計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)之阻塞控制

阻塞現(xiàn)象是指到達(dá)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(gè)網(wǎng)絡(luò)性能下降的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)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(dāng)節(jié)假日公路網(wǎng)中車輛大量增加時(shí)，各種走向的車流相互干擾，使每輛車到達(dá)目的地的時(shí)間都相對(duì)增加（即延遲增加），甚至有時(shí)在某段公路上車輛因堵塞而無法開動(dòng)（即發(fā)生局部死鎖）。

網(wǎng)絡(luò)的吞吐量與通信子網(wǎng)負(fù)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(dāng)通信子網(wǎng)負(fù)荷比較小時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量（分組數(shù)/秒）隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷（每個(gè)節(jié)點(diǎn)中分組的平均數(shù)）的增加而線性增加。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(gè)出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象的網(wǎng)絡(luò)中，到達(dá)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的分組將會(huì)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(diǎn)重傳，或者需要由源節(jié)點(diǎn)或源端系統(tǒng)重傳。當(dāng)阻塞比較嚴(yán)重時(shí)，通信子網(wǎng)中相當(dāng)多的傳輸能力和節(jié)點(diǎn)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

（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(shí)，讓呼叫請(qǐng)求分組途經(jīng)的節(jié)點(diǎn)為虛電路預(yù)先分配一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。若某個(gè)節(jié)點(diǎn)緩沖器已被占滿，則呼叫請(qǐng)求分組另擇路由，或者返回一個(gè)“忙”信號(hào)給呼叫者。這樣，通過途經(jīng)的各節(jié)點(diǎn)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(shí)的分組交換跟電路交換很相似。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)分組并將它轉(zhuǎn)發(fā)出去之后，該節(jié)點(diǎn)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)確認(rèn)信息。該確認(rèn)一方面表示接收節(jié)點(diǎn)已正確收到分組，另一方面告訴發(fā)送節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)已空出緩沖區(qū)以備接收下一個(gè)分組。上面是“停一等”協(xié)議下的情況，若節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)議允許多個(gè)未處理的分組存在，則為了完全消除阻塞的可能性，每個(gè)節(jié)點(diǎn)要為每條虛電路保留等價(jià)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(chǔ)空間）被某個(gè)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(dāng)緩沖區(qū)占滿時(shí)，將到來的分組丟棄。若通信子網(wǎng)提供的是數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)，則用分組丟棄法來防止阻塞發(fā)生不會(huì)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(diǎn)超時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)超時(shí)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?yàn)橐粋€(gè)包含確認(rèn)信息的分組可以釋放節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)，若因節(jié)點(diǎn)元空余緩沖區(qū)來接收含確認(rèn)信息的分組，這便使節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)失去了一次釋放的機(jī)會(huì)。解決這個(gè)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(jìn)入的分組，對(duì)于捎帶確認(rèn)信息的分組，在利用了所捎帶的確認(rèn)釋放緩沖區(qū)后，再將該分組丟棄或?qū)⒃撋訋Ш孟⒌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(dāng)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(gè)源節(jié)點(diǎn)，另一部分則在子網(wǎng)開始工作后在網(wǎng)中四處環(huán)游。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)要發(fā)送來自源端系統(tǒng)的分組時(shí)，它必須首先擁有許可證，并且每發(fā)送一個(gè)分組注銷一張?jiān)S可證。目的節(jié)點(diǎn)方則每收到一個(gè)分組并將其遞交給目的端系統(tǒng)后，便生成一張?jiān)S可證。這樣便可確保子網(wǎng)中分組數(shù)不會(huì)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(fù)荷不很重時(shí)也會(huì)發(fā)生。死鎖發(fā)生時(shí)，一組節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。此時(shí)，只能靠人工干預(yù)來重新啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，解除死鎖。但重新啟動(dòng)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(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)死鎖及其防止。最常見的死鎖是發(fā)生在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的直接存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)死鎖。例如，A節(jié)點(diǎn)的所有緩沖區(qū)裝滿了等待輸出到B節(jié)點(diǎn)的分組，而B節(jié)點(diǎn)的所有緩沖區(qū)也全部裝滿了等待輸出到A節(jié)點(diǎn)的分組；此時(shí)，A節(jié)點(diǎn)不能從B節(jié)點(diǎn)接收分組，B節(jié)點(diǎn)也不能從A節(jié)點(diǎn)接收分組，從而造成兩節(jié)點(diǎn)間的死鎖。這種情況也可能發(fā)生在一組節(jié)點(diǎn)之間，例如，A節(jié)點(diǎn)企圖向B節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組、B節(jié)點(diǎn)企圖向C節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組、而C節(jié)點(diǎn)又企圖向A節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組，但此時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都無空閑緩沖區(qū)用于接收分組，這種情形稱做間接存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)死鎖。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，所有與之相連的鏈路將被完全阻塞。

一種防止存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)死鎖的方法是，每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置M+1個(gè)緩沖區(qū)，并以0到M編號(hào)。M為通信子網(wǎng)的直徑，即從任一源節(jié)點(diǎn)到任一目的節(jié)點(diǎn)間的最大鏈路段數(shù)。每個(gè)源節(jié)點(diǎn)僅當(dāng)其0號(hào)緩沖區(qū)空時(shí)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(hào)緩沖區(qū)空閑的相鄰節(jié)點(diǎn)，再由該節(jié)點(diǎn)將分組轉(zhuǎn)發(fā)給它的2號(hào)緩沖區(qū)空閑的相鄰節(jié)點(diǎn)……最后，該分組或者順利到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)并被遞交給目的端系統(tǒng)，或者到了某個(gè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)為M的緩沖區(qū)中再也轉(zhuǎn)發(fā)不下去，此時(shí)一定發(fā)生了循環(huán)，應(yīng)該將該分組丟棄。由于每個(gè)分組都是按照編號(hào)遞增規(guī)則分配緩沖區(qū)，所以節(jié)點(diǎn)之間不會(huì)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(dāng)某節(jié)點(diǎn)雖然有空閑緩沖區(qū)，但正巧沒有所需要的特定編號(hào)的緩沖區(qū)時(shí)，分組仍要等待，從而造成了緩沖區(qū)和鏈路的浪費(fèi)。

另一種防止存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)死鎖的方法是，使每個(gè)分組上都攜帶一個(gè)全局性的惟一的“時(shí)間戳”，每個(gè)節(jié)點(diǎn)要為每條輸入鏈路保留一個(gè)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(duì)列上分組按時(shí)間戳順序排隊(duì)。例如，節(jié)點(diǎn)A要將分組送到節(jié)點(diǎn)B，若B節(jié)點(diǎn)沒有空閑緩沖區(qū)，但正巧有要送到A節(jié)點(diǎn)的分組，此時(shí)A、B節(jié)點(diǎn)可通過特殊的接收緩沖區(qū)交換分組；若B節(jié)點(diǎn)既沒有空閑緩沖區(qū)，也沒有要送往A節(jié)點(diǎn)的分組，B節(jié)點(diǎn)只好強(qiáng)行將一個(gè)出路方向大致與A節(jié)點(diǎn)方向相同的分組與A節(jié)點(diǎn)互相交換分組，但此時(shí)A節(jié)點(diǎn)中的分組必須比B節(jié)點(diǎn)中的分組具有更早的時(shí)間戳，這樣才能保證子網(wǎng)中某個(gè)最早的分組不受阻擋地轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。由此可見，每個(gè)分組最終總會(huì)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(diǎn)，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(yán)重的情況是重裝死鎖。假設(shè)發(fā)給一個(gè)端系統(tǒng)的報(bào)文很長，被源節(jié)點(diǎn)拆成若干個(gè)分組發(fā)送，目的節(jié)點(diǎn)要將所有具有相同編號(hào)的分組重新裝配成報(bào)文遞交給目的端系統(tǒng)，若目的節(jié)點(diǎn)用于重裝報(bào)文的緩沖區(qū)空間有限，而且它無法知道正在接收的報(bào)文究竟被拆成多少個(gè)分組，此時(shí)，就可能發(fā)生嚴(yán)重的問題：為了接收更多的分組，該目的節(jié)點(diǎn)用完了它的緩沖空間，但它又不能將尚未拼裝完整的報(bào)文遞送給目的端系統(tǒng)，而鄰節(jié)點(diǎn)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(diǎn)就會(huì)繞道從其它途徑再向該目的節(jié)點(diǎn)傳送分組，但該目的節(jié)點(diǎn)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：

①允許目的節(jié)點(diǎn)將不完整的報(bào)文遞交給目的端系統(tǒng)；

②一個(gè)不能完整重裝的報(bào)文能被檢測出來，并要求發(fā)送該報(bào)文的源端系統(tǒng)重新傳送；

③為每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備一個(gè)后備緩沖空間，用以暫存不完整的報(bào)文。

①、②兩種方法不能很滿意地解決重裝死鎖，因?yàn)樗鼈兪苟讼到y(tǒng)中的協(xié)議復(fù)雜化了。一般的設(shè)計(jì)中，網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)該對(duì)端系統(tǒng)透明，也即端系統(tǒng)不該考慮諸如報(bào)文拆、裝之類的事。③方法雖然不涉及端系統(tǒng)，但使每個(gè)節(jié)點(diǎn)增加了開銷。