通信网论文

排队论在ATM通信网中的应用

研电1307 高波1132201231

（华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206）

摘要：本文简要介绍了ATM通信网络的发展史并分析排队论在ATM虚通道连接中原理、 ATM交换机中的缓冲排队论以及ATM 通信网中的排队分析的应用，最后对排队理论在通信网中的应用做未来的展望。

关键词：排队论；ATM；通信网

The Application Of Queuing Theory In The ATM Communication

Network

Class7 GaoBo 1132201231

( North China Electric Power University, Electrical and Electronic Engineering College, Beijing 102206 ) Abstract:This article briefly describes the history of the ATM communication network and analyze the application of queuing theory in principle ATM virtual channel connections, ATM switch buffer queuing theory and queuing ATM communication network analysis, the last of queuing theory in communication network do future prospects.

Key words: Queuing theory；A TM ；Communication Network

引言

在通信网的发展过程中，除了利用先进的工业制造技术外，利用排队论的结果对通信网的性能进行分析评价，进而加以改进，是通信网自身发展并提高利用效率和满足用户需要的一个必不可少的环节本篇论文研究排队论在ATM通信网中的应用。

1 ATM 通信网络的发展历史

随着现代网络的发展，现有的电路交换和分组交换在实现宽带高速的交换任务时，都表现有一些缺点。对于电路交换，当数据的传输速率及其突发性变化非常之大时，交换的控制就变得十分复杂。对于分组交换，当数据传输速率很高时，协议数据单元在各层的处理成为很大的开销，无法满足事实性很强的业务的时延要求。特别是，基于IP的分组交换网不能保证服务质量。但电路交换的实时性和服务质量都很好而分组交换的灵活性很好。

异步传递方式（Asynchronous Transfer Mode）ATM就是建立在电路交换和分组交换的基础上的一种面向连接的快速分组交换技术。它采用定长分组作为传输和交换的单位，在ATM中这种定长分组叫做信元。ATM与以往技术相比较，它具有以下优点：选择固定长度的短信元作为信息传送的单位，有利于宽带高速交换；能支持不同速率的各种业务，它允许终端有足够多比特时就去利用信道，从而取得灵活的带宽共享，来自各终端的数字流在链路控制器中形成完整的信元后，即按先到先服务规则，经统计复用器，以统一的传输速率将信元插入一个空闲时隙内，链路控制器调节信息源进网的速率，不同类型的服务都可复用在一起，高速率信元就占有较多的时隙；所有信息在最底层是以面向连接的方式传送，保持了电路交换在保证实时性和服务质量方面的优点；ATM使用光纤信道传输，由于光纤信道的无码率较低，其容量很大，因此在ATM网内不必在数据链路层进行差错控制和流量空载（放在高层处理），因而明显提高了信元在网络中的传送速率。虽然在今天看来B-ISDN并没有成功，但是ATM 技术还是获得了相当广泛的应用，并在因特网的发展中起到了重要的作用[1]。

2 ATM虚通道连接中的排队分析

2.1 ATM基本概念

ATM的协议数据单元采用53字节固定长的报文分组，称为信元(cell)。其中5个字节用作信元头，48字节用作负载信息，如图2.1。ATM层有两种信元头格式：B-ISDN的用户与网络接口信元头格式和网络与网络接口信元头格式。这两种信元头包括：

一般流控标志域(GFC)，虚通路标识符(VPI)，虚通道标识符(VCI)，负载类型(PT)，信元丢弃优先级(LP)和头部差错控制(HEC)。如图2.2所示。

图

2.1

图2.2 ATM信元头格式

ATM的网络设备包括用户与网络之间的端设备和网络与网络之间的中间设备。ATM的信元传输是面向连接的。ITU把ATM连接分成二级:虚通道连接(VCC)和虚通路连接(VPC)。VCC是基本类型的端到端连接，一个VCC由多个虚通道链路VCL组成。建立VCC通常使用两种不同的机制：(l)永久式连接。虚通道一经建立起来，就予以长期保存，其上实现信息交换可在需求时刻立即开始。(2)交换式虚电路连接。其连接随用户及设备的要求动态地建立和关闭。VPC连接是由一组具有相同VPI值的VCC组成，这些VCC进行统一交换，节省了时间和费用。

2.2 ATM虚通道连接排队分析

ATM信元传输是面向连接的。ITU把ATM连接分成虚通道连接(VCC)和虚通路连接(VPC)，一个VCC是由多个虚通道链接VCL组成。在ATM通信网的排队分析中，为了便于计算，把由源节点产生的信元经过媒质传输到目的节点的过程当作一个服务系统的服务过程，源节点产生信元相当于顾客的到达，目的节点接收信元相当于顾客离开系统，信元在虚通道连接中的传输过程相当于顾客在服务台接受服务的过程。利用此服务系统的各项排队指标来分析通信网的性能，是对通信网业务量分析的一个重要的方法。本节研究带有两个优先权的M/M/s排队模型在通信网性能分析中的应用。M/M/s 排队模型是一个经典排队模型。在实际的通信网应用中，为了满足使用通信网的客户的需要或进行拥塞控制，有效纠错等，有必要对输入的信元赋予优先权，本节考虑的就是带有优先权的排队交换系统，通过对状态转移方程的分析，给出了输入输出线上的稳态队长[3]。

模型描述如下:系统有N条输入线，在每条输入线上，控制信元(分组)与数据信元(分组，分别

独立地

n

λ与为

n

'λ为参数的泊松到达[2]。到达的信元先在缓冲器集中，然后输送到ATM网络传输到M 条出线上，来不及传输的信元在缓冲器等待，缓冲器容量无限。其中控制信元具有非强占优先权，同一优先级按FCFS接受服务。假设网络有S个传输线路，信元可以通过任意线路进行传输，信元通过每个传输路的传输时间服从参数为μ的负指数分布。传输过的信元到达目的节点输出，当同时有超过一个信元到达同一传输线路时，在一个信元时隙内(cell Slot)只有一个信元输出，其余的在缓冲器排队等待。所有的线路与节点都相互独立，信元在各线路及节点的传输时间不超过一个信元时隙。如图2.3所示。

图2.3 M/M/s排队模型信元传输示意图

由于两种信元输入相互独立，所以控制信元和数据信元的总输入仍为泊松分布且相互独立，其参数分别为'

,λ

λ。

系统的部分状态N(t)的转移图为

:

图2.4 系统的部分状态转移图

利用输入输出线上平均队长的结果，可以进一步得出通信系统的阻塞率、误码率及延时等，据此设计或改进系统，满足用户需要，对通信网的发展起着很大的作用。

2.3 一类开关输入过程的排队分析

在ATM通信网中，由于交换机速率的限制或信道资源的不足，在进行交换或建立连接的过程中，很多时候采用轮询排队方式，即先对其中的一条输入线路进行服务，再对另一条输入线路进行服务，周而复始地循环进行。此过程可以用一类开关输入过程来近似它。本小节节就是考虑输入为开关泊松