这相当于5％的额外开销。则最大可能吞吐量为0．95。
网格比单个双总线具有的节点多，但每根总线的节点少(是20是不是100个)。由于业务负载是在其各节点上分布的(这意味着给定总线负载)，则网格将具有更多出入每个节点的业务量。于是网格中的节点需要更多的控制时隙。此外，一节点具有有限的容量来处理控制消息，我们发现对于5微秒的事件处理时间，可以通过使用每个节点10个以上的控制时隙来略微改进其性能。于是在网络中，我们为每个节点使用10个控制时隙，这有可能得到最大的吞吐量0．98。
访问延时是从请求到达该节点直到开始数据传送之间的平均时间。这是信道建立时额外开销的一种测量，它包括分配时隙所花时间、向接收方发送信道建立消息所花时间以及发送第一数据时隙所花时间。在多跳方式中，发送方在开始发送数据之前，等待来自接收方有关在双方总线上已建立信道的证实。对于单跳跃方式，发送方单独建立至接收方的信道，所以只要已经分配时隙，就能开始发送数据。3．1一根双总线模拟的第一部分涉及一根双总线的性能。这些模拟的目的主要是研究用于不同用户需求的时隙分配方案。由于在不同总线上时隙分配是独立的操作，所以这些结论也适用于多跳方式。3．1．1不能重试的严格的容量要求图4示出了基本模拟结果，其中一个节点至多进行一次为信道分配所请求的容量的尝试，并且如果不能分配全部所请求的容量则拒绝该请求。对1至256千字节之间的传送长度进行模拟。在高负载情况下对最小传送(图4中1和2千字节)不进行模拟，由于模拟器的事件队列变得太大，表明控制容量已被用尽。
在低负载情况下，大多数传送请求被立即接受，于是吞吐量随负载线性增大。在较高负载情况下，时隙再分配变得频繁，一些传送请求被拒绝，而吞吐量只随负载在一定程度上增加。如果负载变得更高，则信令容量被耗尽，并且吞吐量不再增加(或下降，如图4用于1千字节传送的情况)。在给定负载的情况下，较小的传送比较大的传送需要更频繁的控制信令，于是较小传送时的吞吐量低于较大传送时的吞吐量(对于1千字节的传送至多可达到0．47，与256千字节传送的85％相比，只是最大可能吞吐量的50％)。吞吐量也受严格用户行为的限制，这类用户要求在一次尝试中分配全部所请求的容量。以下报告的模拟情况表明可以通过放松这种要求来增大吞吐量。
在低负载情况下，访问延时主要包括为一节点处理传送请求、等待第一个可用控制时隙(用于信道建立消息)和第一数据时隙的时间(平均来说总共为80微秒)。当负载增大时，节点必须向其它节点请求时隙，从而引入更多的延时。3．1．2可重试的严格容量需求通过允许一节点重试来增大吞吐量，即为信道进行多于一次的分配时隙的尝试。图5示出了对于允许的不同最大尝试次数值的吞吐量和访问延时。当允许节点重试时，能够建立更多的信道并且吞吐量也增大(至多达到最大可能吞吐量的92％)，但是以较长的访问延时和较多的信令为代价。于是重试最适用于那些有严格带宽要求，但容许一些访问延时的应用。然而，如果大量请求被持久重试(如在超载的情形)，性能将下降。图5示出在负载高、节点允许重试20次时性能降低的情况，它表明信令容量不足以允许重试20次。3．1．3灵活的容量需求对容量需求不太紧迫的应用可接受比所需求容量小的信道。这样就可以通过单一时隙再分配尝试建立更多的信道。图6示出了以下三种情形的吞吐量和延时用户对任意大小的容量都满意(最小1个时隙)；要求最少是所索要的容量的一半(20个时隙)；需全部容量(40个时隙)。当用户的需求降低时，吞吐量增大。当用户仅需1个时隙时，达到的吞吐量是最大可能吞吐量的94％。然而在所有这三种情况下，时隙再分配过程是相同的，这说明了为什么在这三种情形下访问延时基本上相同。3．1．4作为距离的函数的性能当节点间距增大时，交换时隙再分配的控制消息所花时间将增大。这可以从图7中看出，它表明对于不同总线长度的吞吐量和访问延时(不允许重试的严格的容量要求，即与图4相同的时隙分配原则)。当总线变长时，访问延时大大增加了。然而，这主要影响信道的建立，于是吞吐量相对来说与距离无关。增长总线的另一影响是，传播状态信息要花更长的时间，这增加了时隙再分配失败的可能性。这将主要影响吞吐量，但模拟结果表明只有很小的影响。3．2网格网图8示出了对于多跳信道模拟的结果。该网络是20×20个节点的完全网格连接网。信道至多使用两跳线，并且根据状态消息的信息来确定路由。时隙分配原则与图4中相同，即不允许重试的严格的容量需求。
当源-目的对均匀分布时，可达到完全连接网格的理论最大吞吐量，其中n为总线的数目。当有2．1％的信令额外开销时，20×20的网格具有最大可能吞吐量，近似为20．6。图8示出了进行256千字节传送时最大吞吐量为可能最大值的97．5％，与进行16千字节传送时最大吞吐量为95．1％的对比情况。这明显高于一个双总线的情况(图4)，我们对其的解释是，在网格中每根总线上节点少，这表明自由时隙池不太分散，于是时隙再分配成功的可能性较高。
多跳信道的访问延时将高于单跳情况，因为必须在两条总线上分配时隙。对于256千字节传送，多跳情况下的访问延时大约比单跳情况下的访问延时长50％。可以预料网格情况下的访问延时将比这还长。为什么不是这样主要有两个原因。首先，在两跳线上建立信道存在一定量的二重性。其次，控制时隙之间的间隔比网格中的要短，所以节点花费在等待控制时隙上的时间要少。然而，对于16千字节传送，作为较高负载，延时大大增加了，这表明信令容量不足。4结论和将来的工作动态同步传输模式(DTM)是综合业务的网格体系结构。它基于快速电路交换，并提供具有短的建立时间的多速率、多点传送信道。信道能够提供保证的容量和恒定的延时，这使其适用于诸如声频和视频等实时业务。与传统的电路交换网不同，DTM还提供节点间资源的动态再分配，以支持动态变化的业务量。
我们已报告了对于各种配置进行计算机模拟而得出的性能分析。该分析的焦点是类似于分组的业务模式，因为考虑到这种业务类型对于基于电路交换的网络最赋有挑战性。其意图是研究在频繁建立和释放信道的情况下，如何影响网络的利用和访问延时。我们使用20Mbps的信道，其中对于每次传送建立一信道，传送大小在1至256千字节之间变化。分析对两种拓扑结构进行、双总线和双总线的网格。协议要求保留总容量的一定部分以用于控制信息对于双总线我们使用5％，对于网格我们使用2％。
结果表明，当业务包含短的频繁传送(几千字节)时，性能取决于可用的信令容量。对于双总线，即使网络装载仅几千字节长的传送时，也可以获得良好的结果，而网格对于16千字节的传送就表现出饱和。总之，本文表明使用短时连接的用于DTM的快速电路交换即使对于分组业务也显示出良好的性能。这样，结合其本身对实时业务的支持，就可以使快速电路交换成为B-ISDN和其它网络的一种令人注目的替代。
对于进一步工作，性能结果建议为了在DTM上发送分组，需要寻找一种在信道上多路复用所述分组的方案，它将分组集合成较大单元。假设，计算机产生符合应变模型[18]-分组成组的业务，其中在一组中的许多分组具有相同的目的地-类似于早期快速电路交换网络的方案似乎更合适[13]，[15]。在这种方案中，当发送方空闲超过一定时期就关闭信道释放资源。然而这是需要进一步研究的领域。性能结论是令人振奋的，我们将进一步探索诸如突发源和非对称发送方-接收方分布等非均匀业务模型的影响。此外，我们将研究诸如快速产生信道和在模拟器中时隙再使用的机制[19]、[20]、[21]。B在DTM网中时隙管理的性能分析本文给出基于快速电路交换的新一代高速网络体系结构-动态同步传输模式(DTM)网的性能结论和分析。性能分析考虑利用、延时和阻塞。该分析偏向于分组交换，认为分组交换是基于电路交换的网络上最难于提供的业务。
资源管理使用令牌以确保时隙的无冲突访问。DTM模型包括二种不同的令牌管理方案。第一种是基于管理所有自由令牌的中央令牌管理器的非对称方案。第二种是基于所有节点都共享令牌池的分布式令牌管理器的对称方案。在分布式方案中令牌按再分配协议来传递。认识到对于分布式方案存在令牌碎片问题，提供基于碎片合并机理的解决方案。两种模型都支持时隙再使用和快速建立连接方案。
用于模拟的业务发生器，产生到达间隔呈指数分布的突发到达的业务或类似非对称客户机-服务器的业务。结果表明即使对于每个单独分组都要建立线路，建立连接的额外开销也足够低、利用率高并且再分配协议工作状况良好。当使用时隙再使用方案时，利用率增加一倍，并且其它性能也改善了。最终，结果表明如果平均分组长度小，信令容量是获得高性能的最重要限制因素。1．介绍通信业和研究单位一直致力于开发新的高容量通信网络和协议。这样的发展变化频繁，对于想把声频、视频和异步通信业务集成于应用之中的应用开发者来说新的研究结果是非常重要的。这些应用可呈现于广范围的网络访问终端上。终端作为网络主机可以是任何电子设备，包括小型手提电话或电视机，多媒体工作站以及百万元的巨型计算机。主机就其处理能力和它们的通信业务要求来说可以相差几个数量级。这些完全不同的要求当前反映在一组独立的网络分类中。每一网络类别对于其特定的业务和应用是最优的有线电视网使用单向广播网，其中容量被划分成承载视频的固定尺寸的子信道。电话网使用具有保证的吞吐量和略加控制的延时变化的仅为64Kbit／s双工电路。如Internet等的计算机网络利用非连接分组交换允许大量并行的网络会话。它们还使用统计学复用技术来有效地利用链路。用于移动系统的基干网需要额外的控制(或信令)容量以动态跟踪所有活动终端。
对于当今的这种广范围的应用和将来不断加强的趋势，持续开发新的适用于每种新业务的全球网络和终端接口是不切和实际的。替代的，需要开发一种支持当前的和新业务的综合业务网。这种网络的总体目标对于全局大小和为使成本最低而使昂贵的网络元件最大程度共享来说是可标定的。光传播技术已表明可以按较低的价格提供所必须的链路容量以使综合业务网成为现实的解决方案。
然而，具有非常高的容量的新一代综合光学网络将会带来在今天的专用化、低性能网络中未出现的问题。首先，当网络容量增大并且受光速限制留有信息传播等待时间时，这种增大的带宽延时产物将对把用户的业务从第三方网络业务中独立出来的机制提出更高的要求。例如，一个电话会话不应受到其它打开高容量视频信道的用户的影响。其次，为了从增大的网络容量中获益，需要应用和协议能在增大转发信息量的情况下可靠地工作。这样导致在网络中增大分组和每次的交易量。
当前使用诸如互联网协议(IP)[rfc791，come91Internetworking1]等无状态分组交换协议的网络的规模已非常可观。它们是从70年代中期仅连接少数DARPA用于研究的计算机而成的小网络演变而成，发展成为当前全球的随处可见的因特网[rfc1118]。诸如CSMA／CD、令牌环和FDDI等共享媒体局域网(见[stallings94data])被用于因特网作为由路由器和网桥连接的简单的积木。这些易于扩展、低的递增节点费用和对故障节点的容错能力等特征的组合产生了简单、灵活和健壮的网络。此外，共享媒体还允许有效地应用诸如IP多点传送之类的新的多点传送协议[rfe988]。
共享媒体的缺点是，通常在任何时候只允许一个终端进行发送，这样就无法有效地利用整个网络段。可以设计一种允许媒体的容量被再利用的方案[7、8、9、10、11]，但通常是以高速存取控制硬件的复杂性为代价的。用于共享资源的访问控制机制与网络的大小也密切相关，通常只对局部区域环境有效。
因特网示例的两种主要网络类型是用于电话的面向连接的电路交换网，和无连接的分组交换网。当将电路交换网用于数据通信时，需要在两次突发信息之间保持电路的连接，这样浪费网络容量。出现这种问题的原因是与用户要的动态变化相比电路管理操作慢。电路交换网中产生额外开销的另一原因是要求对称双工信道的限制，当信息流是单向时，它将引入100％的额外开销。这样的约束还使多点传送电路无效和难于实现。另一方面，无连接分组交换网缺乏资源保留机制并且在发送之前必须为每一消息加上头信息。此外，在无连接分组交换网中无法准确地预测等待时间，并且由于缓冲器溢出或讹误的信息头可能导致分组丢失。后两种因素使之难于支持实时业务。拥塞避免机制[12]能够将不同用户的业务流分离开来。然而，这些方案受限于比作往返分组延时的时间尺度上的操作。
为了解决上述问题，通信业集中开发异步传输模式(ATM)[13]已提议将ATM用于LAN和许多未来的公共网络。CCITT还建议把它用作宽带ISDN(B-ISDN)的传输标准[14]。ATM网是面向连接的，并建立和电路交换网中一样的信道，但使用称为信元的小的固定长度分组来传送信息。ATM的分组交换属性意味着网络需要诸如缓冲资源管理器和链路调度器之类的新机制以为连接提供实时保证。
我们通过电路交换网提供实时保证解决方案，于是我们必须解决上述电路交换的问题。我们还使用新的共享媒体控制协议，所以必须考虑共同的共享媒体问题。我们称作动态同步传输模式(DTM)的设计方案使用信道作为通信的抽象概念[15、16、17]。我们的信道不同于各种方式的电话电路。首先，建立延时很短足以使资源的动态分配／释放与用户需求变化一样快。第二，它们非常简单，这样当通信是单向时可以使额外开销最小化。第三，它们提供多种位速率以支持用户的容量需求上大的变化。最后，它们是多点传送的，允许任何数目的目的地。
DTM信道享有电路的许多优良特性。在信道建立之后，不进行控制信息的传送，结果对于大的数据传送可以产生非常高的网络资源利用率。支持实时业务是自然的，无需网络中的管辖、拥塞控制或流控制。控制信息与数据分开，这使多点传播减少复杂性。发送延时可以忽略(即小于125μs)，并且不存在象ATM中由于缓冲器溢出而引起的数据丢失的可能性。位误码率与基础链路技术有关，并且由于在信道建立时严格的资源留用，使交换变得简单、迅速。本文的主要目的是研究在传统电路交换网存在不足的方面DTM的性能动态带宽分配、信道建立延时和作为共享媒体网。提出和评估了用于资源管理的原则(称作令牌管理)。我们报告了将DTM用于类似于计算机通信中常见的相对短期传送(4-400千字节)的业务模式，而得到的模拟结果。业务具有突发到达间隔、面向客户机-服务器，并且到达间隔时间呈指数分布。
部分2描述了DTM协议和其信道概念。部分3描述了令牌协议。部分4讨论了模拟建立，部分5给出了对于各种配置的模拟结果。最后，在部分6得出结论，并设想进一步的工作。2DTM媒体访问控制协议DTM-MACDTM网的基本拓扑结构(见图9)是用两根单向光纤连接所有节点的总线。可以将具有不同速度的一些总线连在一起形成任意多级网络。在当前的原型实现中[15]，可以将总线组合成二维的网格[16]。在两总线连接处的节点能够在两根线间同步地交换数据时隙。这样通过节点可以以恒定的延时进行有效的交换。DTM中基本的通信抽象概念是单向、多速率和多点传送信道[18]。
DTM媒体访问协议是时分多路复用模式。将总线的带宽划分成125μs的周期(图10)，又将每一周期划分成64比特的时隙(或更短的时隙)。于是在一周期中时隙的数目取决于网络的比特率；例如，在-6．4Gbit／s网上，每个周期大约有12500个时隙。
时隙划分成两组控制时隙和数据时隙。控制时隙用于携带网络内部操作的消息，如用信道建立和带宽再分配的消息。数据时隙用于传送用户数据并且不用中间网络节点解释。中间节点是源和目的之间的节点。
在每一网络节点中都有一网络节点控制器，控制对数据时隙的访问并进行诸如网络启动错误恢复等网络管理操作。节点控制器的主要任务是根据用户的需要建立和拆除信道，并根据用户的请求及背景知识管理网络资源。
控制时隙对于节点控制器的消息来说是排它使用的。每个节点控制器在每一周期至少对一控制时隙具有写许可，节点控制器利用该时隙向下行节点广播控制消息。由于对控制时隙的写访问是排它的，所以节点控制器不管其它节点和网络负载，总是对其控制时隙有访问权。一个节点在网络操作中使用的控制时隙数是可以变化的。3令牌管理在一周期中大多数时隙是数据时隙。根据业务量需求，对数据时隙的访问是随时间变化的。对时隙的写访问受时隙令牌(或用于短传送的令牌)的控制。一个节点控制器假如拥有相应的令牌就可以把数据写入时隙。令牌协议确保时隙的访问是无冲突的，这意味着在同一时隙中至多一个节点写数据。
用于信道建立和带宽再分配的控制消息携带一组令牌作为参数。然而，控制消息只为64比特，于是仅能携带少量参数。这意味着，如果用户请求一较大的带宽传送，则需发送几个控制消息来产生信道。这引入了额外的访问延时，浪费了一些信令容量。
我们考虑一些减少在信道产生和令牌再分配期间需发送的信息量的措施。在令牌管理中第一优选方案是引入块令牌。在一单个控制消息中传送一个块令牌，一个块令牌代表一组令牌，但只能用于令牌的特定组合。例如，在本文描述的网络模拟中，一个块令牌由一时隙号和给出该组中相邻时隙数的偏移量表示。该块令牌优化方案假设不将令牌池分成小的碎片。在自由令牌池中小的令牌块数量可能是一问题，把它称作碎片。3．1时隙再利用令牌协议保证一个数据时隙在总线上不会被两个节点同时使用。有时该协议太过于保守。图11示出了如何为三个信道预订三个令牌(A、B和C)的例子。节点由总线段相连，信道通常使用总线段的一个子组(灰色)，除了剩下不用的，其余被预订(白色)，这样造成共享资源的浪费。较好的替代方案是让信道只保留发送方和接收方之间总线段上的容量，如图12所示的例子。在这种情况下，单个时隙在总线上可被多次使用。信道D和E与信道A和C除了在不同总线段上外，使用相同的时隙。这称作时隙再利用。时隙再利用允许在相同时隙中，在总线的不相连段上进行同时传送。
时隙再利用是一种更好地利用环形和总线网的共享资源的通用方法。时隙再利用算法可参见DQDB[11，7]，Simple[19]和CRMA[20]，它们与时隙中的控制消息有关。当与METARING[9]中所述的目的地释放结合，缓冲器介入网通过利用弹性缓冲器延时向内分组流可以再利用单个链路的容量并能够解决可能发生的冲突。
时隙再利用增加了访问模式的复杂性，不管它是象DQDB，Simple和CRMA等用硬件还是象DTM用软件来实现。除了DTM时隙再利用在其它系统的实现中都对通过节点的关键高速路径增加了复杂的硬件，于是增加了节点延时。为了在DTM中再利用时隙，将块令牌格式扩展为包括描述其代表的总线段的参数。还对令牌管理协议进行修改以避免时隙号方面的冲突以及分段方面的冲突。最重要的前提是相对于原始的原型实现没有硬件方面的变化。性能增益也非常明显在源和目的对均匀分布的双总线上，已经可以看出吞吐量增加了一倍[21]。在DTM中时隙再利用的缺点可能是算法具有较高的复杂性并且节点控制器和信令信道的负载可能很高(特别是如果平均信道保持时间短的话)。3．2集中令牌管理器提出两种令牌管理模式。第一种，也是最简单的是让一单个节点控制器管理光纤上的所有自由令牌。这类集中式服务器机制已在诸如CRMA[22]等系统中使用，前端节点向所有其它节点分送光纤容量。我们对模拟器进行配置，以使对于每根光纤来说，从时隙发生器起第三个节点是令牌服务器。这样令牌服务器在双方具有大约相同的业务量。
再当用户请求到达一节点，节点首先向管理器请求令牌，然后在整个信道存活期锁住它们，当用户发出拆除信道的请求时，立即将令牌返还给管理器。在令牌请求期间延时所有请求，并通过中央管理器将所有访问串行化。3．3分布式令牌管理器分布式令牌管理器比集中式令牌管理器更复杂。我们使其尽可能简单。在我们的方法中，每一节点定期广播有关其还具有多少自由令牌的状态信息。其它节点将该信息存储在它们的状态表中。想要更多容量的节点参考其状态表来决定从哪个节点索要时隙。当一用户请求到达一节点时，在启动方的协议工作如下1．如果该节点有足够多的自由令牌满足该请求，它就把所请求数量的时隙分配给用户，并通过向目的节点发送一信道建立消息来启动该信道，然后使用预订的时隙发送数据。
2．否则，节点将可用的令牌标成预订的，然后检查其状态表；如果在网络中自由令牌的总数不足以满足要求，就拒绝请求(阻塞)。否则，该节点向具有未用容量的节点请求令牌。
如果接收到令牌请求的节点之一不具有所请的那么多自由时隙，它将给予其所有的时隙。在任何情况下，它都向发出请求的节点送回一应答。节点按严格的FIFO顺序处理到来的请求。
当节点接收到对令牌请求的应答，它就把在应答中接收的时隙(如果有的话)标志为预订。当该节点已接收到对其已发送的全部请求的应答，它就或者启动信道，或者拒绝用户的请求，这取决于它是否已获得足够的容量。如果用户请求被拒绝，则将预订的时隙标为自由。
在启动时，将所有自由时隙分布在网络的节点中，并且每个节点至少占有一个自由令牌，将该令牌(或几个令牌)变成活动状态，并宣称它(它们)是控制时隙。现在就可以接收用户请求，并且令牌可以按需要在节点间传递。当本地节点具有足够的令牌满足到达的用户请求时，可以不用任何令牌再分配就接受该请求。
这种模式的缺点是时隙再分配只由用户请求触发，而用户请求由于未决的令牌再分配而延迟。我们实现的一个优化方案可以弥补这个缺点，它在后台进行时隙再分配。这导致对小到中等大小的请求无需再分配令牌。
代替均匀分布，可采用其它方式来分配自由令牌池以增加成功再分配和利用的速度。如果由较少的节点管理自由令牌池，由于减少了令牌被强迫再分配的可能性，则使信道阻塞降低。
在这种情况下，整个令牌池在所有节点中按比例分配(离时隙发生器近的节点比离时隙发生器远的节点具有较多的令牌)。代替总使用服务器节点，每对节点之间可发生节点转移。当本地节点包括足够多的令牌可以满足一到达的用户请求，则无需令牌再分配就可以接受此请求。此外，只要到达的用户请求与令牌分布匹配良好，则永远不必进行再分配。
在确定如何分布令牌池之前，需要解决一些问题，我们解决以下问题1．当节点的本地资源不能满足用户请求时，应向哪个节点索要更多的令牌 2．如果一个节点向其它几个节点索要令牌，则要多少，并且如果只接收到索要容量的一部分该节点拒绝此信道吗 3．如果令牌在节点间自由移动，令牌池是否被划分小的碎片，会使块令牌优化方案无用吗 3．3．1状态消息我们决定使用状态消息来发布有关自由令牌池的信息。当索要更多的资源时，使用状态消息信息来帮助节点选择合适的节点。该方法可以解上述第一个问题。
我们的方案工作情况如下。每个节点定期地广播有关它具有多少自由令牌的状态信息。其他节点把该信息存储在它们的状态表中。想要更大容量的节点参考其状态表决定向哪个节点索要时隙。广播的状态信息给出令牌信息的当前状态的近似情况所以令牌请求可能被拒绝，因为它们可能被发送给那些不再有能分送的令牌的节点。
状态表是“软”信息，在这种意义上讲，即使它们过时或不适用，系统也能工作。然而，它们将改进再分配过程的成功率。3．3．2避免不必要的拒绝当比较集中式和分布式(图17和图20)令牌管理的基本功能时，我们可以看出，当在系统中还有未用资源时，在分布式方式中频繁的用户请求，可能被以新的形式拒绝。
一个节点使用状态表挑选可向其请求令牌的节点。当请求到达目标节点时，可用容量可能已发生了变化，可能返回请求节点的比索要的少，于是用户遭到拒绝。
这样产生不必要的令牌传送并且浪费带宽资源，因为在令牌传送期间，时隙不能使用。当令牌更频繁移动时，状态消息机制工作的效率也很低。如果令牌池在大量(几百个)节点中按比例分布时，平均令牌池的大小将相对较小。当负载高时，在池中的自由令牌数目将进一步减少。如果节点还以很高的速度建立和拆除信道，则在各个节点中自由容量将在小容量和根本没有容量之间变化。如果现在用户请求的平均容量与节点的自由令牌数相比较大，则必须要求更多的节点来满足该请求。这时，被请求的节点没有自由容量的可能性将导致用户被拒绝。
不用回到集中式模式就可以有许多方式解决这一问题。首先，如果不能满足整个请求，我们就不必分送任何时隙。即使只向一个节点索要自由令牌，该协议也适用，但如果向许多节点索要，它将产生令牌的移动或者令牌被锁住不能使用。其次，如果在令牌请求之后我们接收到的比所请求的少，我们可以简单地再执行一次或多次令牌索要过程。这将提高用户请求被接受的可能性，并且接收到的令牌可被使用。重复检验的开销将增大信令和访问延时，并且可能破坏超载网络的性能。甚至用户的重复尝试导致增大已提交重复检验的请求的建立延时。第三，有时用户可能希望接受低于索要容量的信道而不是遭到拒绝。如果，例如用户接收到已请求的50％，他就愿意接受。图13示出了对于具有不同最低可接受容量[100％(40个时隙)、50％(20个时隙)、和5％(1个时隙)]的小(16K字节)用户请求的性能。在一较低平均水平，最低可接受带宽导致较高的利用率。图14中示出了在最终阻塞请求之前，如果用户最多重复尝试8次，产生的性能结果。利用率增高是以更多的信令、更长的延时为代价的。如果经常发生的话，重复检验许多次将抵消其所带来的好处。
总之，灵活用户请求政策的好处是降低拒绝的可能性并提高总的吞吐量。可在用户请求到达时确定使用图13和图14所披露的配置中的一种。对信道上容量有严格要求的用户可以请求重复检验，直到分配了足够的容量，但其他用户宁愿接受小于请求容量的信道。对于这里给出的模拟的其它情况，我们确定较低可接受带宽是所请求容量的50％。3．3．3碎片一般情况下，在一节点里连续的自由块的平均数目较小，这是由于令牌的随机运动和用户请求容量的变化引起。这种碎片实际上导致了块令牌优化方案毫无用途，并且对于高容量信道来说访问延时相对较长(毫秒)。为了使块分配更有效，有必要降低自由令牌碎片，否则的话，这种碎片将成为高带宽信道在中至高负载情况下影响访问延时的主要因素。低容量信道不管有多少碎片，总是具有较短的信道建立延时。在时隙再利用情况下，碎片问题更加严重，因为在时隙(时间)和段(空间)方面都可能产生碎片(见图12)。这是在集中式服务器模式下，一般的动态存储分配问题[23]的一个特定应用。在分布式令牌管理器中，大多数碎片是使用许多自由令牌池的结果(每一个节点一个令牌池)。如果发现两个相邻的自由令牌在同一节点中，将只能将它们合并。
我们实现了一种称为碎片合并方案的机制，以尽可能地避免碎片，并增加节点中自由令牌的平均块大小。该方案可与时隙再利用一起使用，也可单独使用。
我们的碎片合并方案工作情况如下1．在网络启动时为每一令牌确定一主节点并以这样的方式分配令牌，共享同一主节点的令牌总是定义了一个连续的时隙范围。这在如图12所示的令牌图中产生一较大的平均令牌区域。
2．当在自由池中存在两个具有相同时隙或段的时隙-接续令牌，则将它们合并成一单个令牌(有时需要递归的分割和合并操作)。在合并时，总是使段合并优先于时隙号合并。
这么做的原因是仅在较少几段上的令牌对于其它节点来说比跨越许多的段上的令牌用途小。
3．当一节接接收到本地用户或远程用户的令牌请求时，使用时隙数和段数方面的最佳适合算法从令牌池中挑选令牌(见图12)。令牌的值计算为令牌图中令牌的面积，并且我们试图挑选满足所要求容量的最小面积的令牌。
4．当一节点需要向其它节点索要令牌时，如果从少数几个节点就可能索要较大的块，就不向一些节点索要较少的块。状态表提供了这种信息。于是令牌传送更有效，并且有较少的建立消息和较少的碎片。
5．当自由令牌具有较长时间的空闲或较长的传送之后，就将它们送回主节点。
该方案将令牌返还给主节点可以增加自由列表中两相继令牌被合并的可能性。如果主节点“引力”太强，该方案将导致资源共享率降低以及不必要的信令。如果它太弱，碎片还仍是一个问题。
为了评价碎片合并机制，我们进行了另一组模拟。我们设计了三种不同的模拟器[A、B、C]。模拟器A在模拟开始时不具有任何碎片，并且使上如上所述的碎片合并计划，B在模拟开始时具有完整资源池的最大碎片。所有令牌仅有一时隙，并在合并碎片机制工作之前没有连接主节点的令牌。最后，模拟器C启动，不使用碎片合并机制，并且具有内含最大碎片的资源池。在所有情形下，都进行时隙再利用，并且将负载定为80％。
在图15中对于10km的一网络，描述了作为模拟时间函数的访问延时。模拟器C启动时具有较长的访问延时，并且当信号信道超载和消息队列增大时，延时也增加。模拟B采用碎片合并机制，并且在启动时情况和C一样坏，但在10ms之后，平均访问延时降至500ms以下。稍后，当模拟时间过去1秒，在最接近A处连起B曲线，即，如果模拟器开始时不带任何碎片，它收敛。收敛速度取决于网络中自由容量的数量和以后的负载。在这些模拟中负载为80％。很明显碎片合并机制改进了访问延时并使块令牌优化方案在分布式实现中也有重大意义。3．4DTM性能在本文中我们主要对两类性能度量感兴趣。利用和访问延时。利用是正常网络容量的一部分，它实际用于数据传送，是网络效率的一种度量。访问延时是从用户请求到达至第一次发送该请求的数据止的时间，我们认为这是评价计算机通信业务得到支持的重要度量。
有两个主要因素影响DTM中的利用。首先以控制时隙的形式为每一节点指定信令容量，这意味着在具有很多节点、给定固定链路容量的总线上用于数据传送的时隙少了。其次，由于尽管在两节点间进行时隙令牌再分配时，相应的时隙不能用于数据传送，所以令牌再分配带来额外的开销。
访问延时主要和控制时隙上的负载以及建立信道需要发送多少控制消息有关。访问延时通常是几种延时的累加(典型值)节点控制器处理延时[5μs]，寻找和分配自由令牌的延时[100μs]，等待传递第一可用控制时隙[50μs]，以及可以承载用户数据的第一个所分配的数据时隙[62．5μs]。此外，输入到节点控制器的消息在队列中被延时，等待处理。在5．2中提出的模拟中，平均延时至多为几百微秒。4．网络模拟在模拟模型中，每次传送量以信息的新“分组”的到达来开始的。节点控制器试图为传送分配资源、发送分组和最终释放信道。这是实际系统的机制的简单化，其中信道建立、数据传送和信道拆除都是由用户启动的独立操作。例如，知道将发生传送的用户可能通过事先请求信道来“隐藏”信道建立延时，这样当传送开始时，已建立了信道。在建立和拆除信道之间的时间里，信道的容量完全为用户保留。信道的最直通使用是为了单一传送，如文件传送或视频发送。
根据应用的特点，可以优化信道的使用。例如，可将信道用于传送诸如ATM信元和IP分组之类的高层消息序列。如果它是多点传送信道，可将不同目的地的消息多路复用在其上。这意味着，在多点传送信道上每个消息都到达每一接收者，并且接收者必须能够过滤消息。另一解决方案是，为每一消息产生和拆除信道，但是保留消息间的令牌，这样这些令牌可随时用于队列中的下一消息。我们没有把这类用户行为加到该模拟中，因为它们只是对特定应用才是最佳化。相反，我们集中研究在没有用户层优化的情况下网络是如何工作的。
发送方只要分配到资源就可以发送数据，即使此时接收方还没接收到信道建立消息。这称作快速信道建立[24]。接收方最终以控制消息作为应答，接受或拒绝该信道。
用户的请求带有以下参数·分组大小，它是在信道建立和信道释放期间传送的用户数据量。我们模拟的分组大小从几千字节至几兆字节。
·请求的信道容量，它是节点试图分配的时隙数。在本文的所有模拟中，所请求的信道容量固定为40个时隙或20．48Mbit／s。
·最小可接受容量。如果一个节点不能分配这个数目的时隙，它就阻塞该请求。正常情况下将其设置成40或20个时隙(所请求容量的100％或50％)。
·源地址·目的地址源地址和目的地址是随机产生的(所有节点具有相同的概率)，并且用户到达之间的时间是呈指数分布的。该模拟研究了利用、信道建立延时和阻塞方面的信令容量和时隙再分配额外开销的影响。我们模拟了带有下述特征的拓扑结构·具有100个节点的双总线。即使理论上可能将更多的节点连至总线，我们认为管理总线上连的节点超过100个的网络是不太可能的。当连接100个节点，容量共享就足以验证令牌管理协议。
·每根总线的容量是6．4Gbit／s。我们认为这样的容量在一两年之间是切合实际的；2．4Gbit／s光纤链路可适用几年，10Gbit／s的链路已见报导，不久将进入市场。6．4Gbit／s相应于100MHz时隙率，这是时隙处理MAC硬件工作的速率。100MHz可用当前的CMOS技术实现。
·总的信令容量对于所有节点都是一样的，但时隙在两个光纤方向按比例分割，这取决于节点在总线上位于哪。离时隙发生器越近的节点，需要的控制容量越多。然而，在两条总线上控制容量的累积对于所有节点来说是相同的。在带有两个令牌服务器的网络中，服务器比其他节点具有更多的控制容量和更高的处理能力。
·总线的长度是10km，这给出一足够大的网络，传播延时的影响可以忽略不计。我们进一步研究图19和图21所示模拟中传播延时的影响，它们使用的总线长度为1km、10km、100km和1000km。
·模拟两种不同的令牌管理模式一光纤上所有令牌由单一令牌服务器管理的非对称模式和每一节点控制器管理全局令牌池的一小部分的对称模式。5性能5．1理想协议当分析DTM双总线网络的性能时，必须解决最大理论性能这个问题，并将其与模拟的性能相比照。在本文中我们还使用最大理论性能比较我们估测的不同模式和实施方案。
不进行时隙再利用的双总线系统的最大吞吐量可定义为链路容量的两倍，假定两根光纤都接收相同的业务量。在可进行时隙再利用的系统中，系统的吞吐量还和源目的分布有关。为了获得双总线的这种吞吐量，我们使用源和目的地址是均匀分布的Monte Carlo(蒙特-卡罗)模拟(参见图16左边的图)。在图16右边的图中，包括DTM网络的性能。DTM网络使用集中式令牌管理器，并且用户每次请求传送4千字节的信息。在该系统中，信令容量不是瓶颈并且发现利用率更接近于理想情况。象这种情况的实际业务行为是块数据传送和音频／视频流。它们之间小的差别是由于首先，在DTM中一些容量被用于控制时隙，这样降低了数据传送可用的时隙数。其次，用于DTM模拟的随机发生器在上行和下行方向上不能产生完全相同的业务量，并且当一个方向容量可利用时，而在另一方向上有可能产生阻塞。第三，在信道建立期间，可能将资源临时锁住，这样浪费了一些容量。5．2中央令牌管理器在采用中央令牌管理器的情况下，两个管理节点比其它节点所需的信令容量要多(我们为服务器节点分配的控制时隙是其它节点的8倍)。
在图17中给出第一组模拟结果。用户要求20Mbit／s信道，到达之间时间呈指数分布(由泊松过程产生)，并且模拟是对于不同分组大小进行的。如果不能分配到信道的全部容量，就拒绝请求并将令牌返回给令牌服务器。分组的大小在4兆字节和2千字节之间变化，在此点我们可以看到吞吐量下降。
如果在节点上处理能力或控制信道容量太小，则可能发生吞吐量下降。尤其是服务器节点可能超载。结果是包含控制消息的服务器队列开始变得很大。控制令牌代表未使用容量，于是吞吐量下降。
在每信道4千字节的模拟中，控制容量是限制因素，并且如果增加更多的控制时隙(信令容量)，能够更有效地支持4千字节或更小的分组。
在图18中，下一组曲线示出时隙再利用机制如何改善系统的性能。在任意大量信道被拒绝之前，吞吐量几乎增加了一倍。信道的源和目的地均匀分布限制了时隙再利用带来的容量增加。已发现，如果象我们那样均匀地产生源和目的地，在双总线上吞吐量可加倍[21]。在该模拟中还表明，除了提供的2．5负载，我们可以实际获得高于2．0的吞吐量。然而，如果不拒绝一些信道就不能达到这一吞吐量水平。具有最高被拒绝概率的信道是那些使用很多时隙或总线段的信道。于是，系统“过滤”不太贪婪的用户请求，丢掉其余的请求。在正常情况下这是无法接受的形为，于是我们不进一步研究了。
如果进行4千字节传送，则在给予负载为1处吞吐量下降。即使在令牌服务器中我们具有足够的资源，我们也不象控制信道阻塞那样快速建立和拆除信道。此外，我们还看到进行8千字节传送时，在给予负载为1．8处吞吐量下降，其原因相同。
从图18的模拟中可以得出，只要控制和服务器处理能力不是瓶颈，只需对中央令牌协议稍加修改，时隙再利用机制就可以使系统吞吐量加倍。从曲线中可以看出，当负载从0．1增到0．5时，访问延时实际上降低了。这是时隙如何分配给信道并且与令牌请求过程无关的结果。如果带有负载，则从服务器中请求令牌所花时间将迅速增加。
当比较图18的DTM性能和图16的理论值时，我们看到可以有效地支持很短的突发情况(几毫秒的持续时间)。5．2．1作为总线长度的函数的中央令牌服务器性能当使用单个令牌服务器时，每次建立信道都需要向服务器请求令牌。如果增加总线的长度，则令牌请求将花很长的时间，并且可能限制吞吐量和增加访问延时。
在图19中，我们把总线的长度增加100倍，为1000km(节点间延时为50μs)。现在访问延时和吞吐量都受到令牌服务器的往返等待时间限制。
在这种情况下，访问延时取决于至服务器的距离，但与传送大小无关。吞吐量完全取决于平均传送大小，因为在数据传输阶段缓冲了建立阶段。
在十分之一秒的持续时间里传送诸如256千字节之类的大量信息的信道在总线长度为1000km时还得到有效的支持。5．2．2讨论利用集中式令牌管理器有一些益处。客户方面可以简单到只包含与它们自己开放信道有关的状态信息。时隙再利用也简单和有效，因为时隙服务器具有全部自由令牌，当试图满足用户请求时，可从中进行挑选。服务器还可以实现其它诸如许可控制和公平性策略。服务器的自由令牌池的碎片正常情况下为中等程度，于是即使对于高容量用户请求，每一信道也具有很少的连接建立消息。
还存在一些缺点，频繁建立和拆除信道的用户，在使用后总返还令牌而在短期内又请求令牌，这样可能引入过多的信令。如果总线上有许多节点或平均分组大小非常小，由服务器节点的处理能力可能变成超载。如果相对于比特周期、每个分组比特数和中等速度的乘积，中等长度非常大，则至服务器的返回时间也可能限制性能。最后，服务器节点包含与所有节点都有关的状态信息，用于建立信道。于是服务器节点的故障有可能影响所有节点。5．3分布式令牌控制性能在此部分中，我们模拟和研究完全分布式令牌管理器的特性。5．3．1分布式令牌管理当评价可进行时隙再利用的分布式令牌管理器的性能时，除了使用如果能分配所要求的容量的50％，则接受请求的策略外，我们使用与5．2中相同的业务和参数。
图20的结果取自于带时隙再利用功能的模拟、完全分布式令牌管理器、有关一节点拥有多少容量的状态消息以及碎片合并模式。所有节点具有相同的处理能力，并且处理负载比图18中服务器接收的要低得多。节点间的依赖性也非常低，这导致较高的可靠性。该系统比不带时隙再利用功能的系统的性能要好，但不如早些时候讨论的集中式系统。
与集中式模式(图18)相比，阻塞较高，启动时负载较低。
一个没有预料到的结果是当分组大小增加时实际性能降低了!在检查结果之后，又试了一次，我们发现一个较大的平均传送尺寸导致令牌具有较低的移动性，并且实际的状态信息给出的网络中自由资源的外貌比对于短传送还差。在这种情况下，如果我们认为不能找到任何资源就拒绝请求。这一机制的引入避免了在耗尽资源时浪费控制容量。
其原因是状态消息仅描述覆盖总线上所有段的“全局”令牌。任何节点都可以使用全局令牌，并且全局令牌只是不带时隙再利用功能的DRM系统中令牌的一种形式。在负载高于1．0时，大量令牌被分段，并且在新的请求中再利用模式需要它们。我们使用的状态消息机制(为不进行时隙再利用的系统设计的)于是在帮助新请求找到自由容量方面的能力受到限制，并且在最坏的情况下导致较高的阻塞程度。5．3．2作为总线长度函数的分布式令牌服务器的性能在总线长度从1km变化至1000km时，分布式令牌管理器的吞吐量和访问延时示于图21中。在建立和拆除信道之间发送16千字节的分组。1km和100km总线给出的吞吐量和访问延时与10km总线大致相同，因为使用125μs周期引入的等待时间在系统的飞行等待时间中占主导地位。对于1000km的总线，我们看到访问延时比使用集中式令牌服务器(见图19)的1000km系统要短。在低负载时，我们发现令牌非常紧密并且访问延时与总线长度无关，对于所有系统都大致相同。即使负载较高，访问延时也仅大约为1毫秒，比图19中的集中式系统要短。5．3．3突发性和客户机-服务器业务状态只要处理能力和信令容量足够，集中式令牌管理器系统就将具有相同的性能，几乎与业务量无关。为了评价分布式系统，我们决定使用其它两种业务发生器。首先，我们使用模拟用户请求以突发方式到达的发生器当一请求到达时，产生一新的请求并以90％的概率在200μs之后到达。结果是请求突发地到达节点，强迫源地址具有很高的临时局部性。其次，为了产生更近似于客户机-服务器行为的业务，我们增加到达5个服务器节点0、25、50、75、99的业务量。进而服务器目的地的概率也高了。
在图22中，我们示出了分布式令牌服务器系统的吞吐量和访问延时方面的性能情况。5．3．4讨论很明显，与集中式令牌服务器相比，分布式实现具有几个优点节点可以共享处理负载，对高性能令牌服务器的需求少，对于低容量请求冗余可能高但访问延时低。这还可以对较长的总线进行调节。缺点是较高的阻塞。还很清楚，必须修改状态消息和状态表机制以在允许时隙再利用时避免无用的阻塞。6．进一步工作和结论我们发现在双总线共享媒体环境中DTM快速电路交换协议工作状况良好。分析了两种时隙(令牌)管理模式。集中式模式最接近于理想协议，相对简单。
分布式模式对于用户的行为更敏感，它依赖于频繁播发的状态信息，并需要碎片合并模式。分布式模式的主要优点是有效地使访问延时与总线上的往返时间分离。
结论之一是，状态消息模式在时隙再利用情况下不能很好地工作，需要重新设计它。进一步工作是评价使用一少部分令牌服务器节点把分布式和集中式令牌管理器结合起来。
结论是即使对于小的(几千字节)传送，信道建立额外开销也很小，从而产生高的利用率。即使在高负载情况下，访问延时也只有几百微秒。时隙再利用模式可以使吞吐量增加一倍并且在节点中不用引入任何附加硬件的情况下也能实现。C．补充网络不限于双总线，而是可由任何类型的结构来实现，如具有任意多个节点的环形结构。除了光纤外，传输媒体可以是同轴电缆或其它具有高带宽的传输媒体。在描述中，传输媒体将称作光纤。在优选实施例中，将DTM双总线的带宽划分成125μs的周期，将其进一步划分成64比特的时隙。本发明不限于使用这些值的DTM网络，可以用在周期和时隙为任意大小的网络中。
很明显在时隙再利用情况下，系统性能有所提高在源和目的对均匀分布的双总线中，证实吞吐量增加了一倍。在其它类型网中性能有可能进一步提高，例如在源和目的对均匀分布的双环结构中，吞吐量增加了三倍。
DTM的时隙再分配结果是需要较长时间建立需要较大带宽的信道。这种“折衷”是合理的需要较低媒体访问延时的业务类型正常情况下对分配给传送的带宽都不太敏感，于是在根本不采用再分配协议的情况下也可以接受这类业务。对于需要较大带宽的传送，访问延时都将较高并且总是使用再分配协议。然而，宽带传送可能对访问延时不敏感。
以上描述的模拟已表明DTM的快速网络交换协议在划分为双总线媒体环境中工作状况良好。分析了两种时隙管理模式，并且这两种模式工作良好，继承了时隙再利用的优点。集中式模式更接近于理想协议并且同时更易于实现。分布式系统对用户的行为更敏感，于是依赖于频繁发送的状态信息，并且需要碎片合并机制减少信道建立和时隙再分配所需控制消息的数目。在长的总线上使用带有碎片合并机制的分布式模型比使用集中式模型能获得更好的性能。使用一少部分令牌服务器节点也可能实现将集中式模型和分布式模型组合在一起的资源管理系统。
此外，连接建立额外开销能够非常低，这导致即使对于小(几千字节)的传送也能达到很高的利用水平。即使在高负载情况下，访问延时只是几百微秒。时隙再利用方法不用为节点增加硬件就可以将性能提高一倍(在双总线上)。当使用时隙再利用方法时，由于在时隙和总线分段方面都可能存在碎片，所以同时采用碎片合并方面更为重要。D对以上说明更为详细的讨论和评述在以上说明中特别详细地描述了一种特征在于对于所有令牌只存在一个主节点的集中式系统，此系统的特征还在于自由(空闲)令牌总是直接返还给主节点。
在完全分布式系统中，所有节点都是主节点(服务器节点)，并且令牌在所有主节点之间均匀地分布。
使用碎片合并方法，令牌在经历一个有效时间之后(例如，当它们已空闲了一定时间，所谓“空闲时间”，或当它们已有一段时间不在主节点-所谓“最近主节点时间”)最终要回到它们的主节点。我们使用工作引力-低引力对应于长的有效时间，高引力对应于短的有效时间。上述集中式系统将有一个无限高的引力(有效时间=0)并且不采用碎片合并机制的分布式系统将具有引力=0(有效时间=∞)。
还应指出资源管理模式可应用于这些特定情况之间任意一种上。主节点数目可以在1与到总的节点数之间变化。引力可独立地在0到无穷之间变化。在时隙方向上的合并之前，应优先地进行块令牌的合并以及总线段的合并。
我们给出结合附图的一些例子，以用于说明。
在图23中示出了带有两个时隙接续块令牌A和B的令牌图。正常情况下不进行划分／合并，因为段将更短。
图24示出了两个段接续块令牌C和D。正常情况下，根据虚线进行两个块令牌C和F的划分。之后将两个已形成的块令牌C’和D’合并成C’D’，其长度为原来的两倍。这总共产生三个新的块令牌C”，D”和C’D’。
在图25中示出了三个块令牌E、F、G。最好，将F和G合并成FG增加段的长度。
在图26中示出了两个块令牌H和I。所请求的容量对应于H的一半，并且全部I应从节点A，NA发送到节点B，NB。选择H用于传送，根据虚线对其进行划分。
在图27中示出了令牌I。所请求的容量对应于I的一半，应将其从节点A，NA送到B，NB。选择一部分I用于传送，这一部分在上部画出，或象图27中的那样在I的下部。其余部分然后必须被划分(块令牌通常是矩形的)。最好，根据虚线进行以保留尽可能大的段。
当然，不必按这种方式做。在一些应用中人们可能会遇到在进行段方向上的合并之前要进行时隙方向上合并这种情况。
正常情况下，状态表只包含关于在所有段上都是自由的时隙的信息。人们可能遇到关于段的信息也包含在这些状态表中的情况。然而，它将是分发给其余节点更多的信息。
以下结合图28描述另一种更好实现的机制。如果节点O，NO除了将只向节点N，NN发送容量(b-a)，还对容量(b-a)及整个段具有访问权，则它不会使用段NN和其上的。这些然后被发送到NN用于将来的需求。如果节点N，NN对容量(时隙)(d-c)具有访问权，并将该容量发送给节点M，NM，则它将甚至向节点M，NM发送自由段NM和其上的用于将来的需求。令牌块(NO-NN)*(d-c)向下发送给节点O，NO，用于将来可能的需求。这样需要额外的信令，从而令牌块(NO-NN)*(d-c)能以最终较低优先级发送。
图1DTM多路复用格式；图2网络结构中相连的DTM节点；图3多地址组；图4不同分组大小情况下的吞吐量和访问延时；图5在允许再请求情况下，对于严格容量请求而言的吞吐量和访问延时(16千字节传送)；图6不同用户需求情况下的吞吐量和访问延时(16千字节传送)；图7作为总线长度函数的网络吞吐量和访问延时(16千字节传送)；图8在20×20网格上的吞吐量和访问延时；图9双总线结构的DTM网；图10DTM的125μs周期；图11示出时隙号和段的令牌图；图12示出时隙再利用的时隙一段图；图13分布式令牌服务器；图14提高利用率的用户再请求(16kB)；图15碎片合并作为模拟时间函数的访问延时；图16理论的双总线和DTM吞吐量；图17集中式令牌服务器；图18集中式令牌服务器和时隙再利用；图19带有集中式令牌服务器的1000km总线；图20利用和访问延时分布式令牌服务器；图21带有分布式令牌服务器的1-1000km总线；图22分布式令牌服务器；图23-28时隙一段图。
权利要求
1．一种用于在带有总线或环形结构的电路交换网中对容量进行集中式管理的方法，其中网络使用的带宽被划分成周期，而周期又被进一步划分成用于信令的控制时隙和用于传送数据的数据时隙，每一数据时隙与一令牌相关，所述方法的特征在于第一节点，称作服务器节点，分配有对应于在总线或环的一个方向上流动的所有数据时隙的令牌；第二节点，向服务器节点请求与一定容量相对应的令牌；和在服务器节点具有请求的未使用容量时，就保留相应于请求容量的令牌并将它们传送给其它节点。
2．根据权利要求1的方法，其特征在于该方法是在DTM(动态同步传输模式)型网络中实现的。
3．根据权利要求1或2的方法，其特征在于当相应的数据时隙不再用于传送数据时，传送的令牌被返还给服务器节点并被释放。
4．根据权利要求1或2的方法，其特征在于当在有效时间里相应的数据时隙还没有被用于传送所述其它节点的数据时就将所传送的令牌重新发送给服务器节点并释放它们。
5．根据权利要求1-4任意一项的方法，其特征在于对服务器节点进行选择使1／3的节点适于上行，2／3的节点适于下行。
6．一种用于在带有总线或环形结构的电路交换网中对容量进行分布式管理的方法，其中带宽被划分成周期，而每一周期又被进一步划分成用于信令的控制时隙和用于传送数据的数据时隙，每一数据时隙与一令牌(写访问)相关，其特征在于定义至少两个称作服务器节点的节点，在它们之中分配相应于在总线或环的一个方向上流动的所有数据时隙的令牌；一节点向至少-服务器节点请求相应于一定容量的令牌；在服务器节点具有请求的未使用容量时，该服务器节点保留相应于请求容量的令牌并把它们传送给请求节点。
7．根据权利要求6的方法，其特征在于所述方法是在DTM(动态同步传输模式)型网络上实现的。
8．根据权利要求6或7的方法，其特征在于当所述几个服务器节点总起来具有请求的未使用容量时，要求几个服务器节点保留总起来相应于整个请求容量的令牌，并且将它们传送给请求节点。
9．根据权利要求6-8任意一项的方法，其特征在于当一个节点具有相应于所请求容量的接收到的令牌时，通过向被指定为数据接收方的一个或几个节点发送信道建立消息而使接收到的令牌用于建立信道。
10．根据权利要求6-8任意一项的方法，其特征在于当所述一个或几个服务器节点总起来不具有所请求的未使用容量时，它们保留相应于全部未使用容量的令牌并将它们传送给请求节点。
11．根据权利要求6-8任意一项的方法，其特征在于当所述一个或几个服务器节点总起来不具有请求的未使用容量时，它们不向请求节点传送任何令牌。
12．根据权利要求10或11的方法，其特征在于当可能接收到的令牌不对应于所请求的容量时，节点对令牌作一步的请求。
13．根据权利要求10或11的方法，其特征在于当节点中所接收的令牌不对应于所请求的容量，就释放这些令牌。
14．根据权利要求10或11的方法，其特征在于当节点没有接收到相应于所请求容量的令牌时，通过向被指定为数据接收方的节点发送信道建立消息，使用所接收的令牌建立信道。
15．根据权利要求6-14任意一项的方法，其特征在于每个服务器节点定时地向其它节点发送有关其闲置容量的信息，每个节点在其状态表中存储从其它节点接收到的信息。
16．根据权利要求6-15任意一项的方法，其特征在于节点向此时具有最多未使用容量的服务器节点请求令牌。
17．根据权利要求6-15任意一项的方法，其特征在于节点向最近的并且具有所请求未使用容量的服务器节点请求令牌。
18．根据权利要求16或17的方法，其特征在于通过参考状态表而找到向其请求容量的服务器节点。
19．根据权利要求16-18任意一项的方法，其特征在于总线或环上的所有节点被定义为服务器节点并被至少分配一个令牌。
20．根据权利要求19的方法，其特征在于总线或环上的所有节点被分配给相同数目的令牌。
21．根据权利要求6-20任意一项的方法，其特征在于当相应的数据时隙不再用于数据传送时，将所传送的令牌重新发送给各个甚至称为主节点的服务器节点，并释放这些令牌。
22．根据权利要求6-20任意一项的方法，其特征在于当相应的数据时隙不再用于数据传送时释放所传送的令牌。
23．根据权利要求22的方法，其特征在于当在一有效时间里相应的数据时隙不再用于传送数据时，保留所传送的令牌、重新发送给各个甚至称为主节点的服务器节点并释放它们。
24．根据权利要求1-23任意一项的方法，其特征在于在一节点中相邻的令牌由一个称作块令牌的令牌表示，该令牌用一行中第一时隙的时隙号和该行中时隙总数来指示。
25．根据权利要求1-24任意一项的方法，其特征在于将一令牌划分成至少两个相应于同一时隙但不同段的令牌，其中段指的是连接至少两个节点的传输媒体的一部分。
26．根据权利要求1-25任意一项的方法，其特征在于当服务器节点具有一些可在其中进行选择的时隙或段相邻的令牌组时，该服务器节点保留来自于满足请求容量的最小时隙或段相邻令牌组中的令牌并传送它们，其中最小令牌组定义为具有预定权值的时隙和段的乘积最小的组。
27．根据权利要求1-26任意一项的方法，其特征在于将至少是部分段相邻的令牌组重新组合，从而以相邻时隙数为代价而使每组令牌的相邻段数为最大。
28．一种在具有总线或环形结构的电路交换网的节点中的节点控制单元，其中网络使用的带宽被划分成周期，而周期又被进一步划分成用于信令的控制时隙和用于传送数据的数据时隙，每一数据时隙与一令牌相关，所述节点控制单元的特征在于为节点控制单元分配相应于在总线或环的一个方向上流动的预定数量的数据时隙的令牌，和将节点控制单元安排成在接收到来自第二节点的第二节点控制单元的令牌请求并具有所请求的未使用容量时，就保留令牌并将它们传送给第二节点控制单元。
29．根据权利要求28的节点控制单元，其特征在于网络是DTM(动态同步传输模式)型网络。
30．一种在具有总线或环型结构的电路交换网中甚至称为服务器节点的节点，其中网络使用的带宽被划分成周期，而周期又被进一步划分成用于信令的控制时隙和用于传送数据的数据时隙，每一数据时隙与一令牌相关，所述节点的特征在于为节点控制单元分配与在总线或环的一个方向上流动的一定数量的数据时隙相对应的令牌，并将节点控制单元安排成在接收到来自第二节点的第二节点控制单元的令牌请求并具有所请求的未使用容量时保留令牌并将它们传送给第二节点控制单元。
31．根据权利要求30的节点，其特征在于网络是DTM(动态同步传输模式)型的。
32．根据权利要求30或31的节点，其特征在于为节点分配相应于在总线或环的一个方向上流动的全部数据时隙的令牌。
33．根据权利要求32的节点，其特征在于该节点使总线或环的1／3的节点适于上行，而使总线或环的2／3的节点适于下行。
34．一种总线或环型结构的电路交换网，网络使用的带宽被划分成周期，而周期又被进一步划分成用于信令的控制时隙和用于数据传送的数据时隙，每一数据时隙与一令牌相关，所述电路交换网的特征在于为甚至称为服务器节点的节点分配相应于在总线或环的一个方向上流动的预定数目的数据时隙相对应的令牌，并将其安排成在接收到来自第二节点的令牌请求并具有所请求的未使用容量时，保留令牌并将它们传送给第二节点。
35．一种具有总线或环形结构的电路交换网，网络使用的带宽被划分成周期，而周期又进一步被划分成用于信令的控制时隙和用于传送数据的数据时隙，每一数据时隙与一令牌相关，所述网络的特征在于至少定义两个称作服务器节点的节点，在其中分配相应于在总线或环的一个方向上流动的全部数据时隙的令牌，其特征还在于当服务器节点接收到来自第三节点的令牌请求并具有所请求的未使用容量时，保留令牌并将它们传送给第三节点。
36．根据权利要求34或35的电路交换网络，其特征在于网络是DTM(动态同步传输模式)型网络。
37．根据权利要求34-36任意一项的电路交换网，其特征在于将节点安排成在已接收到相应于所请求容量的令牌时，通过向作为数据接收方的节点发送信道建立消息来使用已接收到的令牌建立信道。
38．根据权利要求35-37任意一项的电路交换网络，其特征在于当一个或几个服务器节点总体不具有所请求的未使用容量时，将其安排成保留相应于全部未使用容量的令牌并将它们传送给请求节点。
39．根据权利要求35-37任意一项的电路交换网络，其特征在于当一个或几个服务器节点总体不具有所请求的未使用容量时，将其安排成不向请求节点传送任何令牌。
40．根据权利要求35-39任意一项的电路交换网络，其特征在于将节点安排成使用一个状态表，服务器节点根据此状态表做出向谁请求令牌的决定，状态表是相对定时修改的所有服务器节点未使用容量的一个列表。
全文摘要
本发明涉及对带有总线或环型结构的电路交换网,特别是DTM(动态同步传输模式)型网中的容量进行集中式和分布式管理的方法和设备,网络使用的带宽被划分成周期,而周期又进一步划分成用于信令的控制时隙和用于传送数据的数据时隙,每一数据时隙对应于一令牌。在集中式模式中,称作服务器节点的第一节点分配有相应于在总线或环的一个方向上流动的所有数据时隙的令牌。第二节点向所述服务器节点请求相应于一定容量的令牌,并且在服务器节点具有请求的未使用容量时,保留相应请求容量的令牌并将它们传送给其它节点。在分布式模式中服务器节点数为2至总线或环中节点总数之间的数。
文档编号H04L12/64GK1206526SQ9619937
公开日1999年1月27日 申请日期1996年12月23日 优先权日1996年12月23日
发明者克里斯特·伯姆, 泊·琳德兰, 拉斯·拉姆菲尔特, 玛库斯·海德尔, 彼特·斯乔汀 申请人:德纳克公司