Đề tài Tổng quan về IP/WDM

MỤC LỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ANSI American National Standard Institute Viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kì ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dẫn không đồng bộ BGP Border Gateway Protocol Giao thức cổng biên CSPF Constraint-based Shortest Path First Routing Định tuyến đường đi ngắn nhất trước tiên dựa trên ràng buộc DCN Data Communication Network Mạng truyền thông dữ liệu DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Giao thức cấu hình host động DHP Demand Hop-count Product heuristic algorithm Thuật toán dựa trên kinh nghiệm tích đếm hop nhu cầu ECMP Equal Cost Multiple Path Đa đường đồng chi phí FBM Fractional Brownian Motion Chuyển động phân mảnh Brownian FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền file GMPLS Generalized Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát GUI Graphical User Interface Giao diện người sử dụng đồ hoạ HTDA Heuristic Topology Design Algorithm Thuật toán thiết kế mô hình dựa trên kinh nghiệm HTTP Hypertext Transfer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản ICMP Internet Control Message Protocol Giao thức bản tin điều khiển Internet ID Identifier Bộ nhận dạng IETF Internet Engineering Task Force Nhóm kĩ sư Internet Ifmanager Interface manager Khối quản lí giao diện IP Internet Protocol Giao thức Internet LAN Local Area Network Mạng cục bộ LEMS Link Elimination via Matching Scheme Loại bỏ tuyến nối thông qua lược đồ ghép LMP Link Management Protocol Giao thức quản lí tuyến nối LSA Link State Advertisement Quảng bá trạng thái tuyến nối LSP Label Switched Path Đường chuyển mạch nhãn MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MIB Management Information Base Cơ sở thông tin quản lí MLDA Minimum-delay Logical Topology Design Algorithm Thuật toán thiết kế mô hình logic tối thiểu hoá trễ MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MSN Manhattan Street Network Mạng phố Manhattan MTU Maximum Transmission Unit Đơn vị truyền dẫn tối đa NC&M Network Control and Management Quản lí và điều khiển mạng NE Network Element Phần tử mạng NGI Next Generation Internet Internet thế hệ kế tiếp NMS Network Management System Hệ thống quản lí mạng NSFNET OADM Optical Add/Drop Multiplexer Khối xen/tách quang OAM Operation and Maintenance Hoạt động và bảo trì OAM&P Operation, Administration, Maintenance and Provisioning Hoạt động, quản trị, bảo trì và giám sát OC-12 Optical Carrier Level 12 (622,08 Mb/s) Mức mang quang 12 (622,08 Mb/s) OC-3 Optical Carrier Level 3 (155,52Mb/s) Mức mang quang 3 (155,52Mb/s) OC-48 Optical Carrier Level 48 (2448,32 Mb/s) Mức mang quang 48 (2448,32 Mb/s) OC-192 Optical Carrier Level 192 (9953,28 Mb/s) Mức mang quang 192 (9953,28 Mb/s) OHTMS LP-based One-Hop Traffic Maximisation Scheme Lược đồ tối ưu hoá lưu lượng đơn hop dựa trên LP OIF Optical Internetworking Forum Diễn đàng liên mạng Internet quang OLS Optical Label Switching Chuyển mạch nhãn quang OMP Optimized Multi Path Đa đường tối ưu OSCP Optical Switch Control Protocol Giao thức điều khiển chuyển mạch quang OSPF Open Shortest Path First Protocol Giao thức đường đi ngắn nhất trước tiên mở OXC Optical Cross Connect Đấu chéo quang PC Personal Computer Máy tính cá nhân QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RARP Reverse Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ ngược RD Residual Demand heuristic algolrithm Thuật toán dựa trên kinh nghiệm nhu cầu dư thừa RDHP Residual Demand Hop-count Product heuristic algolrithm Thuật toán dựa trên kinh nghiệm tích đếm hop nhu cầu dư thừa RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức đặt trước tài nguyên SCSI Small Computer Systems Interface Giao diện các hệ thống máy tính nhỏ SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ SNMP Simple Network Management Protocol Giao thức quản lí mạng đơn giản SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ SPF Shortest Path First Đường đi ngắn nhất trước tiên SRLG Shared Risk Link Group Nhóm tuyến nối nguy hiểm chia sẻ TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TE Terminal Equipment, Traffic Engineering Thiết bị đầu cuối, kĩ thuật lưu lượng TECP Traffic Engineering to Control Protocol Kĩ thuật lưu lượng cho giao thức điều khiển TELNET Remote Telminal protocol Giao thức đầu cuối ở xa TILDA Traffic Independent Logical Topology Design Algorithm Thuật toán thiết kế mô hình logic độc lập lưu lượng TMN Telecommunications Management Network Mạng quản lí viễn thông TTL Time To Live Thời gian sống UDP User Datagram Protocol Giao thức Datagram người sử dụng UNI User to Network Interface Giao diện người sử dụng-mạng VPC Virtual Path Connection Kết nối đường ảo VPN Virtual Private Network Mạng cá nhân ảo WADM Wavelength Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/tách bước sóng WAN Wide Area Network Mạng diện rộng WDM Wavelength Amplifier Bộ khuếch đại bước sóng WSXC Wavelength Selective Cross Connect Khối đấu chéo lựa chọn bước sóng LỜI NÓI ĐẦU Xu hướng giao thức IP trở thành tầng hội tụ cho các dịch vụ viễn thông ngày càng trở nên rõ ràng. Phía trên tầng IP, vẫn đang xuất hiện ngày càng nhiều các ứng dụng và dịch vụ dựa trên nền IP. Những ưu thế nổi trội của lưu lượng IP đang đặt ra vấn đề là các hoạt động thực tiễn kĩ thuật của hạ tầng mạng nên được tối ưu hoá cho IP. Mặt khác, quang sợi, như một công nghệ phân tán, đang cách mạng hoá ngành công nghiệp viễn thông và công nghiệp mạng nhờ dung lượng mạng cực lớn mà nó cho phép, qua đó cho phép sự phát triển của mạng Internet thế hệ sau. Sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM dựa trên nền mạng hiện tại sẽ có thể cho phép nâng cao đáng kể băng thông mà vẫn duy trì được hiện trạng hoạt động của mạng. Nó cũng đã được chứng minh là một giải pháp hiệu quả về mặt chi phí cho các mạng đường dài. Khi sự phát triển trên toàn thế giới của sợi quang và các công nghệ WDM, ví dụ như các hệ thống điều khiển và linh kiện WDM trở nên chín muồi, thì các mạng quang dựa trên WDM sẽ không chỉ được triển khai tại các đường trục mà còn trong các mạng nội thị, mạng vùng và mạng truy nhập. Các mạng quang WDM sẽ không chỉ còn là các các đường dẫn điểm-điểm, cung cấp các dịch vụ truyền dẫn vật lí nữa mà sẽ biến đổi lên một mức độ mềm dẻo mới. Tích hợp IP và WDM để truyền tải lưu lượng IP qua các mạng quang WDM sao cho hiệu quả đang trở thành một nhiệm vụ cấp thiết. Khoá luận tốt nghiệp của em sẽ xem xét về IP trên nền các mạng quang WDM đặc biệt sẽ tập trung vào kĩ thuật lưu lượng IP/WDM. Khoá luận sẽ tập trung trình bày về các cơ chế cơ bản và kiến trúc phần cứng cũng như phần mềm để triển khai các mạng quang WDM cho phép truyền dẫn lưu lượng IP và sẽ gồm có bốn chương: Chương I: Tổng quan về IP/WDM. Chương này sẽ trình bày khái niệm mạng IP/WDM, đưa ra ba xu hướng chồng giao thức cho mạng này, các ưu nhược điểm của từng xu hướng. Lí do vì sao IP/WDM lại được chọn là giải pháp cho tương lai cũng sẽ được chỉ ra trong chương I Chương II: Kĩ thuật lưu lượng IP/WDM. Chương II sẽ trình bày một số vấn đề chung trong kĩ thuật lưu lượng, khái niệm kĩ thuật lưu lượng IP/WDM, hai phương pháp triển khai, mô hình chức năng của kĩ thuật lưu lượng IP/WDM và kĩ thuật lưu lượng MPLS áp dụng cho IP/WDM. Chương III: Tái cấu hình trong kĩ thuật lưu lượng IP/WDM. Chương này sẽ tập trung đi sâu vào các vấn đề: tái cấu hình mô hình ảo đường đi ngắn nhất, tái cấu hình cho mạng WDM chuyển mạch gói, mô tả và thảo luận về một thuật toán cụ thể và cuối cùng là dịch chuyển tái cấu hình đường đi ngắn nhất. Chương IV: Phần mềm xử lí lưu lượng IP/WDM. Trong chương IV, các kiến trúc phần mềm cho các xu hướng kĩ thuật lưu lượng, chi tiết về giao diện giữa điều khiển mạng và kĩ thuật lưu lượng, và giữa kĩ thuật lưu lượng IP và kĩ thuật lưu lượng WDM trong trường hợp kĩ thuật lưu lượng chồng lấn sẽ được trình bày. Mặc dù đã có nhiều cố gắng song do thời gian và trình độ có hạn nên khoá luận này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn. Nhân đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo T.S Lê Ngọc Giao đã tạo mọi điều kiện và tận tình hướng dẫn em trong quá trình thực hiện đồ án. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Viễn Thông I đã giúp đỡ em trong thời gian qua. Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và người thân - những người đã luôn giúp đỡ, cổ vũ và kịp thời động viên tôi trong suốt thời gian qua. Hà Nội, ngày tháng năm 2005 Sinh viên Nguyễn Thế Cương CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ IP/WDM 1.1 Khái niệm mạng IP/WDM Mạng IP/WDM được thiết kế để truyền dẫn lưu lượng IP trong một mạng quang cho phép WDM để tận dụng sự phổ biến của kết nối IP và dung lượng băng thông cực lớn của WDM. Hình 1.1 dưới đây chỉ ra việc truyền dẫn các gói tin IP hoặc các tín hiệu SONET/SDH thông qua mạng WDM. Một khối điều khiển bằng phần mềm sẽ điều khiển ma trận chuyển mạch. Ở đây, IP, với vai trò là công nghệ ở lớp mạng, sẽ dựa trên tầng dữ liệu để cung cấp: Đóng khung (ví dụ như SONET hay Ethernet) Phát hiện lỗi (ví dụ như kiểm tra CRC) Sửa lỗi (ví dụ như yêu cầu phát lại tự động ARQ) Một vài các chức năng tầng liên kết được thể hiện trong giao diện ví dụ như các giao diện khách xen/tách hay các giao diện truyền dẫn nhờ vật lí. Hình 1.1 Truyền tải gói tin IP trên các kênh bước sóng Một mục tiêu của mạng quang là cung cấp truyền dẫn trong suốt quang từ đầu cuối tới đầu cuối để tối thiểu hoá trễ mạng. Điều này đòi hỏi các giao diện toàn quang và các ma trận chuyển mạch toàn quang cho các thành phần mạng trung gian và biên giới mạng. Bộ phát đáp được sử dụng để khuyếch đại tín hiệu quang. Tồn tại các bộ phát đáp toàn quang (các laser biến đổi được) và các bộ phát đáp quang-điện-quang (O-E-O). Hình cũng chỉ ra hai loại lưu lượng là IP (ví dụ như Gigabit Ethernet) và SONET/SDH và do đó đòi hỏi các giao diện giữa Gigabit Ethernet và SONET/SDH. Trong trường hợp các kết nối đa truy nhập, một tầng con của tầng liên kết dữ liệu là giao thức truy nhập môi trường (MAC) sẽ làm trung gian truy nhập để chia sẻ kết nối sao cho tất cả các node đều có cơ hội truyền dữ liệu. Hiện đang tồn tại ba xu hướng chính để truyền dẫn IP trên nền WDM (Hình 1.2). Xu hướng thứ nhất là truyền dẫn IP trên ATM, sau đó qua SONET/SDH và cuối cùng là sợi quang WDM. Ở đây WDM được dùng như là công nghệ truyền dẫn song song với tầng vật lý. Ưu điểm chính của phương pháp này là nhờ việc sử dụng ATM, các loại lưu lượng khác nhau với các đòi hỏi QoS khác nhau có thể được mang trên cùng một sợi quang. IP ATM IP/MPLS SONET/SDH SONET/SDH IP/MPLS WDM WDM WDM Hình 1.2 Ba xu hướng cho IP/WDM (tầng dữ liệu) Một ưu điểm khác khi dùng ATM là khả năng sử dụng kĩ thuật lưu lượng và độ mềm dẻo trong việc giám sát mạng của ATM. Nó bổ sung cho định tuyến lưu lượng nỗ lực tối đa (best effort) của IP truyền thống. Tuy nhiên, xu hướng này bị cho là phức tạp, tăng chi phí mạng và có xu hướng tạo ra các nghẽn cổ chai tính toán ở các mạng tốc độ cao. Nó được giải quyết bởi sự xuất hiện của kĩ thuật MPLS trong tầng IP. Các đặc tính chính của MPLS như sau: Sử dụng một nhãn đơn giản và có độ dài cố định để xác định dòng/tuyến. Tách riêng dữ liệu chuyển tiếp và thông tin điều khiển. Thông tin điều khiển được dùng để thiết lập đường đi ban đầu nhưng các gói tin được vận chuyển tới node kế tiếp dựa theo nhãn trong bảng chuyển tiếp. Với một mô hình chuyển tiếp đồng nhất và được đơn giản hoá, các mào đầu IP chỉ được xử lý và kiểm tra tại các biên giới của các mạng MPLS và sau đó các gói tin MPLS được chuyển tiếp dựa theo các “nhãn” (thay vì phải phân tích các mào đầu gói tin IP đã được đóng gói). MPLS cung cấp đa dịch vụ. Ví dụ một mạng riêng ảo VPN thiết lập bởi MPLS có một mức độ ưu tiên cụ thể được xác định bởi trường tương đương chuyển tiếp FEC (Forwarding Equivalence Class). Cho phép phân loại các gói tin dựa theo chính sách. Các gói tin được kết hợp trong FEC nhờ việc sử dụng một nhãn. Việc sắp xếp gói tin vào FEC được thực hiện tại biên giới mạng dựa theo trường dịch vụ hoặc địa chỉ đích trong phần mào đầu của gói tin. Cung cấp các cơ chế cho phép kĩ thuật lưu lượng. Các cơ chế này được triển khai để cân bằng tải tuyến nhờ giám sát lưu lượng và thực hiện chỉnh các dòng một cách tích cực hoặc dự đoán trước. Trong mạng IP hiện tại, kĩ thuật lưu lượng là rất khó nếu không nói là không thể vì chuyển đổi hướng lưu lượng dùng các chỉnh sửa định tuyến không trực tiếp là không hiệu quả và nó có thể gây ra tắc nghẽn nghiêm trọng hơn ở đâu đó trong mạng. MPLS cho phép định tuyến hiện bởi nó cung cấp và tập trung chủ yếu vào chuyển tiếp dựa trên trường. Ngoài ra MPLS cũng cung cấp các công cụ cho điều khiển lưu lượng như kĩ thuật đường ngầm, kĩ thuật tránh và phòng vòng lặp, kĩ thuật ghép dòng. Xu hướng thứ hai là IP/MPLS trên nền SONET/SDH và WDM. SONET/SDH cung cấp một số đặc tính hấp dẫn sau cho xu hướng này: SONET cung cấp một phân cấp ghép kênh tín hiệu quang tiêu chuẩn qua đó các tín hiệu tốc độ thấp được ghép thành các tín hiệu tốc độ cao. SONET cung cấp một tiêu chuẩn khung truyền dẫn. Mạng SONET có khả năng bảo vệ/hồi phục hoàn toàn trong suốt đối với các tầng cao hơn, ở đây là tầng IP. Các mạng SONET thường sử dụng mô hình ring. Sơ đồ bảo vệ SONET có thể là: 1+1, nghĩa là dữ liệu được truyền dẫn trên hai hướng ngược nhau và ở đích thì tín hiệu có chất lượng tốt hơn sẽ được lựa chọn. 1:1, chỉ ra rằng có một đường bảo vệ dành riêng cho đường chính n:1, thể hiện một số đường chính (n) chia sẻ chung một đường bảo vệ. Thiết kế của SONET cũng tăng cường OAM&P để truyền các thông tin cảnh báo, điều khiển và hiệu năng giữa các hệ thống và giữa các mức mạng. Tuy nhiên, SONET mang quá nhiều thông tin mào đầu và chúng lại được mã hoá ở nhiều mức khác nhau. Mào đầu đường (POH) được mang từ đầu cuối tới đầu cuối. Mào đầu tuyến (LOH) được sử dụng cho tín hiệu giữa thiết bị kết cuối tuyến ví dụ như các bộ ghép kênh OC-n. Mào đầu đoạn (SOH) được sử dụng để thông tin giữa các thành phần mạng liền kề ví dụ như các bộ tái tạo. Với một OC-1 với tốc độ là 51,84 Mbps, phần tải của nó chỉ có khả năng truyền dẫn một DS-3 với tốc độ bit là 44,736 Mbps. Xu hướng thứ ba ứng dụng IP/MPLS trực tiếp trên WDM và là giải pháp hiệu quả nhất. Tuy nhiên, nó lại yêu cầu tầng IP có trách nhiệm bảo vệ và phục hồi tuyến. Nó cũng yêu cầu một khuôn dạng khung được đơn giản hoá để điều khiển lỗi truyền dẫn. Có một vài lựa chọn khuôn dạng khung cho IP trên nền WDM. Một vài công ty đã phát triển một chuẩn mới là Slim SONET/SDH. Nó cung cấp các chức năng tương tự như SONET/SDH nhưng với các kĩ thuật hiện đại để thay thế mào đầu và ghép kích thước khung vào kích thước gói tin. Một ví dụ khác là ứng dụng khuôn dạng khung Gigabit Ethernet. Chuẩn 10-Gigabit Ethernet mới được thiết kế là để dành riêng cho các hệ thống WDM ghép chặt. Sử dụng khuôn dạng Ethernet, các máy chủ ở bất kì hướng nào của kết nối cũng không cần sắp xếp lên một khuôn dạng giao thức khác (ví dụ như ATM) để truyền dẫn. Các mạng IP truyền thống sử dụng báo hiệu trong băng nên lưu lượng báo hiệu và điều khiển được truyền dẫn trên cùng một đường và tuyến. Một mạng quang WDM có một mạng truyền thông riêng rẽ dành cho các bản tin điều khiển. Như vậy nó sử dụng báo hiệu ngoài băng như trong hình 1.3 Hình 1.3 Lưu lượng dữ liệu và điều khiển trong mạng IP và WDM Trong mặt phẳng điều khiển, IP trên nền WDM có thể hỗ trợ nhiều kiến trúc mạng khác nhau và sự lựa chọn kiến trúc chỉ phụ thuộc vào môi trường mạng hiện có, nhà quản trị và chủ sở hữu mạng. 1.2 Lí do chọn IP/WDM IP là giao thức được thiết kế để xác định địa chỉ mạng lớp ba và từ đó định tuyến qua các mạng con với các công nghệ lớp hai khác nhau. Phía trên tầng IP tồn tại rất nhiều các dịch vụ và ứng dụng dựa trên nền tảng IP khác nhau. Trong khi đó phía dưới lớp IP thì sợi quang sử dụng công nghệ WDM là công nghệ truyền dẫn hứa hẹn nhất, cho phép dung lượng mạng vô cùng lớn để đáp ứng được sự phát triển của Internet. Công nghệ này sẽ trở nên hấp dẫn hơn nhiều khi giá thành của các hệ thống WDM giảm đi. Mặt phẳng điều khiển có nhiệm vụ truyền dẫn các bản tin điều khiển để chuyển đổi các thông tin sẵn có và có thể tiếp cận được, tính toán cũng như thiết lập đường truyền dẫn dữ liệu. Mặt phẳng dữ liệu có nhiệm vụ truyền dẫn lưu lượng ứng dụng và lưu lượng người sử dụng. Một chức năng điển hình của mặt phẳng dữ liệu là đệm và chuyển tiếp gói tin. IP không phân tách mặt phẳng dữ liệu và mặt phẳng điều khiển và do đó nó đòi hỏi các cơ chế QoS tại các bộ định tuyến để phân biệt các bản tin điều khiển và các gói tin dữ liệu. Một hệ thống điều khiển mạng WDM truyền thống sử dụng một kênh điều khiển riêng biệt, còn được gọi là mạng truyền thông dữ liệu, để truyền dẫn các bản tin điều khiển. Một hệ thống quản lý và điều khiển mạng WDM, theo TMN, được triển khai theo cấu trúc tập trung. Để cho phép mở rộng địa chỉ, các hệ thống này dùng một phân cấp quản lý. Kết hợp IP và WDM có nghĩa là, ở trong mặt phẳng dữ liệu ta có thể yêu cầu các tài nguyên mạng WDM chuyển tiếp lưu lượng IP một cách hiệu quả còn trong mặt phẳng điều khiển ta có thể xây dựng một mặt phẳng điều khiển đồng bộ. IP/WDM cũng đánh địa chỉ tất cả các mức trung gian của các mạng quang intra- và inter-WDM và các mạng IP. Các động cơ thúc đẩy IP/WDM bao gồm: Các mạng quang WDM có thể đánh địa chỉ lưu lượng Internet đang phát triển bằng cách khai thác cơ sở hạ tầng sợi quang sẵn có. Sử dụng công nghệ WDM có thể tăng một cách đáng kể việc tận dụng băng thông sợi quang. Hầu hết lưu lượng dữ liệu qua các mạng là IP. Gần như tất cả các ứng dụng dữ liệu đầu cuối người sử dụng đều sử dụng IP. Lưu lượng thoại truyền thống cũng có thể đóng gói nhờ các kĩ thuật VoIP. IP/WDM thừa hưởng sự mềm dẻo và khả năng thích ứng mà các giao thức điều khiển IP cho phép. IP/WDM có thể đạt được hoặc nhắm vào sự phân bố băng thông động theo nhu cầu (hay giám sát thời gian thực) trong các mạng quang. Bằng cách phát triển từ các mạng quang điều khiển tập trung truyền thống sang mạng tự điều khiển phân bố, mạng IP/WDM tích hợp không những giảm thiểu chi phí quản lý mạng mà còn cung cấp phân bố tài nguyên động và giám sát dịch vụ theo nhu cầu. Với sự giúp đỡ của các giao thức IP, IP/WDM có thể hy vọng đánh địa chỉ được WDM hay các nhà khai thác hoạt động trung gian NE. Các mạng quang WDM đòi hỏi mặt phẳng điều khiển thống nhất và có khả năng phân cấp giữa các mạng con được cung cấp bởi các nhà khai thác WDM khác nhau. Các giao thức điều khiển IP đã được triển khai rất rộng rãi và được chứng minh là có khả năng phân cấp. Sự xuất hiện của MPLS không chỉ bổ sung cho IP truyền thống kĩ thuật lưu lượng và khả năng QoS biến đổi mà còn đưa ra một mặt phẳng điều khiển trung tâm IP thống nhất giữa các mạng. Sự khác biệt giữa các thiết bị mạng WDM đòi hỏi sự liên kết giữa các nhà khai thác trung gian. Ví dụ như các WADM không trong suốt đòi hỏi các khuôn dạng tín hiệu nhất định ví dụ như tín hiệu SONET/SDH ở các giao diện khách xen/tách của chúng. Sự liên kết hoạt động giữa WDM đòi hỏi sự xuất hiện của tầng mạng mà ở đây là IP. IP/WDM có thể đạt được sự phục hồi động bằng cách phân mức các cơ chế điều khiển phân tán được dùng trong mạng. Từ quan điểm dịch vụ, các mạng IP/WDM có thể lợi dụng các cơ chế, chính sách, mô hình, cơ cấu QoS được đề nghị và phát triển trong mạng IP. Rút kinh nghiệm từ tích hợp IP và ATM, IP và WDM cần một sự tích hợp mạnh hơn nữa để tăng tính hiệu quả và khả năng mềm dẻo. Ví dụ như, IP trên nền ATM cổ điển là tĩnh và phức tạp và chuyển đổi địa chỉ IP sang ATM là bắt buộc phải chuyển đổi giữa các địa chỉ IP và các địa chỉ ATM. Tích hợp IP/WDM sẽ cho phép truyền dẫn mạng quang một cách hiệu quả, làm giảm chi phí cho lưu lượng IP và tăng cường sự tận dụng mạng quang. CHƯƠNG II KĨ THUẬT LƯU LƯỢNG IP/WDM 2.1 Mô hình hoá lưu lượng viễn thông Kĩ thuật lưu lượng phải được thực hiện trên một mô hình cụ thể mà ở đây là mô hình mạng viễn thông hoặc mạng máy tính. Do đó, không thể không xem xét các phương pháp mô hình hoá mạng. Để mô hình hoá mạng viễn thông hay mạng máy tính cần hai bước là mô hình hoá lưu lượng và mô hình hoá hệ thống. Mô hình hoá lưu lượng được sử dụng để mô tả luồng lưu lượng đến hệ thống ví dụ như tốc độ đến, phân bố lưu lượng và tận dụng tuyến nối trong khi mô hình hệ thống được sử dụng để mô tả chính bản thân hệ thống kết mạng của nó ví dụ như cấu hình và mô hình hàng đợi. Kiểu hệ thống hoàn toàn tổn thất có thể được sử dụng để làm mô hình cho các mạng chuyển mạch kênh vì trong đó không có vị trí đợi. Vì thế, khi hệ thống đã đầy thì nếu như khi đó có một khách hàng mới, anh/chị ta sẽ không được phục vụ. Hệ thống có tổn thất dựa trên việc giám sát để chỉ ra nhu cầu của khách hàng. Còn hệ thống đợi hoàn toàn được sử dụng để mô hình hoá các mạng chuyển mạch gói với giả thiết rằng hàng đợi là vô hạn. Khi đó nếu tất cả các máy chủ đều đang bận thì một khách hàng đến vào thời điểm đó sẽ chiếm một vị trí trong hàng đợi. Ở đây không có tổn thất nhưng khách hàng phải đợi một khoảng thời gian nhất định trước khi được phục vụ. Lúc này mối quan tâm sẽ chuyển sang kích thước của bộ đệm và chính sách được sử dụng trong hàng đợi. Ở đây, đồ án sẽ chỉ xem xét vấn đề mô hình hoá lưu lượng còn mô hình hoá hệ thống phải dựa trên các hệ thống cụ thể. Báo cáo sẽ tìm hiểu các nguyên lí dự đoán lưu lượng được sử dụng trong mô hình hoá lưu lượng cũng như các thông số để thực hiện mô hình hoá. 2.1.1 Mô hình lưu lượng dữ liệu và thoại cổ điển a) Mô hình lưu lượng thoại Lưu lượng thoại có thể được mô hình hoá nhờ sử dụng mô hình Erlang. Đây là mô hình tổn thất hoàn toàn. Giả thiết rằng tổng lưu lượng là α thì: trong đó λ biểu thị tốc độ cuộc gọi đến và h biểu thị thời gian chiếm (gọi) trung bình (thời gian dịch vụ). Đơn vị của cường độ lưu lượng là Erlang (erl). Lưu lượng một erlang có nghĩa rằng trung bình thì kênh luôn bị chiếm. Nghẽn trong mô hình Erlang xảy ra khi cuộc gọi bị tổn thất. Có hai đại lượng nghẽn là nghẽn cuộc gọi và nghẽn thời gian. Nghẽn cuộc gọi là xác suất một cuộc gọi (một khách hàng) thực hiện cuộc gọi khi tất cả các kênh đều đã bị chiếm. Nghẽn thời gian là xác suất mà tất cả các kênh bị chiếm trong một khoảng thời gian bất kì. Rõ ràng là nghẽn cuộc gọi, Bc, thể hiện QoS tốt hơn từ quan điểm của khách hàng. Giả sử có một hệ thống tổn thất M/G/n/n, trong đó n là số kênh trên một tuyến nối, cuộc gọi đến tuân theo quá trình Poisson với tốc độ λ và các thời gian chiếm cuộc gọi là phân bố độc lập và bằng nhau theo phân bố h thì mối quan hệ giữa nghẽn cuộc gọi, mức độ tập trung lưu lượng và thời gian chiếm trung bình được cho bởi biểu thức nghẽn Erlang như sau: Bc = Erlang (n,α) = b) Mô hình lưu lượng dữ liệu Lưu lượng dữ liệu có thể được mô tả nhờ sử dụng các mô hình hàng đợi. Lưu lượng dữ liệu được biểu diễn bởi tốc độ đến của gói tin λ, chiều dài gói tin trung bình L, và thời gian truyền dẫn gói tin 1/μ. Giả sử rằng R hệ thống biểu diễn tốc độ tuyến nối hay nói cách khác là số đơn vị dữ liệu trong một đơn vị thời gian thì thời gian truyền dẫn gói tin sẽ là L/R. Khi đó tổng số lưu lượng sẽ được thể hiện bởi tải lưu lượng ρ: Từ quan điểm của người sử dụng thì đặc tính quan trọng là QoS. QoS được biểu diễn bởi Pz, là xác suất một gói tin phải đợi lâu hơn một giá trị tham chiếu z. Giả thiết một hệ thống hàng đợi M/M/1, có các gói tin đến tuân theo quá trình Poisson với tốc độ λ và chiều dài gói tin phân bố độc lập và bằng nhau theo phân bố luỹ thừa L thì mối quan hệ giữa khả năng tải lưu lượng hệ thống, QoS được cho bởi công thức sau: 2.1.2 Các mô hình lưu lượng dữ liệu lí thuyết Lưu lượng LAN Ethernet đã được nghiên cứu một cách chính xác dựa trên hàng trăm triệu gói tin Ethernet bao gồm cả thời gian đến và chiều dài của chúng. Các nghiên cứu đó đã chỉ ra rằng lưu lượng Ethernet dường như biến đổi rất nhiều do sự xuất hiện của tính bùng nổ trong các dải thời gian từ micro giây tới miligiây, giây, phút, giờ và ngày. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng lưu lượng Ethernet có tính tự tương quan thống kê. Điều này có nghĩa là lưu lượng sẽ trông giống nhau trong tất cả các dải thời gian và có thể sử dụng một tham số duy nhất là tham số Hurst để miêu tả đặc tính phân mảnh. Các đặc tính lưu lượng Ethernet này không thể diễn tả nếu sử dụng các mô hình lưu lượng cổ điển như là mô hình Poisson. Lưu lượng WAN Internet cũng đã được nghiên cứu ở cả hai mức đo là mức gói tin và mức kết nối. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tại mức gói tin, phân bố thời gian đến giữa các gói tin TELNET là không tăng nhanh theo hàm luỹ thừa như các mô hình cổ điển. Còn tại mức kết nối đối với các phiên TELNET tích cực thì tốc độ đến kết nối tuân theo quá trình Poisson (với tốc độ cố định theo từng tiếng đồng hồ). Tuy nhiên, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tại mức kết nối, đối với các kết nối trong phiên khởi tạo người sử dụng (FTP, HTTP) và máy khởi tạo thì tốc độ đến kết nối có tính bùng nổ, đôi khi là tương quan và không tuân theo quá trình Poisson. Để thể hiện được tính bùng nổ của lưu lượng dữ liệu Internet thì có thể cần phải sử dụng các phân bố số mũ con như là các phân bố Log-normal, Weibull, Pareto. Đối với các quá trình có phụ thuộc dải dài thì các quá trình tự tương quan như là chuyển động Brownian phân mảnh có thể được sử dụng. 2.1.3 Một mô hình tham chiếu băng thông Kĩ thuật lưu lượng vòng kín có thể được thực hiện dựa trên phản hồi và tham chiếu băng thông. Kĩ thuật lưu lượng vòng kín dựa trên phản hồi sẽ được trình bày trong phần 4.2. Tham chiếu băng thông là một công cụ hữu ích cho kĩ thuật lưu lượng. Các dự đoán băng thông trong tương lai có thể được sử dụng để khởi tạo tái cấu hình mức mạng. Nhờ việc dự đoán băng thông của dòng lưu lượng, có thể xác định được các đòi hỏi về dung lượng của tuyến nối IP/WDM và do vậy sẽ quyết định có thực hiện tái cấu hình hay không. Dòng lưu lượng IP là một dòng các gói tin IP đơn hướng (của cùng một lớp lưu lượng) giữa hai đầu cuối. Các đầu cuối có thể là các bộ định tuyến liền kề trong trường hợp các dòng lưu lượng IP là lưu lượng chạy trên tuyến nối nằm giữa hai bộ định tuyến. Tương ứng như thế, các đầu cuối cũng có thể không phải là các bộ định tuyến liền kề. Một dòng lưu lượng IP là đơn hướng và điều này sẽ dẫn tới tính không đối xứng của lưu lượng giữa các đầu cuối. Cho trước một dòng lưu lượng thì điều ta mong muốn là xác định các tính chất và ước lượng được băng thông của nó. Mặc dù phương pháp dưới đây có thể áp dụng cho nhiều kiểu lưu lượng nhưng nó được hi vọng là sẽ có khả năng ước lượng được tải mong muốn của kết nối IP và sau đó các ước lượng này sẽ được sử dụng để thực hiện các quyết định tái cấu hình. Khoảng thời gian dự đoán xác định độ lớn thời gian dự đoán trong tương lai. Khoảng thời gian cho tái cấu hình mức mạng được xác định bởi nhiều yếu tố. Người ta mong muốn tái cấu hình mức mạng có khả năng phản ứng trước các thay đổi trong xu hướng lưu lượng (chẳng hạn như các thay đổi tải trong một ngày). Mặt khác khoảng thời gian tái cấu hình ít nhất cũng phải bằng thời gian của một thủ tục tái cấu hình. Khoảng thời gian tái cấu hình bao gồm các thành phần sau: Thời gian để thực hiện một dự đoán Thời gian để tính toán một mô hình mới Thời gian để dịch chuyển từ mô hình hiện tại tới mô hình mới Thời gian để thực hiện dự đoán băng thông phụ thuộc vào độ phức tạp tính toán của mô hình dự đoán. Thời gian để tính toán mô hình mới phụ thuộc vào độ phức tạp của các thuật toán hay giải pháp dựa trên kinh nghiệm để thực hiện việc thiết kế mô hình đó. Còn thời gian để dịch chuyển từ cấu hình hiện tại sang cấu hình mới lại phụ thuộc vào chu trình dịch chuyển được sử dụng. Giả thiết rằng chu trình dịch chuyển bao gồm một chuỗi các thiết lập và loại bỏ từng tuyến nối IP/WDM riêng rẽ. Khi đó thời gian dịch chuyển sẽ bằng tổng thời gian để thiết lập và loại bỏ các tuyến nối IP/WDM với thời gian để các giao thức định tuyến ổn định sau mỗi thay đổi mô hình. Dựa trên các nhận xét trên, người ta thừa nhận một khoảng thời gian tái cấu hình nhất định. Đây là khoảng thời gian xác định tính thường xuyên thực hiện tái cấu hình mức mạng. Thời gian này được gọi là khoảng thời gian thô (khác với khoảng thời gian mịn - thời gian cho các phép đo lưu lượng). Khoảng thời gian thô là một thông số có thể thay đổi được tuỳ theo thiết kế. Ảnh hưởng của các giá trị khác nhau của thông số thời gian thô đã được đánh giá. Dự đoán băng thông cho dòng lưu lượng trong khoảng thời gian kế tiếp phụ thuộc vào một số yếu tố sau: Giờ trong ngày và ngày trong tuần: tồn tại mối tương quan giữa ngày trong tuần và giờ trong ngày với độ lớn lưu lượng Internet. Các mối tương quan từ các mẫu thời gian trước đó: độ lớn lưu lượng trong quá khứ gần sẽ ảnh hưởng tới độ lớn lưu lượng trong tương lai. Quá trình đến của lưu lượng: không thể chỉ dự đoán các quá trình này là các quá trình Poisson. Cần phải tính đến các đặc tính tự tương quan của dòng lưu lượng trong đó. Mục đích là tìm kiếm một mô hình thông số dựa trên kinh nghiệm để có thể dự đoán được băng thông lưu lượng trong khoảng thời gian kế tiếp. Mô hình sẽ tận dụng các thông tin đo đạc lưu lượng và giả thiết rằng quá trình đến của lưu lượng là quá trình tự tương quan. Mô hình dưới đây đã được đề xuất bởi A. Neidhardt và J. Hodge tại Bellcore và được dùng để dự đoán dung lượng của một ATM VPC mang lưu lượng IP và được mở rộng trong dự án NGI Supernet NC&M tại Bellcore/Telcordia. Quá trình chuyển động phân mảnh Brownian Quá trình chuyển động phân mảnh Brownian (FBM) là một quá trình tự tương quan được mô tả bởi ba thông số là: tốc độ đến trung bình m, tham số dao động a và thông số Hurst, H. Một mạng IP/WDM có thể mô hình hoá tốc độ đến như FBM để xem xét đến sự dao động của tổng lưu lượng mịn hoá trong khoảng thời gian thô. FBM được định nghĩa như sau: A(t) = mt + Z(t) trong đó Trong đó Z(t) là quá trình chuyển động phân mảnh Brownian bình thường hoá với các tính chất sau: Z(t) đồng biến Z(0) = 0 và E[Z(t)] = 0 với mọi t E[Z(t)]2 = với mọi t Z(t) có tính liên tục Z(t) có tính Gauss Sự biến thiên của Z(t) được thể hiện bởi: V[A(t)] = am Hãy xem xét một hàng đợi với quá trình đến FBM như trên và với tốc độ dịch vụ C. Hệ thống này có bốn thông số: m là tốc độ đến trung bình, a là tham số biến thiên của quá trình đến, H là thông số tự tương quan và C là tốc độ dịch vụ. Xác xuất tràn dòng của hàng đợi trên hay chính là P(Q>B) trong đó B là kích thước bộ đệm được cho bởi công thức gần đúng sau: Giả thiết rằng người ta cần xác xuất tràn dòng ở trên bị chặn nghĩa là: P(Q > B) exp (- ) thì biểu thức cho tốc độ dịch vụ của hàng đợi C sẽ có dạng như sau: Các nguyên lí tham chiếu lưu lượng Nguyên lí đầu tiên là băng thông lưu lượng trong khoảng thời gian kế tiếp phụ thuộc nhiều vào lưu lượng đã thấy trong dòng lưu lượng của cùng khoảng thời gian đó của tuần trước đó. Nguyên lí này phản ánh mô hình độ lớn lưu lượng phụ thuộc lớn vào giờ trong ngày và ngày trong tuần được quan sát thấy trong các tuyến nối. Do vậy, độ lớn lưu lượng trung bình trong khoảng thời gian kế tiếp sẽ gần như giống hệt như độ lớn đã xuất hiện trong cùng thời điểm của ngày, của cùng thứ hôm đó của tuần trước đó. Và điều này có thể được biểu diễn bởi biểu thức: Trong đó F[h,d] là lưu lượng quan sát thấy tại giờ h của ngày d trong tuần trước đó. Giả sử rằng tốc độ phát triển của lưu lượng từ tuần này sang tuần khác được mô hình bởi một hàm có thông số γ. Cũng giả thiết rằng hàm tăng trưởng này là hàm mũ: Trong đó γ là thông số mô hình được ước lượng từ các phép đo lưu lượng. Giả thiết rằng W0 và W1 là tổng lưu lượng đo được trong hai tuần liền trước trong dòng lưu lượng thì có thể xác định γ từ phương trình sau: Nguyên lí thứ hai là dự đoán băng thông lưu lượng trong khoảng thời gian kế tiếp sẽ khác với lưu lượng đã được quan sát thực tế trong cùng một cách mà phép dự đoán trong khoảng thời gian liền trước đó đã thực hiện. Cho A(h-1) là độ lớn lưu lượng thực tế đo được trong khoảng thời gian (h-1). Giả thiết F(h-1) là độ lớn lưu lượng dự đoán cho khoảng thời gian (h-1) thì: là tỉ lệ để xem xét sự khác nhau giữa giá trị dự đoán và giá trị thực tế trong khoảng thời gian liền trước. Do đó: trong đó ρ có thể được chọn bằng cách làm phù hợp với dữ liệu đã đo được trước đó. Ví dụ như người ta có thể chọn giá trị ρ sao cho sai số do tỉ lệ được cho bởi: là nhỏ nhất cho dữ liệu trong quá khứ. Nói cách khác, có thể chọn ρ sao cho tối thiểu hoá giá trị: trong đó E là toán tử dự đoán. Nó sẽ cho kết quả là: Giả thiết rằng một quá trình đến FBM với tốc độ trung bình F2, kích thước bộ định tuyến là B và xác xuất tổn thất gói tin sẽ bị chặn trên bởi thì điều kiện cho dung lượng sẽ được biểu diễn bởi: trong đó Dưới đây, đồ án sẽ trình bày hai phương pháp dùng để ước lượng các thông số a và H từ lưu lượng đo được. Phương pháp đầu tiên giả định rằng đã có các kết quả đo độ lớn lưu lượng cho mỗi một trong N khoảng thời gian mịn liên tiếp t. Biểu thị độ lớn lưu lượng cho mỗi khoảng i là T(i). Khi đó giá trị ước lượng độ lớn lưu lượng trung bình sẽ là: và giá trị ước lượng của phương sai sẽ là: Các giá trị đo có thể được tổng hợp thành k khối không chồng lấn với kích thước mỗi khối là kt và có phương sai là Vkt. Khi cho trước hai giá trị ước lượng phương sai Vt và Vkt thì các giá trị a và H là hoàn toàn có thể xác định được. Trong phương pháp thứ hai, thông số H có thể ước lượng từ các điểm sai khác thời gian như sau. Cho một vệt thời gian Xk, k = 1, 2,…., chúng ta sẽ có một vệt thời gian tổng hợp Xk(m), k = 1, 2,… bằng cách lấy trung bình từ các chuỗi Xk ban đầu nhờ các khối không chồng lấn có độ lớn m. Nghĩa là: Sau đó đối với các quá trình phụ thuộc dải dài thì ta sẽ có: Do đó, nếu chúng ta vẽ theo log(m) thì độ dốc của đồ thị sẽ chính là , trong đó H’ là giá trị ước lượng cho H. Các thông số mô hình Các thông số sau được định nghĩa cho mô hình dự đoán băng thông: Kích thước của thời gian thô: Lược đồ giám sát lưu lượng cho kết quả là dữ liệu dưới dạng ma trận lưu lượng. Nó chứa độ lớn lưu lượng trung bình trong một khoảng thời gian tinh. Độ lớn của thời gian thô chính là thời gian sử dụng để tính trung bình lưu lượng trong một khoảng thời gian thô bằng cách kết hợp các dữ liệu lưu lượng trong khoảng thời gian tinh lại với nhau. Kích thước bộ đệm bộ định tuyến: kích thước bộ đệm bộ định tuyến được dùng trong mô hình để dự đoán độ lớn của một dòng lưu lượng. Giới hạn xác suất mất gói: thông số này được dùng để dự đoán băng thông của một dòng lưu lượng. Thuật toán định tuyến, mô hình mạng: mô hình mạng và thuật toán định tuyến giúp xác định dòng lưu lượng nào được yêu cầu đối với một kết nối dựa trên kết quả của các phép đo dòng lưu lượng từ các bộ định tuyến biên. Thông số lưu lượng đo được chính là ma trận lưu lượng tinh từ bộ định tuyến biên này tới bộ định tuyến biên khác. Từ thông số đo được này có thể rút ra được tất cả các thông số khác. Các thông số sau được tính toán cho mục đích tái cấu hình tại thời điểm bắt đầu của một khoảng thời gian thô: Trung bình thô cho các dòng lưu lượng của mỗi cặp bộ định tuyến biên vào ra: được tính toán dựa trên dữ liệu lưu lượng tinh đã đo được. Độ phức tạp của tính toán trung bình thô là O(N2) trong đó N là số lượng bộ định tuyến biên trong mạng. Các trung bình thô và trung bình tinh của độ lớn lưu lượng yêu cầu cho mỗi kết nối đơn hướng: độ lớn lưu lượng yêu cầu cho mỗi tuyến nối có thể tính được cho cả khoảng thời gian thô và tinh dựa trên ma trận lưu lượng từ bộ định tuyến biên này tới bộ định tuyến biên khác, mô hình mạng và thuật toán định tuyến. Độ phức tạp tính toán là O(E2) trong đó E là số lượng kết nối trong mạng. Các thông số dự đoán lưu lượng F1, F2, F3: đối với mỗi dòng lưu lượng, các thông số dự đoán băng thông F1, F2, F3 có thể tính toán từ các phương trình ở trên. Việc tính toán này được thực hiện ở đầu mỗi khoảng thời gian thô. Độ phức tạp của phép tính là O(N2) trong đó N là số lượng bộ định tuyến biên trong mạng. Vì sự tái cấu hình làm thay đổi cấu hình của mạng IP nên một vài thông số sẽ cần phải được tính toán lại sau khi cấu hình. Đặc biệt là trung bình thô và tinh cho các dòng lưu lượng đối với mỗi tuyến nối sẽ cần tính toán lại sau khi xảy ra tái cấu hình. Các thông số điều chỉnh a, H, ρ và α được sử dụng trong mô hình dự đoán lưu lượng và được điều chỉnh phù hợp dựa trên dữ liệu lưu lượng đo được và dữ liệu lưu lượng tính toán. Sự phù hợp cho mỗi một trong số các thông số trên cần phải được tính toán lại mỗi khi có tái cấu hình hoặc theo chu kì (chẳng hạn như một lần một tuần). 2.2 Bảo vệ và tái cấu hình Để đảm bảo tính mềm dẻo của dịch vụ mạng trước các lỗi thì hai xu hướng được xem xét để tìm ra một tuyến mới cho đường đi là: một đường đi bảo vệ thiết lập trước và một đường đi tái cấu hình tính toán động. Các kĩ thuật bảo vệ phụ thuộc vào dung lượng dư thừa trong mạng. Vì một tuyến bảo vệ cho mỗi tuyến đang làm việc được thiết lập trước nên tái định tuyến sử dụng kĩ thuật này thì nhanh hơn (nhỏ hơn 50 ms trong mạng SONET/SDH) và đơn giản hơn tái cấu hình. Các kĩ thuật bảo vệ cũng được phân loại thành bảo vệ tuyến và bảo vệ đường. Sự khác nhau của chúng được chỉ ra trong hình 2.1. Trong hình 2.1(a) thì dòng lưu lượng từ A tới E sử dụng một đường đi A-B-E. Nếu như có lỗi trên kết nối từ A tới B thì một bảo vệ tuyến sẽ tránh tuyến A-B bằng cách sử dụng một đường được thiết kế trước là A-D-C-B và phần còn lại của đường vẫn được sử dụng bình thường như được chỉ ra trong hình 2.1(b). Hình 2.1 Bảo vệ đường và bảo vệ tuyến Ngược lại, một bảo vệ đường sẽ hoàn toàn không sử dụng đường đã có lỗi nữa. Nó sẽ dùng một đường khác hoàn toàn không liên quan tới đường ban đầu. Trong ví dụ ở hình 2.1(c), nó sử dụng đường A-D-C-E thay vì đường A-B-E. Trong khi đó tái cấu hình có thể được sử dụng để hoặc là cung cấp các tuyến nối hiệu quả hơn sau khi bảo vệ hoàn thành hoặc là tăng cường tính mềm dẻo để chống lại các lỗi nặng hơn trước khi lỗi đầu tiên được sửa. Thông thường thì cơ chế tái cấu hình là khá chậm. 2.3 Các mô hình bảo vệ và tái cấu hình trong mạng IP/WDM Tuỳ thuộc vào mục tiêu của các chức năng điều khiển và báo hiệu trong tầng WDM mà bảo vệ và tái cấu hình trong mạng IP/WDM có thể được phân loại thành ba mô hình. Mô hình đầu tiên sử dụng một khối quản lí kết nối quang thông minh và tự quản trị. Chính xác hơn thì một tầng quang có hầu hết các chức năng báo hiệu và điều khiển, ví dụ như quản lí dung lượng và cấu hình, định tuyến, phát hiện mô hình, tái cấu hình và điều khiển ngoại lệ nhờ sử dụng các chức năng báo hiệu và điều khiển hoàn toàn là của nó. Bất lợi lớn nhất của mô hình này là sự dư thừa các chức năng báo hiệu và điều khiển vì các chức năng quản lí mạng như vậy đã có trong tầng IP. Trong mô hình thứ hai, mỗi bộ định tuyến IP được kết nối nhờ sử dụng sợi quang và WDM. Do đó không có khái niệm đường đi ngắn nhất trong mô hình này. Tất cả các báo hiệu và điều khiển đều phụ thuộc vào tầng IP. Mô hình thứ ba có thể gọi là “định tuyến thông minh – quang đơn giản” và là phiên bản trung gian giữa hai mô hình trên. Hiện nay IETF và OIF đang nghiên cứu mô hình này sử dụng chuyển mạch nhãn đa giao thức tổng quát (GMPLS). Với mô hình thứ ba thì vấn đề cấy mô hình IP trên nền mô hình WDM sẽ đóng vai trò quan trọng trong bảo vệ IP/WDM đặc biệt là khi tầng WDM không hỗ trợ bảo vệ đường và bảo vệ tuyến hoặc là tuyến bảo vệ không làm việc bình thường do sự xuất hiện nhiều lỗi cùng lúc. 2.4 Khái niệm kĩ thuật lưu lượng IP/WDM Kĩ thuật lưu lượng IP/WDM là kĩ thuật để tận dụng các tài nguyên IP/WDM (ví dụ như các bộ định tuyến IP, các bộ đệm, các chuyển mạch WDM, các sợi quang và các bước sóng) một cách hiệu quả, để truyền dẫn các gói tin và dòng lưu lượng IP. Kĩ thuật lưu lượng IP/WDM bao gồm kĩ thuật lưu lượng IP/MPLS và kĩ thuật lưu lượng WDM như được chỉ ra trên hình 2.2 Hình 2.2 Kĩ thuật lưu lượng IP/WDM (TE) Kĩ thuật lưu lượng MPLS giải quyết các vấn đề về phân bổ dòng và thiết kế nhãn đường. Sử dụng kĩ thuật điều khiển đường hiện MPLS, kĩ thuật lưu lượng MPLS cho phép cân bằng tải trên mô hình IP hiện có. Các MPLS LSP làm việc như là các tuyến ảo cùng chia sẻ một mô hình IP cố định. Trong khi đó kĩ thuật lưu lượng WDM lại đưa ra các giả định về một mô hình IP tĩnh trên nền mạng WDM. Kĩ thuật lưu lượng WDM giải quyết các vấn đề về thiết kế mô hình đường đi ngắn nhất và dịch chuyển mô hình IP. Trong các mạng WDM có khả năng tái cấu hình, kĩ thuật lưu lượng MPLS và kĩ thuật lưu lượng WDM làm việc ở các tầng khác nhau, nghĩa là một ở tầng IP và một ở tầng WDM. Trong các mạng chuyển mạch gói quang, các kĩ thuật lưu lượng MPLS và WDM có thể được dùng theo mô hình chồng lấn hoặc theo mô hình tích hợp. Xu hướng đầu tương tự như IP chồng lấn trên nền các mạng WDM có khả năng tái cấu hình (mặt phẳng dữ liệu), trong khi các MPLS LSP (các đường đi ảo) được ấn định cho các mạch quang WDM cố định. Xu hướng thứ hai xây dựng các đường đi ngắn nhất, ấn định các dòng trên các đường đi ngắn nhất đó và chuyển tiếp lưu lượng theo một mô hình tích hợp. Trong đồ án này các kĩ thuật lưu lượng MPLS và WDM sẽ được trình bày. 2.5 Mô hình hoá kĩ thuật lưu lượng IP/WDM Như đã trình bày ở trên kĩ thuật lưu lượng trong các mạng IP/WDM có thể thực hiện theo hai phương pháp: kĩ thuật chồng lấn và kĩ thuật tích hợp. Với kĩ thuật lưu lượng IP/WDM chồng lấn, mỗi tầng IP và WDM có một khối kĩ thuật lưu lượng riêng. Sự hoạt động của mỗi mạng có thể độc lập với mạng còn lại. Các giải pháp kĩ thuật lưu lượng được phát triển cho các mạng IP hoặc các mạng WDM có thể được ứng dụng trực tiếp cho mỗi tầng một cách tương ứng. Về mặt tính chất thì mạng khách-chủ chồng lấn là một ví dụ cho kĩ thuật lưu lượng chồng lấn. Với kĩ thuật lưu lượng tích hợp, sự tối ưu hoá hiệu năng mạng đối với một mục tiêu nhất định đạt được nhờ sự kết hợp giữa cả hai thành phần mạng IP và WDM. Với sự xuất hiện của các phần cứng ngày càng tinh vi cho phép tích hợp chức năng của cả IP và WDM tại mỗi thành phần mạng (NE) nên kĩ thuật lưu lượng tích hợp có thể hoạt động hiệu quả hơn. 2.5.1 Kĩ thuật lưu lượng chồng lấn Nguyên lí của kĩ thuật lưu lượng chồng lấn là sự tối ưu hoá đạt được ở từng tầng một. Điều này có nghĩa là sự tối ưu hoá trong một không gian nhiều chiều là kết quả của một quá trình tìm kiếm lần lượt theo các chiều khác nhau. Rõ ràng là kết quả tối ưu hoá phụ thuộc vào thứ tự tìm kiếm và không đảm bảo đó là kết quả tối ưu hoá toàn cục. Chiều nào càng xuất hiện sớm trong chuỗi tìm kiếm thì càng đạt được sự tối ưu hoá tốt hơn. Một lợi thế của kĩ thuật lưu lượng chồng lấn là các cơ chế có thể được điều chỉnh để đáp ứng tốt nhất nhu cầu của một tầng cụ thể (IP hoặc WDM) tuỳ theo các mục tiêu được lựa chọn. Hình 2.3 mô tả kĩ thuật lưu lượng chồng lấn. Hình 2.3 Kĩ thuật lưu lượng chồng lấn Kĩ thuật lưu lượng chồng lấn có thể xây dựng bằng việc kết nối các bộ định tuyến IP với mạng WDM dựa trên OXC thông qua một OADM. Các mạng IP/WDM được xây dựng theo phương pháp này thể hiện một mạng WDM dựa trên OXC, tầng chủ được hỗ trợ bởi mạng vật lí trong đó tầng mạng vật lí này được tạo nên bởi các NE quang và các sợi quang. Mỗi sợi quang mang nhiều bước sóng mà việc định tuyến chúng là có khả năng tái cấu hình một cách mềm dẻo. Tầng khách (nghĩa là mạng ảo) hình thành bởi các bộ định tuyến IP được kết nối bởi các đường đi ngắn nhất dựa trên mạng vật lí đó. Mô hình của một mạng ảo có khả năng tái cấu hình được là nhờ khả năng tái cấu hình các đường đi ngắn nhất trong tầng máy khách. Các giao diện của một bộ định tuyến IP kết nối với OADM là các giao diện có khả năng tái cấu hình được. Điều này có nghĩa là các IP lân cận kết nối với một giao diện có khả năng tái cấu hình như vậy có thể được thay đổi bằng cách cập nhật cấu hình đường đi ngắn nhất cơ sở. Trong các mạng IP/WDM, điều khiển tắc nghẽn không chỉ được thực hiện ở tầng dòng sử dụng cùng một mô hình mà còn có thể được thực hiện ở tầng mô hình nhờ sử dụng tái cấu hình đường đi ngắn nhất. Do đó, không chỉ một nguồn lưu lượng điều chỉnh dòng các gói tin của nó trước khi gửi nó vào mạng mà chính bản thân mạng cũng có khả năng thích ứng trước một kiểu lưu lượng sau một thời gian tuỳ chọn. Trong tầng IP, điều khiển tắc nghẽn cung cấp nền tảng cho kĩ thuật lưu lượng, nghĩa là làm cách nào để truyền dẫn các dòng bit theo đường đi của chúng một cách nhanh nhất tới đích. Trong tầng WDM, điều khiển ấn định được sử dụng để quản lí các tài nguyên mạng (ví dụ như là bước sóng) và ấn định chúng cho các kết nối IP ảo. Điều khiển ấn định tầng WDM có thể là tĩnh, nghĩa là cố định tại thời điểm bắt đầu của yêu cầu kết nối, hoặc có thể là động và được thay đổi trong thời gian kết nối. Chính sự mềm dẻo này cho phép tầng WDM cung cấp các kết nối cho tầng phía trên với chất lượng dịch vụ khác nhau. 2.5.2 Kĩ thuật lưu lượng tích hợp Nguyên lí của kĩ thuật lưu lượng tích hợp là sự tối ưu hoá được thực hiện tại cả hai mạng WDM và IP đồng thời. Điều này có nghĩa là đã tìm kiếm được kết quả tối ưu hoá toàn cục trong một không gian nhiều chiều. Kĩ thuật lưu lượng tích hợp có thể ứng dụng cho các mạng trong đó chức năng của cả IP và WDM được tích hợp tại mỗi NE. Khi chức năng IP và WDM được tích hợp, một mặt phẳng điều khiển tích hợp cho cả hai mạng là khả thi. Điều này lại cung cấp sự phù hợp tự nhiên cho một mô hình kĩ thuật lưu lượng tích hợp. Quản lí lưu lượng IP và quản lí và điều khiển tài nguyên WDM được xem xét cùng nhau. Hình 2.4 chỉ ra kĩ thuật lưu lượng tích hợp Hình 2.4 Kĩ thuật lưu lượng tích hợp 2.5.3 Nhận xét Sự khác biệt giữa hai xu hướng chồng lấn và tích hợp thể hiện ở mối quan hệ giữa tối ưu hoá hiệu năng và ấn định tài nguyên. Với kĩ thuật lưu lượng chồng lấn, tối ưu hoá hiệu năng, ví dụ như cân bằng tải và định tuyến lưu lượng, có thể được thực hiện ở tầng IP và hoàn toàn tách biệt khỏi ấn định tài nguyên vật lí WDM, được thực hiện ở tầng WDM. Do vậy, tối ưu hoá hiệu năng ở tầng IP có thể sử dụng tái cấu hình và các cơ chế truyền thống không hề liên quan tới tái cấu hình. Khi không sử dụng tái cấu hình thì điều đó có nghĩa là tối ưu hoá hiệu năng đạt được với một tập các tài nguyên cố định (cho một mô hình IP cố định). Khi sử dụng tái cấu hình, nghĩa là đã sử dụng ấn định tài nguyên động cho một mô hình ảo. Sau đó tối ưu hoá hiệu năng tại tầng IP sẽ lựa chọn dựa trên lượng tài nguyên mà nó muốn để xem xét trạng thái tài nguyên của tầng WDM. Chính tầng WDM là nơi xảy ra ấn định tài nguyên vật lí trong thực tế. Mặt khác, tối ưu hoá hiệu năng và ấn định tài nguyên mạng được kết hợp trong mô hình kĩ thuật lưu lượng tích hợp. Nếu như tối ưu hoá hiệu năng có liên quan tới một tập các tài nguyên mạng biến đổi thì ấn định tài nguyên sẽ tự động điều chỉnh trong quá trình tối ưu hoá. Các mô hình kĩ thuật lưu lượng có thể được triển khai dưới dạng tập trung hay phân tán. Bảng 2.1 thể hiện bốn lựa chọn cho triển khai các mô hình kĩ thuật lưu lượng. Theo trực giác thì xu hướng chồng lấn sẽ thích hợp với dạng tập trung hoặc phân cấp, trong đó có một TE tầng IP và một TE tầng WDM và hai TE này sẽ giao tiếp thông qua UNI ở biên giới WDM hoặc các giao diện giữa IP NMS và WDM NMS. Trong mô hình chồng lấn tập trung, khối quản lí NC&M tầng IP trung tâm và khối quản lí NC&M tầng WDM trung tâm sẽ chia sẻ thông tin trạng thái về tầng của nó. Tuy nhiên xu hướng này không có tính mềm dẻo vì rõ ràng là sẽ xuất hiện các thắt cổ chai ở các bộ quản lí NC&M tại cả tầng IP lẫn tầng WDM. Xu hướng tích hợp phù hợp một cách tự nhiên với mô hình phân tán cho kĩ thuật lưu lượng. Nghĩa là mỗi điểm đều có khả năng khai thác điều khiển tắc nghẽn và thực hiện ấn định tài nguyên dựa trên thông tin trạng thái mạng IP/WDM được lưu trữ cục bộ. Mô hình phân tán của kĩ thuật lưu lượng nâng cao tính sẵn sàng và tính mềm dẻo nhưng lại phải đối mặt với khó khăn là đồng bộ hoá phức tạp gây ra bởi bản chất của quyết định song song được thực hiện tại các địa điểm phân tán. Mô hình chồng lấn Mô hình tích hợp Triển khai tập trung TE chồng lấn tập trung TE tích hợp tập trung Triển khai phân tán TE chồng lấn phân tán TE tích hợp phân tán Bảng 2.1 Các mô hình triển khai TE Tóm lại, xu hướng chồng lấn sẽ không thể thực hiện một cách hiệu quả khi kích cỡ của mạng tăng vì các máy chủ IP và WDM NMS đều trở thành các thắt cổ chai tiềm tàng. Xu hướng tích hợp sẽ gặp phải vấn đề lớn về độ phức tạp của triển khai. Đồng bộ hoá giữa một lượng lớn các node IP/WDM về trạng thái mạng và thông tin cấu hình đòi hỏi một khoảng thời gian dài để hội tụ. Lựa chọn kĩ thuật lưu lượng chồng lấn hay tích hợp và mô hình triển khai tương ứng phụ thuộc vào lưu lượng ứng dụng và mạng vận hành. Mô hình khối chức năng kĩ thuật lưu lượng được trình bày trong đồ án sẽ bao quát cả hai mô hình của hai dạng thức triển khai. Các thành phần trong mô hình khối là chung cho các ứng dụng kĩ thuật lưu lượng trong mạng IP/WDM. 2.6 Mô hình chức năng của kĩ thuật lưu lượng IP/WDM Cơ chế cho phép cơ bản trong mô hình khối kĩ thuật lưu lượng là đường đi ngắn nhất và giám sát đường đi ảo theo nhu cầu. Một đặc tính độc nhất vô nhị trong một mạng WDM là khả năng tái cấu hình đường đi ngắn nhất và mô hình ảo. Điều đó có nghĩa là đối với một mô hình sợi quang vật lí, mạng WDM vật lí có thể hỗ trợ một số mô hình ảo được hình thành từ các đường đi ngắn nhất. Hình 2.5 chỉ ra các thành phần chức năng chính của một mô hình khối kĩ thuật lưu lượng có khả năng tái cấu hình và nó bao gồm các thành phần sau: Khối giám sát lưu lượng: thành phần này có nhiệm vụ thu thập các số liệu thống kê lưu lượng (ở đây là lưu lượng IP) từ các bộ chuyển mạch và định tuyến hay trên các tuyến truyền dẫn. Để hỗ trợ tính năng này, các mạng IP/WDM sẽ giám sát lưu lượng IP. Khối phân tích lưu lượng: thành phần này sẽ đưa ra các quyết định dựa trên các số liệu thống kê thu thập được. Mỗi khi có cập nhật, bộ phận này cũng đưa ra các báo cáo phân tích. Khối dự đoán băng thông: thành phần này được sử dụng để dự đoán nhu cầu băng thông trong tương lai gần dựa trên các đặc tính lưu lượng và các kết quả đo kiểm hiện tại và trong quá khứ. Khối giám sát hiệu năng tín hiệu: thành phần này có nhiệm vụ giám sát QoS tín hiệu quang ứng với mỗi kênh bước sóng. QoS tín hiệu là một tập hợp phức tạp của các yếu tố động liên quan tới định tuyến bước sóng và quản lí lỗi. Quản lí lỗi WDM không phải là nhiệm vụ chính của TE nên QoS tín hiệu chỉ được sử dụng bởi tái cấu hình đường đi ngắn nhất. Khối khởi tạo tái cấu hình kĩ thuật lưu lượng: thành phần này bao gồm một tập hợp các quy định. Các quy định này sẽ quyết định khi nào sự tái cấu hình ở mức mạng nên được thực hiện. Quyết định này có thể dựa trên các điều kiện lưu lượng, các dự đoán về băng thông và các yếu tố vận hành khác như là giảm thiểu ảnh hưởng của các thông số chuyển tiếp và đảm bảo thời gian hội tụ mạng phù hợp. Hình 2.5 Mô hình khối chức năng kĩ thuật lưu lượng IP/WDM Khối thiết kế mô hình đường đi ngắn nhất: thành phần này sẽ tính toán một mô hình mạng dựa trên các dự đoán và kết quả đo kiểm lưu lượng. Việc này có thể được coi như việc tối ưu hoá một sơ đồ (các bộ định tuyến IP được kết nối bởi các đường đi ngắn nhất trong tầng WDM) cho những mục tiêu nhất định (ví dụ như là cực đại hoá thông lượng), tuỳ theo các điều kiện ràng buộc cụ thể (ví dụ như cấp độ node, dung lượng giao diện), đối với một ma trận nhu cầu cho trước (nghĩa là tải lưu lượng trên mạng). Tìm kiếm một sơ đồ tối ưu yêu cầu lượng tính toán rất lớn. Do việc thay đổi kiểu lưu lượng sẽ khởi tạo tái cấu hình nên một sơ đồ tối ưu hoá có thể sẽ không còn là tối ưu hoá nữa khi sự tái cấu hình của nó hoàn thành trong thực tế. Một xu hướng thực tế hơn là sử dụng các thuật toán kinh nghiệm. Chúng chỉ tập trung vào các mục tiêu cụ thể chẳng hạn như hiệu quả về mặt chi phí, tốc độ hội tụ và/hoặc giảm thiểu ảnh hưởng lên lưu lượng đang truyền thay vì tìm kiếm tối ưu hoá toàn cục. Khối dịch chuyển cấu hình: thành phần này bao gồm các thuật toán để lập thời gian biểu cho việc chuyển đổi cấu hình mạng từ cấu hình cũ sang cấu hình mới. Ngay cả khi các tài nguyên tầng WDM là đủ để hỗ trợ bất cứ dịch chuyển nào kế tiếp (tất cả các kết nối mới đều có thể thêm vào trước khi loại bỏ các kết nối không cần thiết) thì vẫn còn các vấn đề khác liên quan tới sự dịch chuyển. Ví dụ như khi tái cấu hình WDM đối với các kênh có dung lượng lớn (ví dụ như lên tới OC-192 trên một bước sóng) thì việc thay đổi ấn định các tài nguyên đối với các lượng lớn như thế sẽ có ảnh hưởng đáng kể lên một số lượng lớn lưu lượng người sử dụng. Một thủ tục dịch chuyển bao gồm một chuỗi các thiết lập và loại bỏ từng đường đi ngắn nhất WDM riêng rẽ. Các dòng lưu lượng phải thích nghi với các thay đổi về đường đi ngắn nhất trong suốt cũng như sau khi diễn ra mỗi bước dịch chuyển. Khối tái cấu hình đường đi ngắn nhất: thành phần này được sử dụng để tái cấu hình các đường đi ngắn nhất riêng lẻ, nghĩa là thiết lập và huỷ bỏ đường. Nó lại đòi hỏi các khối sau đây: Thuật toán định tuyến đường đi ngắn nhất: dùng để tính toán đường đi ngắn nhất. Khi tuyến đường đi ngắn nhất là chưa xác định, thành phần này sẽ tính toán đường đi định tuyến hiện. Nếu đã có sẵn một giao thức định tuyến (ví dụ như giao thức OSPF với các mở rộng cho quang), đường đi định tuyến có thể lấy ra từ bảng định tuyến cục bộ đó. Cơ chế huỷ bỏ/thiết lập đường: dùng để thiết lập hoặc huỷ bỏ một tuyến và nó có thể là một giáo thức báo hiệu. Quản lí giao diện: có nhiệm vụ giao diện và cập nhật các thông tin liên quan tới nó. Sự tái cấu hình đường đi ngắn nhất có thể gán lại các giao diện khách WDM cho một đường đi ngắn nhất khác. Điều đó sẽ ảnh hưởng tới giao diện giữa WDM và mạng IP. Định tuyến IP đòi hỏi các địa chỉ IP và chỉ cho phép gói tin được chuyển tiếp trong một mạng con IP. Vì thế một mô hình IP mới có thể đòi hỏi các thay đổi địa chỉ giao diện IP. 2.6.1 Cơ sở dữ liệu thông tin trạng thái mạng IP/WDM Một cơ sở dữ liệu thông tin trạng thái mạng là cần thiết để điều khiển và quản lí mạng IP/WDM. Dựa trên mô hình kĩ thuật lưu lượng và xu hướng triển khai nó mà cơ sở dữ liệu thông tin trạng thái mạng (bao gồm cả TE) sẽ được xây dựng và duy trì tương ứng. Ví dụ như, trong xu hướng tích hợp thì một cơ sở dữ liệu IP/WDM tích hợp toàn bộ sẽ phải được lưu trữ ở tất cả các điểm và sự đồng bộ giữa các cơ sở dữ liệu đó sẽ do một giao thức phân tán đảm nhiệm; còn trong xu hướng chồng lấn cơ sở dữ liệu IP được lưu trữ riêng rẽ với cơ sở dữ liệu WDM. Thông tin trạng thái mạng mà kĩ thuật lưu lượng quan tâm bao gồm hai mặt: các tài nguyên và cách sử dụng chúng. Cách biểu diễn truyền thống các tài nguyên mạng dùng cho mục đích định tuyến gói tin chỉ đơn giản là thông tin mô hình. Tuy nhiên, kĩ thuật lưu lượng đòi hỏi nhiều thông tin hơn thế, ví dụ như băng thông tổng cộng và sự sử dụng của mỗi kết nối hiện thời. Tồn tại hai tầng định tuyến trong mạng IP/WDM chồng lấn. Một thực hiện định tuyến các đường đi ngắn nhất qua mạng vật lí, trong khi tầng còn lại thực hiện định tuyến dữ liệu trên các đường đi ngắn nhất ấy. Có thể thực hiện kĩ thuật lưu lượng trên cả hai tầng đó. Kĩ thuật lưu lượng WDM không chỉ quan tâm tới sự tận dụng các tài nguyên mạng mà còn cả tới các đặc tính quang của các kết nối quang WDM và chất lượng của tín hiệu. Khi sử dụng kĩ thuật lưu lượng chồng lấn, các chức năng mục tiêu ở các tầng khác nhau có thể khác nhau. Còn trong trường hợp của kĩ thuật lưu lượng tích hợp, điều khiển lưu lượng và ấn định tài nguyên được xem xét đồng thời do đó các mục tiêu tối ưu hoá mang tính kết hợp. Mặc dù các mô hình kĩ thuật lưu lượng khác nhau đòi hỏi thiết kế và triển khai cơ sở dữ liệu thông tin trạng thái mạng khác nhau, nhưng có một số thuộc tính chung cho cả hai trường hợp. Trong xu hướng chồng lấn, cơ sở dữ liệu thông tin trạng thái mạng của tầng IP bao gồm các thông tin sau: Mô hình ảo IP: là một sơ đồ có hướng trong đó các đỉnh biểu diễn các bộ định tuyến IP và các cạnh biểu diễn đường đi ngắn nhất. Nó giống với các đòi hỏi của một giao thức định tuyến trạng thái tuyến nối tiêu chuẩn. Trong đó cũng bao gồm tốc độ dữ liệu và các khuôn dạng tín hiệu mà mỗi giao diện IP có thể hỗ trợ. Mô hình này rất hữu ích cho việc thực hiện cấu hình động. Trạng thái tuyến nối IP: bao gồm dung lượng tuyến nối và sự tận dụng nó (tính theo phần trăm). Nó cũng có thể bao gồm một số kết quả đo khác (ví dụ như số lượng gói tin bị mất tại giao diện bộ định tuyến) cần thiết cho các thuật toán kĩ thuật lưu lượng. Tại tầng WDM, thực thể được quản lí là mạng vật lí, trong đó tải được thể hiện bởi các vết đường đi ngắn nhất. Tại tầng này hoạt động của kĩ thuật lưu lượng được thực hiện thông qua việc gắn mô hình ảo IP vào mạng vật lí. Các hoạt động quản lí mạng là gán bước sóng và định tuyến. Nếu tính liên tục bước sóng là cần thiết dọc theo một vết thì chỉ được gán một bước sóng duy nhất; nếu một WDM NE có khả năng chuyển đổi bước sóng, các hop khác nhau sẽ có thể sử dụng các bước sóng khác nhau. Do vậy, một cơ sở dữ liệu thông tin trạng thái mạng tại tầng WDM sẽ bao gồm các thành phần sau: Mô hình vật lí: là một sơ đồ có hướng trong đó các đỉnh biểu thị các WDM NE và các cạnh biểu thị các sợi quang. Các đặc tính NE: biểu thị khả năng chuyển mạch và độ sẵn sàng của cổng. Một NE có thể thực hiện chuyển mạch sợi (nghĩa là kết nối tất cả các bước sóng trong một sợi đầu vào tới một sợi đầu ra sử dụng cùng bước sóng) hoặc chuyển mạch bước sóng (nghĩa là kết nối một bước sóng cụ thể trong sợi quang đến tới cùng một bước sóng trong một hoặc nhiều sợi ra). Hơn thế, một tín hiệu có thể được chuyển đổi thành một bước sóng khác thông qua chuyển đổi bước sóng. Một NE có số lượng cổng xen/tách hữu hạn do đó có thể có sự tranh chấp giữa các tín hiệu xen/tách tại ma trận chuyển mạch. Trạng thái sợi: bao gồm số lượng bước sóng, hướng, loại bảo vệ tuyến và chất lượng tín hiệu quang ví dụ như tổng công suất bước sóng của sợi đó, đăng kí bước sóng, công suất mỗi bước sóng riêng rẽ, SNR quang của mỗi bước sóng. Trạng thái đường đi ngắn nhất: bao gồm NE ID nguồn, ID cổng xen, NE ID trong tuyến, ID cổng tách, ID bước sóng (cho mỗi hop sợi) và hướng của nó, tốc độ bit, SNR quang từ đầu cuối tới đầu cuối, các ID SRLG (nhóm tuyến nối chia sẻ nguy hiểm). Ngoài ra còn có thể tuỳ chọn độ ưu tiên đường đi ngắn nhất hay mức độ làm rỗng đường đi ngắn nhất. Trong kĩ thuật lưu lượng tích hợp, mô hình bước sóng và mô hình sợi được kết hợp làm một. Tối ưu hoá được thực hiện dựa trên định tuyến bước sóng theo các điều kiện ràng buộc sợi quang. Do vậy, nội dung của cơ sở dữ liệu tầng IP và cơ sở dữ liệu tầng WDM trong mô hình chồng lấn ở trên sẽ được ghép làm một cơ sở dữ liệu thông tin trạng thái mạng IP/WDM duy nhất. 2.6.2 Quản lí giao diện IP với WDM Điều khiển một cách hiệu quả các giao diện giữa IP và WDM là vấn đề thiết yếu để thực hiện kĩ thuật lưu lượng phù hợp trên các mạng IP/WDM. Xu hướng là phải lợi dụng các đặc tính phần cứng mà vẫn duy trì được tính mềm dẻo và khả năng mở rộng vì hiện nay phần cứng mạng đang xuất hiện mới rất nhiều. Hiện tại, một giao diện IP duy nhất chỉ có thể kết hợp với một đường đi ngắn nhất. Điều này làm cho một mạng IP/WDM không có gì đặc biệt hơn một mạng IP trên nền bất cứ một mạng truyền dẫn kênh ảo nào. Kĩ thuật lưu lượng nói riêng hay quản lí và điều khiển mạng nói chung, đối với các mạng IP/WDM kiểu này, là mở đối với tất cả các kĩ thuật hiện đang tồn tại, phát triển. Trong miền phần mềm, IP/WDM đòi hỏi phần mềm tương ứng để quản lí giao diện phần cứng giữa IP với WDM và chuyển đổi giữa lược đồ địa chỉ IP và địa chỉ WDM (khi cần thiết). Trong xu hướng chồng lấn cần có một lược đồ chuyển đổi địa chỉ để duy trì ánh xạ giữa hai tầng. Chú ý rằng tầng WDM cũng có thể sử dụng các địa chỉ IP thay vì các địa chỉ vật lí nhưng vẫn cần lược đồ chuyển đổi địa chỉ vì tầng IP và tầng WDM sử dụng hai không gian địa chỉ khác nhau và các ví dụ định tuyến khác nhau. Một lợi ích của xu hướng chồng lấn là việc lợi dụng các cơ chế điều khiển sẵn có cho mạng IP và mạng WDM. Trong xu hướng tích hợp, mỗi giao diện IP/WDM NE được đánh địa chỉ IP. Do đó, chỉ có một lược đồ địa chỉ được sử dụng mà ở đây là địa chỉ IP, và chỉ có một khả năng định tuyến mà thôi. Tuy nhiên, các giao thức IP truyền thống như là OSPF cần phải được mở rộng để bao gồm các vấn đề về kết mạng IP/WDM. 2.6.3 Khởi tạo tái cấu hình Như được chỉ ra trong hình 2.6 thì tái cấu hình có thể được khởi tạo bởi nhiều yếu tố khác nhau, ví dụ như: Kĩ thuật lưu lượng Lỗi Bảo vệ/tái lập Bảo trì mạng Bộ khởi tạo lỗi bao gồm khối phát hiện lỗi, khối phân tích nguyên nhân và khối quản lí lỗi. Mỗi khi một lỗi bị phát hiện và nguyên nhân gây ra nó được xác định, khối quản lí lỗi sẽ quyết định việc cần làm. Phần mạng bị lỗi có thể bị cách ly và các kết nối bị ảnh hưởng sẽ được định tuyến lại. Bộ khởi tạo bảo vệ/tái lập có thể được sử dụng để hỗ trợ tái cấu hình động. Mỗi khi đường đi chính bị hỏng, thuật toán tái lập sẽ tính toán (hoặc tính toán trước) một đường dự phòng. Khối kết hợp có nhiệm vụ chuyển mạch đường từ đường chính sang đường dự phòng. Các cơ chế tái cấu hình cung cấp các tiện ích cho việc thiết lập và huỷ bỏ đường, nghĩa là một giao thức báo hiệu. Giao thức báo hiệu phân tán đóng một vai trò quan trọng trong bảo vệ/tái lập. Khối bảo trì mạng liên quan tới việc lập thời gian biểu cho các hoạt động vận hành và thay thế và có thể thực hiện dễ dàng hơn nhờ sử dụng tái cấu hình. Hình 2.6 Tái cấu hình trong mạng IP/WDM Có ba thành phần chính trong cơ chế tái cấu hình: thiết kế mô hình, dịch chuyển mô hình và tái cấu hình đường đi ngắn nhất. Bộ phận tái cấu hình đường đi ngắn nhất lại bao gồm ba khối nhỏ là quản lí giao diện, thuật toán định tuyến đường đi ngắn nhất và giao thức báo hiệu. Khối cơ chế tái cấu hình sẽ được khởi động khi đạt được các điều kiện khởi tạo nhất định. 2.6.4 Đo kiểm và giám sát lưu lượng Các mạng IP/WDM được dùng để phân phát lưu lượng IP. Đo kiểm lưu lượng mạng đạt được thông qua việc giám sát IP và các cơ chế thu thập là thiết yếu cho công việc của kĩ thuật lưu lượng. Độ chính xác của các phép đo ảnh hưởng trực tiếp lên hiệu năng công việc vì các kết quả đo đó cung cấp thông tin đầu vào mô tả các điều kiện mạng động. Trong một vòng kín đóng, liên tục, các phép đo lưu lượng mạng có thể khởi tạo thuật toán tái cấu hình cũng như đánh giá tác động của sự tái cấu hình. Các số liệu thống kê cần phải thu thập phụ thuộc vào các mục tiêu tối ưu hoá và thuật toán tìm kiếm thông tin được sử dụng. Ví dụ như, số lượng lưu lượng là rất quan trọng khi mục tiêu tối ưu hoá là thông lượng toàn cục; trễ một hướng giữa một cặp node cho trước là quan trọng khi trễ giữa cặp node đó là mục tiêu tối thiểu hoá. Tuỳ thuộc vào các mục tiêu kĩ thuật lưu lượng, đo đạc lưu lượng và thống kê tải sẽ phải có khả năng lựa chọn mềm dẻo các phân mảnh trong một tổng thể, lấy mẫu và đo đạc. Phân mảnh tổng thể liên quan tới phần các đầu cuối trong dòng lưu lượng được giám sát. Lấy mẫu hạt yêu cầu một lưu lượng lớn cần phải giám sát và việc xử lí công suất các thiết bị. Đo kiểm hạt xác định khoảng thời gian mà trong đó lưu lượng dữ liệu được tính trung bình. Lựa chọn hợp lí trong số các hạt trên cho phép điều khiển chi phí vận hành kĩ thuật lưu lượng. Cùng với các thống kê có sẵn trong các SNMP MIB, tập hợp thời gian dài của các kết quả thống kê và phân tích chúng cũng rất quan trọng trong việc xác định một mô hình mới. Các yếu tố quyết định trong các phân tích trên là dữ liệu lưu lượng tổng tại tầng IP đi vào ma trận và việc dự đoán nhu cầu lưu lượng trong tương lai gần. Giám sát lưu lượng và thu thập các kết quả thống kê không phải là một công việc đơn giản vì lưu lượng là cực lớn và dung lượng của các đường trung kế Internet hiện đại là rất lớn. Nếu không được quan tâm một cách cẩn thận, nó có thể làm giảm đáng kể hiệu năng mạng. Hơn nữa, các ước lượng ma trận lưu lượng có thể không có sẵn đối với hầu hết các thiết bị định tuyến hiện có trên thị trường; trong khi các tải tuyến nối là có sẵn nhưng nó lại không chứa đủ thông tin để ước lượng một ma trận chấp nhận được. Giám sát lưu lượng bao gồm các nguyên tắc sau: Sử dụng các ma trận tiêu chuẩn Đánh giá các đặc tính đơn hướng Sử dụng các thiết bị chuyên dụng cho các phép đo chính xác cao Đo liên tục Cung cấp dữ liệu hiệu năng dài hạn Cung cấp truy nhập thời gian thực tới dữ liệu hiệu năng Cung cấp các phép đo từ đầu cuối tới đầu cuối Các phương pháp và công cụ giám sát lưu lượng Khả năng giám sát lưu lượng có thể được triển khai tại mức gói hoặc mức mạng. Dưới đây là một số các công cụ phần mềm đã có trên thị trường cho phép giám sát lưu lượng. Giám sát mức gói tin: phương pháp này đòi hòi phải giám sát tất cả các gói tin, ví dụ như là tại nguồn gói tin. Đặc biệt, mào đầu gói tin có thể được kiểm tra và các thông tin liên quan có thể được trích ra từ mào đầu. Hai công cụ phần mềm phổ biến cho việc giám sát ở mức gói tin là: ‘tcpdump’ Công cụ này sẽ in ra tất cả các mào đầu của các gói tin trong giao diện mạng thoả mãn biểu thức boolean. Nó cũng có thể chạy trong chế độ cờ ‘w’, khi đó nó sẽ lưu dữ liệu gói tin vào một tập tin để có thể phân tích sau này và/hoặc chạy với cờ ‘b’, khi đó nó sẽ đọc nội dung từ một tập tin đã được lưu thay vì đọc các gói tin trong giao diện mạng. Trong tất cả các trường hợp, chỉ có các gói tin thoả mãn biểu thức mới được xử lí. ‘tcpdump’ cũng có cờ ‘c’. Nếu không có cờ này, nó sẽ tiếp tục bắt giữ các gói tin cho tới khi nó bị ngắt bởi tín hiệu SIGINT hoặc SIGTERM. Khi có cờ ‘c’, nó sẽ bắt giữ các gói tin cho tới khi nó bị ngắt bởi tín hiệu SIGINT hoặc SIGTERM hoặc một số lượng gói tin nhất định đã được xử lí. Cuối cùng, nó sẽ báo cáo số lượng gói tin đã qua bộ đệm và số lượng các gói tin phù hợp với bộ lọc nghĩa là các gói tin phù hợp với biểu thức lựa chọn. ‘libcap’ Đây là thư viện mà có thể được sử dụng để bắt giữ các gói tin xuất phát từ card mạng một cách trực tiếp. Nó cung cấp các truy nhập không phụ thuộc vào hình thức triển khai tới các tiện ích bắt giữ gói tin cơ sở và tiện ích này được cung cấp bởi các hệ điều hành. Ứng dụng của ‘libcap’ có các định dạng cơ bản sau: Chỉ định giao diện cần đo đạc. Khởi tạo ‘libcap’. Libcap có thể hoạt động như một đa thiết bị. Mỗi phép đo được nhận dạng bởi một bộ miêu tả lọc (hay còn gọi là nhận dạng phiên). Xác định tập các quy tắc để chỉ rõ loại lưu lượng nào muốn tìm kiếm, liên kết các quy tắc này lại và áp dụng chúng cho phiên. Thực hiện lặp sơ cấp để tiến hành đo. Đóng phiên hay bộ miêu tả lọc. Giám sát mức mạng: phương pháp này giám sát các hoạt động ở mức mạng ví dụ như tắc nghẽn mạng và các thắt cổ chai hiệu năng. Giám sát mức mạng có thể được thực hiện theo ba cách: đo tích cực, đo thụ động và giám sát điều khiển. Phương pháp đo tích cực sẽ thực hiện gửi dữ liệu qua mạng và quan sát kết quả. Trong khi đó phương pháp đo thụ động sẽ chèn một máy dò vào tuyến nối giữa các node trong mạng và sẽ tổng kết và ghi lại các thông tin về dòng lưu lượng trên tuyến nối đó. Phương pháp giám sát điều khiển sẽ bắt giữ và phân tích thông tin điều khiển mạng chẳng hạn như thông tin định tuyến và quản lí mạng. Đặc biệt, giám sát mức mạng có thể thực hiện nhờ việc sử dụng các công cụ dựa trên Ping, dò đường, SNMP, và các thiết bị giám sát mạng. Ví dụ như, có thể sử dụng Ping để đo thời gian phản hồi tiến trình, tỉ lệ tổn thất gói, sự biến thiên của thời gian phản hồi và sự thiếu khả năng phản ứng (nghĩa là không có phản ứng cho một loạt các lệnh Ping): Các công cụ dựa trên Ping: các công cụ này sử dụng các phép đo và phân tích liên quan tới lệnh Ping được gọi là PingER. Các công cụ này có thể thu thập các kết quả đo tích cực nhờ các bản tin ICMP (tiếng vọng yêu cầu/phản hồi). Các công cụ này gồm có ba phần: Khối giám sát vị trí: Khối này được cài đặt và cấu hình ở tại vị trí cần giám sát. Dữ liệu Ping thu thập được sẽ luôn sẵn sàng cho các máy chủ nhờ HTTP. Cũng có các công cụ PingER có khả năng giám sát vị trí mà cung cấp các phân tích trong thời gian gần và báo cáo các dữ liệu mà nó có trong các bộ nhớ cache cục bộ. Khối giám sát vị trí ở xa: Khối này được cài đặt tại máy chủ ở xa thụ động. Nó gắn với ít nhất một vị trí giám sát cụ thể. Khối nhận và phân tích vị trí: Khối này có thể được đặt ở một vị trí duy nhất hoặc thậm chí một máy chủ dành riêng hoặc cũng có thể được đặt tách riêng nhau. Vị trí lưu trữ sẽ thu thập thông tin nhờ sử dụng HTTP từ các vị trí giám sát theo chu kì thời gian nhất định. Nó cung cấp các dữ liệu thu thập được cho các vị trí phân tích, và sau đó cung cấp các bản báo cáo đang có thông qua Web. Dò đường: công cụ này in ra tất cả các hop trung gian giữa một cặp node nguồn và node đích và đo thời gian hành trình giữa node nguồn đó và mỗi hop. Dò đường sử dụng trường IPv4 TTL hoặc trường IPv6 hop limit và hai bản tin ICMP (nghĩa là ‘thời gian trội khi truyền dẫn’ và ‘cổng không thể tiếp cận’). Nó bắt đầu gửi một bản tin UDP tới đích với một TTL (hay là hop limit) bằng 1. Điều này sẽ bắt bộ định tuyến ở hop đầu tiên sẽ trả lại một ICMP có ‘thời gian trội trong truyền dẫn’ mang giá trị lỗi. Nó tiếp tục gửi một bản tin UDP tới node đích nhưng có giá trị TTL tăng dần 1 đơn vị. Cuối cùng, node đích sẽ nhận được bản tin UDP thăm dò và trả lại một ICMP ‘cổng không tiếp cận được’ khi bản tin UDP đó được đánh địa chỉ tới một cổng không sử dụng. Trong thiết lập mặc định, nó sẽ gửi ba bản tin UDP thăm dò cho mỗt thiết lập TTL. Do đó thời gian hành trình cho mỗi hop có thể được ước lượng bằng trung bình cộng của ba khoảng thời gian được đo đó. SNMP: có thể sử dụng SNMP để thu thập các phép đo cục bộ từ các bộ định tuyến IP. Các phép đo tuyến nối thụ động: Xu hướng này đòi hỏi các thiết bị mạng đặc biệt như là các bộ phân tích giao thức hay OCX-mon. Một giám sát OXC-mon là một PC bảng rãnh chạy trên hệ điều hành Linux hoặc FreeBSD. Cùng với các linh kiện cho PC (400 MHz PII, 128 Mbytes RAM, 6-Gbyte SCSI disk), nó còn được cài đặt hai card đo và một bộ chia quang được sử dụng để kết nối bộ giám sát tới một tuyến nối quang OC-3 (155 Mb/s) hoặc OC-12 (622 Mb/s). Định nghĩa dòng lưu lượng Thuật ngữ “dòng” đã được sử dụng rất rộng rãi nhưng với rất nhiều định nghĩa khác nhau chẳng hạn như trong giám sát QoS, định tuyến QoS, chuyển tiếp gói. Một định nghĩa chung cho một ‘dòng lưu lượng’ trong kĩ thuật lưu lượng là rất quan trọng đối với tập hợp dữ liệu và đối với việc sử dụng các kết quả thống kê lưu lượng được thu thập bởi các lược đồ thu thập lưu lượng của các nhà sử dụng dịch vụ khác nhau. Sau đây là định nghĩa ‘dòng’ cho đo lưu lượng: Tính hướng: Dòng có thể là đơn hướng hoặc song hướng. Với các dòng đơn hướng, lưu lượng từ A tới B và từ B tới A được coi là các dòng lưu lượng khác nhau trong khi thu thập và phân tích. Dữ liệu song hướng cung cấp các đặc điểm bên trong của các giao thức bao gồm cả các vấn đề có thể rất rõ ràng trong các mạng đường trục nhưng lại khó nhận ra hơn tại các đầu cuối. Rõ ràng là dữ liệu song hướng là phức tạp và làm tăng độ phức tạp đối với các thuật toán kĩ thuật lưu lượng. Để cho đơn giản, giả thiết rằng các dòng song hướng không có sự khác biệt so với trường hợp hai dòng đơn hướng của cùng một cặp node. Ví dụ như, độ lớn lưu lượng hay độ tận dụng của một dòng song hướng là lớn hơn độ lớn lưu lượng hay độ tận dụng lớn hơn hai dòng đơn hướng. Hay, dòng song hướng có thể coi là bằng với một trong hai dòng đơn hướng đó. Nếu như thế thì một dòng song hướng giữa hai cặp node được giả định là luôn luôn đối xứng. Các điểm cuối dòng: Điểm mấu chốt cho các chỉ định dòng là các điểm cuối của dòng. Chúng mô tả các thực thể truyền thông. Các dòng có thể được coi là lưu lượng giữa: Các ứng dụng: được nhận dạng bởi . Các máy chủ: được nhận dạng bởi . Các mạng: được nhận dạng bởi . Lưu lượng chia sẻ một đường chung trên mạng: được nhận dạng bởi . Tính phân mảnh dòng: Mỗi dòng gắn với một độ phân mảnh mà cơ sở của nó là kích thước của dòng. Tính phân mảnh mẫu hoá giám sát lưu lượng. Sự hiệu quả của giám sát lưu lượng liên quan tới tính phân mảnh giám sát lưu lượng. Đặc tính này có thể được chỉ định trong thuật ngữ tính phân mảnh mẫu hoá và tính phân mảnh đo đạc. Khi giám sát một mạng, tồn tại một sự thoả hiệp giữa độ chính xác của việc giám sát và phần mào đầu được giới thiệu. Có hai xu hướng giám sát lưu lượng trong một mạng. Việc giám sát có thể chính là một phần trong các chức năng của phần tử mạng được giám sát, hoặc việc giám sát được thực hiện bởi một thiết bị dành riêng. Dù trong trường hợp nào thì công suất xử lí cho phép cũng có thể không đủ để thực hiện toàn bộ nhiệm vụ giám sát. Thay vào đó, việc giám sát phải được thực hiện theo một phương thức mẫu hoá. Nếu điều này xảy ra, người ta có thể cần các luật để điều khiển việc mẫu hoá chẳng hạn như: “Độ lớn lưu lượng cơ sở có thể được ước lượng từ các mẫu thu thập được tại một tốc độ nhỏ„ Trong khi một số thiết bị đo hoặc phần cứng chuyển mạch/định tuyến đầu cuối tốc độ cao có khả năng liên tục giám sát các dòng lưu lượng thì các ứng dụng chẳng hạn như lập kế hoạch dung lượng, lại không cần mức độ chi tiết như thế. Trong miền NSFNET, viện truyền thông ANS đã thực hiện các thực nghiệm trong việc mẫu hoá với độ phân mảnh là 1 trong 50 gói tin, 1 trong 100 gói tin và 1 trong 1000 gói tin. Để dùng cho việc lập kế hoạch dung lượng thì họ phát hiện ra rằng mẫu hoá với tốc độ 1 trong N gói tin là chấp nhận được với giá trị N có độ lớn trung bình. Nhưng tốc độ mẫu hoá cỡ 1 trong 1000 gói tin lại bị cho là quá lớn để có thể tin cậy cho việc lập kế hoạch dung lượng. Giá trị N là bao nhiêu là phù hợp cho tái cấu hình mức mạng hay về bản chất chính là việc lập kế hoạch dung lượng trong các mạng IP ngày nay cần các nghiên cứu bổ sung. Trong khi với giá trị khoảng vài trăm hoặc nhỏ hơn là một lựa chọn ban đầu tốt thì tốt hơn hết là tính phân mảnh mẫu hoá có thể thay đổi bởi người dùng. Đây là một đặc tính quan trọng, có khả năng thay đổi để thoả mãn các yêu cầu về độ chính xác đo, các đặc tính lưu lượng và công suất xử lí. Việc mẫu hoá dựa trên thời gian ngắt là không được khuyến khích vì các kết quả không phản ánh một cách an toàn đặc tính bùng nổ của lưu lượng. Khi tái cấu hình mức mạng là hướng hiệu năng (chẳng hạn như tối thiểu hoá trễ đầu cuối tới đầu cuối) thì các phép đo liên quan đòi hỏi gán nhãn thời gian truyền dẫn/thời gian đến cho gói tin một cách chính xác. Các lựa chọn phân mảnh mẫu hoá để đáp ứng các yêu cầu này bao gồm: Chọn 1 trong N, trong đó một gói tin ngẫu nhiên không nằm trong N gói tin kế tiếp sẽ được chọn. Điều này làm giảm sự thiên vị xuất hiện trong dữ liệu qua quá trình mẫu hoá. Chọn các gói tin liên tiếp nhau để nghiên cứu thời gian đến ở giữa và để phân tích thời gian đến của các gói tin. Lựa chọn tất cả các gói tin từ một dòng duy nhất (dòng này được xác định từ một tầng trên tương ứng). Mặc dù cần các nghiên cứu sâu hơn liên quan tới tốc độ mẫu hoá chấp nhận được và các khoảng ngắt tin tưởng được cho các yêu cầu ứng dụng cụ thể nhưng tới nay một điều rõ ràng là hai đặc tính của giám sát lưu lượng cho mục đích tái cấu hình mức mạng là: Tốc độ mẫu hoá có thể cấu hình được Xử lí dữ liệu không trực tuyến Tính phân mảnh đo và ma trận lưu lượng Cùng với tính phân mảnh mẫu hoá, còn có vấn đề về tính phân mảnh đo. Mục đích của giám sát là một ma trận lưu lượng mạng mà nhờ đó có thể dự đoán được nhu cầu lưu lượng cho tương lai gần. Một dòng IP dành cho mục đích tái cấu hình mức mạng bao gồm dòng lưu lượng đến một bộ định tuyến biên được định tuyến tới một bộ định tuyến biên khác. Dòng có đặc trưng là vết thời gian của các byte/giây đến dòng đó. Các cơ chế để nhận được vết thời gian của một dòng lưu lượng sẽ được trình bày ở phần dưới đây. Vết thời gian của dòng lưu lượng có thể bao gồm tốc độ byte trung bình trong dòng lưu lượng trên một khoảng thời gian cho trước. Thông số đo chính cần quan tâm cho tái cấu hình mức mạng là ma trận độ lớn lưu lượng giữa các bộ định tuyến biên trong mạng IP/WDM. Như vậy việc cần làm là xác định VTP (i,j). Nó biểu diễn độ lớn lưu lượng loại P đang di chuyển từ bộ định tuyến biên i tới bộ định tuyến biên j trong một khoảng thời gian trung bình T. Do vậy, các phép đo này cung cấp một vết thời gian của độ lớn lưu lượng giữa một cặp bộ định tuyến biên cho mỗi kiểu lưu lượng. T là thông số phân mảnh đo. Nó biểu diễn sự phân tích thời gian của các vết lưu lượng. Cho trước VTP (i,j), mô hình mạng IP, và thuật toán định tuyến được sử dụng, độ lớn lưu lượng yêu cầu cho mỗi tuyến nối IP trong một khoảng thời gian có thể hoàn toàn được xác định. Chẳng hạn như, dòng lưu lượng có thể được biểu diễn bởi một vết thời gian bao gồm trung bình trong 5 phút số byte/giây quan sát được trên dòng. Phân mảnh thời gian trung bình (thông số T) chính là khoảng thời gian phép tính trung bình xảy ra. Trung bình mịn (trong khoảng thời gian cỡ giây) là tốt hơn nhưng do phải thoả hiệp với khả năng đo và mào đầu (thời gian xử lí bộ định tuyến và không gian nhớ cần dùng để đo) nên đòi hỏi phải giảm thời gian trung bình. Trung bình thô trong khoảng thời gian dài có thể rút ra từ trung bình mịn. Một cách lí tưởng thì một khuôn dạng xuất phép đo của bộ định tuyến nên sử dụng một hệ thống trong đó mỗi gói tin xuất ra được đánh chỉ số để mô tả nội dung của nó và các bộ định tuyến được cấu hình với các dấu hiệu cho phép người sử dụng có thể chỉ định các trường dữ liệu nào họ muốn xuất ra. Cổng vào trong gói tin xuất sẽ chỉ ghi các trường được nhận dạng bởi chỉ số đó. Việc sử dụng chỉ số có thể đơn giản hoá sự thu thập dòng và cung cấp sự mềm dẻo dưới dạng sự kết hợp các ống chỉ định khách hàng và các lược đồ tổng hợp thay thế. Trong thiết kế tái cấu hình mức mạng, người ta có thể sử dụng một chỉ số mặt nạ bit để thu thập các phép đo. Mặt nạ bit này chính là một tiền tố mạng và nó xác định các bit cho các địa chỉ IP và chiều dài mặt nạ mạng của các mạng cục bộ được gắn vào một bộ định tuyến biên nhất định. 2.6.5 Giám sát hiệu năng tín hiệu quang Một mô hình khối kĩ thuật lưu lượng tinh vi sẽ thiết kế mạng và mô hình dựa theo các nhu cầu lưu lượng và tận dụng các tài nguyên mạng tuỳ theo độ khả dụng tài nguyên và các điều kiện ràng buộc QoS tín hiệu. Trong một chừng mực nào đó các đặc tính tầng quang ảnh hưởng tới việc quyết định ở mức mạng. Chẳng hạn như QoS tín hiệu có thể giới hạn số lượng các kênh bước sóng được hỗ trợ bởi một tuyến nối quang và hơn thế nữa là tốc độ dữ liệu được hỗ trợ bởi mỗi bước sóng. Hơn thế, QoS tín hiệu quang chứa đựng các yếu tố động không thể có trong các tín hiệu điện truyền thống. Nếu không xem xét các đặc tính tầng WDM thì chỉ có thể hi vọng rằng tầng WDM không có một điều kiện ràng buộc tài nguyên nào. Một khi mô hình IP ảo (dựa trên nhu cầu lưu lượng) đã được tạo ra, giả sử rằng mô hình đó luôn được hỗ trợ bằng việc sử dụng các kênh quang. Khi muốn tính toán nhiều tuyến đi ngắn nhất đồng thời đạt được tối ưu hoá thì quá trình sẽ trở nên phức tạp hơn nhiều. Trong một nền tảng IP/WDM tích hợp, các đặc tính WDM quang như vậy cần phải được liên kết với các giao thức điều khiển IP thích ứng. Một mạng WDM có thể có hệ thống quản lí lỗi của riêng nó nhưng nó nên được tích hợp chặt chẽ với điều khiển IP. Như thế mạng IP/WDM tích hợp vẫn chứa đựng những đặc tính chính của IP là độ mềm dẻo và khả năng thích ứng. Giám sát hiệu năng trong các mạng toàn quang là quá trình tốn kém, đòi hỏi việc chia tín hiệu quang nhờ sử dụng các thiết bị đặc biệt hoặc tại NE. Tuy nhiên, sau khi chia tách, tín hiệu quang ban đầu bị giảm chất lượng và do đó khoảng cách truyền dẫn bị giảm nếu không có tái tạo tín hiệu. Hiện nay sự tái tạo tín hiệu miền quang (chẳng hạn như sử dụng các bộ thu phát quang) là chưa chín muồi và rất tốn kém. Vì vậy trong thực tế hiện nay, giám sát hiệu năng cho các mạng toàn quang theo một mô hình mềm dẻo vẫn là một vấn đề mở. Trong các mạng quang O-E-O, QoS tín hiệu trở nên đơn giản hơn vì tại mỗi hop các tín hiệu quang lại được tái tạo lại. 2.7 Kĩ thuật lưu lượng MPLS IP cung cấp một giải pháp biến đổi tương đối đơn giản trong đó các gói tin được chuyển tiếp trên từng đoạn dựa trên thông tin đích ở phần tiêu đề gói tin và bảng định tuyến cục bộ. Mục đích của kĩ thuật lưu lượng MPLS là tối ưu hoá sự tận dụng tài nguyên mạng bằng cách điều khiển một cách chính xác các dòng lưu lượng trong miền định tuyến của nó. Để lựa chọn đường đi, kĩ thuật lưu lượng MPLS có thể được sử dụng cho hai mục đích là cân bằng tải và giám sát mạng: Cân bằng tải: được sử dụng để cân bằng các dòng lưu lượng trên mạng giúp tránh nghẽn, các điểm nóng và các thắt cổ chai. Nó được thiết kế một cách đặc biệt để tránh các tình huống trong đó một vài thành phần của mạng bị sử dụng quá mức trong khi các thành phần khác lại không được sử dụng hết công suất. Giám sát mạng: được sử dụng để giám sát mạng một cách toàn cục. 2.7.1 Cân bằng tải Trong một mạng IP, nằm giữa các node có thể hình thành đa đường cùng chi phí. Nếu không có sự hỗ trợ của định tuyến hiện hoặc cân bằng tải thì một đường sẽ được chọn một cách ngẫu nhiên. Hình 2.7 chỉ ra một hiện tượng rất phổ biến trong đó tất cả lưu lượng được chuyển tiếp dọc theo một đường. Kết quả là đường đó bị nghẽn trong khi các đường khác có cùng chi phí lại vẫn rỗi. Để giải quyết điều này, OSPF giới thiệu một kĩ thuật là đa đường đồng chi phí (ECMP). Kĩ thuật này sẽ phân bố tải trên đa đường. Có ba phương pháp đã được đề xuất để phân chia tải lên đa đường đồng chi phí: Chuyển tiếp gói tin theo vòng tròn: phương pháp này thực hiện chuyển tiếp các gói tin theo một vòng kín giữa đa đường. Chuyển tiếp vòng tròn loại bỏ sự kết hợp dữ liệu hay sự hình thành chuỗi gói tin và do đó loại bỏ hiệu năng thấp TCP. Phương pháp này chỉ áp dụng được nếu như các trễ trong đa đường là xấp xỉ nhau. Phân chia các tiền tố đích giữa các hop kế tiếp sẵn sàng: đây là một phương pháp thô giúp tránh kết hợp lưu lượng bằng cách chia lưu lượng dựa trên tiền tố trong địa chỉ đích của gói tin. Phương pháp này có thể áp dụng với một WAN tốc độ cao nhưng các tiền tố ngắn là một vấn đề khó khăn vì khi đó thì phần lớn các gói tin sẽ được định tuyến tới một tiền tố duy nhất. Băm đối với một cặp nguồn – đích: phương pháp này sử dụng một hàm băm, chẳng hạn như CRC-16. Nó được áp dụng đối với địa chỉ nguồn và địa chỉ đích trong gói tin. Không gian băm được phân chia đều giữa các đường sẵn sàng bằng việc thiết lập các ngưỡng hay thực hiện một thuật toán modun. Như vậy, lưu lượng giữa cặp nguồn và đích luôn ở trong cùng một đường. Phương pháp này có thể áp dụng cho các WAN tốc độ cao. Hình 2.7 Hiện tượng trên mạng khi không có cân bằng tải Kĩ thuật lưu lượng MPLS phức tạp hơn ECMP ở ít nhất hai khía cạnh. Thứ nhất, MPLS cung cấp lựa chọn đường tối ưu. Về mặt toàn cục, ECMP chỉ cố gắng chia đều tài trên các đường đồng chi phí mà không cố gắng ấn định các dòng một cách tối ưu cho đa đường cũng như không có hiểu biết về độ sẵn sàng và các điều kiện tải động của đa đường. Kĩ thuật lưu lượng MPLS, thông qua cơ chế tràn lụt LSA mờ OSPF, xây dựng và duy trì một cơ sở dữ liệu kĩ thuật lưu lượng. Cơ sở dữ liệu này chứa thông tin kĩ thuật lưu lượng liên quan tới mỗi tuyến nối về băng thông tổng, băng thông sẵn sàng, băng thông đã đặt trước và băng thông có thể đặt trước. Dựa trên cơ sở dữ liệu kĩ thuật lưu lượng, kĩ thuật lưu lượng MPLS có khả năng thực hiện ấn định dòng tối ưu trong một môi trường mạng động. Rõ ràng là một phân chia tải đồng đều cho đa đường chưa hẳn luôn luôn là tối ưu. Ví dụ như, một phần của một đường đồng chi phí bị quá tải trầm trọng trong khi các đường khác chỉ quá tải nhẹ hoặc thậm chí là rỗi. Một cơ chế cân bằng tải tối ưu nên gán các dòng lưu lượng cho các đường theo tỉ lệ ngược với lưu lượng đã được sử dụng trong đường đó. IETF OSPF-OMP (đa đường tối ưu) đã khuyến nghị triển khai các LSA mờ LSA_OMP_LINK_LOAD và LSA_OMP_PATH_LOAD. LSA mờ LSA_OMP_LINK_LOAD bao gồm các thông tin sau: Tải tuyến trong mỗi hướng được đo bằng một phần của dung lượng tuyến. Tốc độ mất gói tin phụ thuộc vào tràn dòng hàng đợi trong mỗi hướng. Dung lượng tuyến được thể hiện dưới dạng kB/s. LSA mờ LSA_OMP_PATH_LOAD bao gồm các thông tin sau: Tải lớn nhất trong một hướng từ nguồn tới đích được biểu diễn như là một phần của dung lượng tuyến. Cần chú ý rằng tuyến có tải cao nhất chưa chắc đã là tuyến có dung lượng sẵn sàng thấp nhất. Tổng gói tin bị mất trong mỗi hướng từ nguồn tới đích phụ thuộc tràn dòng hàng đợi. Nó có thể tính theo công thức sau: trong đó Lpath là tốc độ mất gói cho đường và Llink là tốc độ mất gói cho mỗi tuyến trên đường. Dung lượng tuyến nhỏ nhất trên đường trong mỗi hướng từ nguồn tới đích. Để điều chỉnh tải đường cân bằng một cách chính xác, OSPF-OMP cũng định nghĩa tải tương đương và phần được tải quan trọng. Tải tương đương xuất phát từ việc sử dụng tải phân mảnh thực tế được ghép kênh bởi một thông số ước lượng dựa trên mức độ tổn thất nhất định theo đó TCP được hi vọng là giảm xuống để tránh tắc nghẽn. Đối với mọi tập đa đường, phần của đường có tải tương đương cao nhất được coi là phần tải quan trọng. Hơn nữa, mỗi đường trong một cấu trúc hop kế tiếp nắm giữ ba biến sau: chia sẻ lưu lượng, số gia bước và đếm bước. Cơ chế OSPF-OMP điều chỉnh tải của mỗi đường theo cách sau: Số gia bước của đường sẽ không đổi nếu đường chứa phần tải quan trọng Nếu đường không chứa phần tải quan trọng nhưng phần tải quan trọng đã thay đổi thì đường đó sẽ chứa các phần tải quan trọng trước đó. Đường đó sẽ được điều chỉnh như sau: Số gia bước được thiết lập giá trị thấp nhất trong số các đường chứa phần tải quan trọng. Thiết lập số gia bước bằng một nửa giá trị ban đầu. Nếu đường đó không chứa phần tải quan trọng và đường đó không chứa phần tải quan trọng trước đó cũng như phần tải quan trọng chưa thay đổi thì số gia bước sẽ được tăng. Hình 2.8 miêu tả một ví dụ cân bằng tải sử dụng OSPF-OMP, trong đó tại bộ định tuyến d, lưu lượng đến bộ định tuyến các được chia ra hai đường sẵn sàng. Bằng cách áp dụng một hàm băm đối với cặp nguồn và đích tại bộ định tuyến d, lưu lượng từ a tới c được chuyển tiếp trên một đường trong khi lưu lượng từ b tới c được gán cho một đường khác. Hình 2.8 OSPF-OMP So với ECMP, kĩ thuật lưu lượng MPLS cung cấp khả năng định tuyến đường hiện. Kết quả là, kĩ thuật lưu lượng MPLS có khả năng tính toán và thiết lập các LSP. Chúng có thể thay đổi hoàn toàn tính chất của chuyển tiếp liền kề. Trong trường hợp các mạng chưa tận dụng hết tài nguyên thì các quyết định định tuyến sẽ được quyết định chủ yếu bởi việc giảm thiểu trễ. Trong các mạng tận dụng hết tài nguyên thì các quyết định định tuyến phải xem xét tới các tuyến nối dung lượng nhỏ và các tuyến nối chịu tải trọng lớn. Nhờ có cân bằng tải sự tận dụng mạng sẽ được tối ưu. Tuy nhiên, khi sự tận dụng phát triển hơn, việc cân bằng tải bằng cách điều chỉnh chi phí tuyến nối sẽ không còn phù hợp nữa vì khi đó mạng đã đạt hoặc gần đạt dung lượng tối đa của nó. MPLS-OMP sử dụng cùng một cơ chế cân bằng tải như trong OSPF-LMP. Sự khác biệt giữa hai cơ chế này nằm ở khả năng của MPLS trong việc thiết lập/loại bỏ LSP. Bằng cách tăng các kênh để đáp ứng sự phát triển lưu lượng, kĩ thuật lưu lượng MPLS hi vọng sẽ tránh được các điểm nóng hay nghẽn để cực đại hoá sự tận dụng hay thông lượng mạng. Từ quan điểm lối vào, mỗi khi một LSP được thiết lập, LSP đó tiếp cận được lối ra trở thành một láng giềng ảo và tình trạng tải của nó được thiết lập một cách tương ứng. Nếu có đa đường giữa hai node đó (lối vào và lối ra), tải được chia ra các đường đó. Như thế các đường chưa được tận dụng có thể bị xoá khỏi chuyển tiếp liền kề. Hình 2.9 MPLS-OMP Hình 2.9 miêu tả một ví dụ của cân bằng tải sử dụng MPLS-OMP, trong đó bộ định tuyến d là một bộ định tuyến lối vào MPLS và khởi tạo một LSP từ bộ định tuyến d tới bộ định tuyến c. Một khi LSP đó được thiết lập, chuyển tiếp liền kề (nghĩa là cấu trúc hop kế tiếp) sẽ được cập nhật tại bộ định tuyến d sao cho bộ định tuyến c trở thành bộ định tuyến ảo liền kề với nó. Bằng cách thu thập tải đường LSP, LSP này được cấu hình để không chỉ mang lưu lượng xuất phát từ node b. Theo cách này, lưu lượng được phân bố dựa trên độ sẵn sàng và dung lượng của tài nguyên. Chú ý rằng ví dụ này không có ý định chỉ ra sự nhất thiết bổ sung một LSP. Nó chỉ thể hiện ấn định dòng theo phương pháp MPLS-OMP. 2.7.2 Giám sát mạng Kĩ thuật lưu lượng MPLS cũng có thể được sử dụng để giám sát mạng bằng cách sử dụng lập kế hoạch mạng dài hạn hoặc tương đối ngắn hạn. Thông qua thiết lập/huỷ bỏ LSP động, kĩ thuật lưu lượng MPLS có thể hỗ trợ rất nhiều loại ứng dụng khác nhau từ VPN tĩnh và VPN động tới LAN ảo. Các LSP ảo có thể được cài đặt hoặc loại bỏ dựa trên sự phân bố lưu lượng đo được. Hai nhiệm vụ của kĩ thuật lưu lượng MPLS (cho việc giám sát mạng) là thiết kế LSP và ấn định dòng. Thiết kế LSP xác định đường định tuyến và khoảng thời gian sống của LSP đó, trong khi ấn định dòng sẽ ánh xạ các dòng trong mạng lên các tài nguyên có sẵn bao gồm cả các LSP. Cả hai nhiệm vụ đều có các vấn đề về tối ưu hoá toán học cổ điển. Thiết kế LSP có thể coi như một bài toán tìm đường tối ưu. Dựa trên ma trận và mục tiêu tối ưu hoá, các bài toán tìm đường tối ưu có thể phân loại thành bài toán tìm đường ngắn nhất, bài toán tìm đường dung lượng tối đa, bài toán tìm đường phân mảnh, hay bài toán tìm đường nhanh nhất. Ấn định dòng có thể coi là bài toán trong đó mỗi dòng lưu lượng có một nhu cầu nhất định và một cặp nguồn đích tương ứng. Đối với lược đồ đơn hướng G, một node đặc biệt s, được gọi là nguồn và một node t được gọi là đích, bài toán này có thể được biểu diễn như là một chương trình tuyến tính có dạng như sau: Trong biểu thức này, k biểu diễn kết quả, thể hiện k dòng trên tuyến (i,j) và ui,j và là các số dương biểu diễn dung lượng tổng của tuyến (i,j) và dung lượng tổng của kết quả k và Fk biểu diễn dòng tổng qua mạng cho kết quả k. Mục tiêu của bài toán đa kết quả là tối ưu hoá . Vì đây là một bài toán tuyến tính (hàm kết quả và các hằng số là các hàm tuyến tính của các biến) nên nó có thể được giải nhờ sử dụng các phương pháp LP. Khó khăn ở đây chính là làm thế nào để tương tác hai nhiệm vụ này với nhau. Ví dụ như khi nào thì khởi động một thiết lập LSP? Xu hướng tối ưu hoá toàn cục cố gắng tích hợp thiết kế LSP và ấn định dòng nhưng lại gặp phải khó khăn vì độ phức tạp rất lớn. Xu hướng tối ưu hoá cục bộ chia các nhiệm vụ thành các giai đoạn khác nhau. Trong mỗi giai đoạn, phương pháp tối ưu hoá có thể được triển khai một cách độc lập nhau. CHƯƠNG III TÁI CẤU HÌNH TRONG KĨ THUẬT LƯU LƯỢNG IP/WDM 3.1 Tái cấu hình mô hình ảo đường đi ngắn nhất Trong các mạng WDM có khả năng tái cấu hình, liên kết IP được xây dựng trên các đường đi ngắn nhất WDM đa hop. Một lợi ích về mặt chi phí của mạng quang WDM là nó có thể hoạt động mà chỉ cần sự hỗ trợ tương đối nhỏ (đặc biệt là trong mạng đường trục). Điều này có nghĩa là nhiều kết nối IP khác nhau có thể chia sẻ cùng một tuyến nối vật lí chung và tuyến nối ảo IP sẽ được định tuyến qua các hop chuyển mạch WDM. Hình 3.1 mô tả mô hình ảo và định tuyến trong các mạng WDM tái cấu hình được. Có ba thành phần chính trong sơ đồ: Định tuyến lưu lượng Thiết lập cấu hình IP Định tuyến đường đi ngắn nhất Định tuyến lưu lượng chính là định tuyến gói tin truyền thống, ví dụ như OSPF. Thiết lập cấu hình IP sẽ được trình bày trong phần này. Trong khi đó định tuyến đường đi ngắn nhất cung cấp khả năng ánh xạ từ mô hình IP ảo sang mô hình WDM vật lí. Định tuyến đường đi ngắn nhất bao gồm hai mặt liên quan mật thiết với nhau: chọn đường đi trong sợi và gán bước sóng. Định tuyến đường đi ngắn nhất có thể được triển khai theo một trong hai cách sau: Định tuyến đường đi ngắn nhất tĩnh: phương pháp này tính toán trước và lưu trữ các đường đi định tuyến. Các đường dự phòng thay thế cho mỗi đường đi chính cũng có thể được tính toán và lưu trữ sẵn. Gán bước sóng được thực hiện ngay khi có yêu cầu kết nối đường đi ngắn nhất. Phương pháp này sử dụng các cơ chế gán bước sóng rất đơn giản. Gán bước sóng có thể thực hiện theo cơ chế ngẫu nhiên hoặc cơ chế chọn kênh sóng phù hợp đầu tiên. Định tuyến đường đi ngắn nhất thích ứng: phương pháp này sử dụng thuật toán SPF (chọn đường đi ngắn nhất đầu tiên) động để định tuyến. Thuật toán này đòi hỏi thông tin về trạng thái tuyến nối phải được phổ biến tới các node. Vì sự xuất hiện của các cơ sở dữ liệu trạng thái tuyến nối mang tính cục bộ nên gán bước sóng có thể trở nên phức tạp hơn. Một số cơ chế gán bước sóng là: chọn kênh bước sóng có tải ít nhất, được sử dụng nhiều nhất hay có tốc độ dữ liệu kết nối phù hợp nhất. Hình 3.1 Thiết kế và định tuyến mô hình ảo Thiết kế mô hình IP và định tuyến đường đi ngắn nhất là các chức năng mặt phẳng điều khiển trong khi đó định tuyến lưu lượng là thành phần duy nhất được sử dụng để chuyển tiếp gói tin cũng như định tuyến gói tin. Vì cả thiết kế mô hình ảo và định tuyến đường đi ngắn nhất là các chức năng mặt phẳng điều khiển nên hai thành phần này có thể được kết hợp hoặc kết nối rất gần nhau. Phương pháp kết nối gần nhau dùng cho giải pháp kĩ thuật lưu lượng IP/WDM chồng lấn trong khi phương pháp kia dùng cho giải pháp kĩ thuật lưu lượng IP/WDM tích hợp. Trong một ứng dụng kĩ thuật lưu lượng riêng rẽ thì định tuyến đường đi ngắn nhất dựa trên các điều kiện ràng buộc có thể bổ sung như là một công cụ đánh giá cho thuật toán thiết kế mô hình. Phương pháp này đảm bảo rằng mô hình được thiết kế có thể trở thành hiện thực trong tầng WDM với các dung lượng hiện có. Trong mạng IP/WDM chồng lấn, tầng chủ có thể do một nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn cung cấp. Họ cung cấp cho nhiều máy khách dịch vụ khác nhau, chẳng hạn như các khách hàng VPN. Với hình thức như thế thì một khách hàng tại tầng IP sẽ thuê các dịch vụ truyền dẫn từ mạng WDM. Trong hợp đồng dịch vụ, khách hàng sẽ chỉ rõ một tập các bộ định tuyến IP cố định kết nối trực tiếp với mạng WDM. Tầng WDM cung cấp các kết nối ngắn nhất giữa các bộ định tuyến đó. Tuy nhiên, không giống các kết nối đường dây thuê riêng trong các VPN hiện nay, sự sắp xếp của các kết nối ngắn nhất ảo ấy là không cố định. Trong khi số lượng các kết nối ngắn nhất ấy là cố định hoặc có giới hạn thì mỗi kết nối đường đi ngắn nhất có thể được gán lại để kết nối một cặp bộ định tuyến khác nhau, đáp ứng theo sự thay đổi động các kiểu yêu cầu lưu lượng khác nhau. Điều này đòi hỏi một thuật toán thiết kế mô hình ảo tại tầng IP. Ở đây, mô hình ảo là một sơ đồ chứa các node và các tuyến nối. Các node này là các bộ định tuyến trong khi các tuyến nối là các kết nối đường đi ngắn nhất WDM. Tiếp theo, đồ án sẽ trình bày về vấn đề này và sau đó chỉ ra một số giải pháp tại thời điểm hiện tại. Một số thuật toán dựa trên kinh nghiệm để tối ưu hoá thông lượng mạng và/hoặc khoảng cách hop cũng sẽ được giới thiệu. Các kết luận dựa trên kinh nghiệm này có thể được sử dụng để phát triển một thuật toán mới đáp ứng các mục tiêu khác nhau. 3.1.1 Mô hình ảo có quy tắc và bất quy tắc Mô hình có quy tắc tức là mô hình có các kết nối node theo một kiểu xác định rõ ràng trong khi mô hình bất quy tắc thường được xây dựng động để tối ưu hoá các ma trận hiệu năng nhất định. Mô hình có quy tắc được xây dựng và tồn tại dựa trên các nghiên cứu có tính hệ thống và các khái niệm được chấp nhận rộng rãi. Định tuyến và quản lí trong mô hình có quy tắc thường đơn giản nhưng bổ sung hoặc loại bỏ một node bất kì trong một mô hình có kiến trúc (trong khi vẫn duy trì mô hình đó) là rất khó khăn. Một số ví dụ của mô hình có quy tắc là: Ring Shuffle-Net Manhattan Street Network (MSN hay 2D Torus) GEMNet HyperCube deBruijn Graph Các mô hình có quy tắc trên thường có độ phức tạp định tuyến thấp và là đối xứng trong khi sự khác biệt của chúng nằm ở số lượng các bộ thu phát cần thiết, khả năng mở rộng và khả năng chấp nhận lỗi. Ví dụ như một mạng n–aray hypercube với N node cần (n-1)lognN bộ thu phát cho mỗi node và sẽ có khoảng cách hop trung bình là lognN và đường kính mạng là lognN. So với nó thì một MSN chỉ cần hai bộ thu phát cho một node nhưng cả khoảng cách hop trung bình và đường kính mạng đều bằng . Mô hình Shuffle-Net cũng có khoảng cách hop trung bình nhỏ hơn MSN vì với một bước sóng cho trước, nó có nhiều đường lựa chọn hơn từ node một đầu cuối tới một node đầu cuối bất kì khác. Tuy nhiên, nó cần nhiều bộ thu phát cho một node hơn. Cụ thể trong trường hợp này là n cho một node. Trong phần còn lại, các mô hình bất quy tắc sẽ được xem xét cụ thể vì chúng có thể được tối ưu hoá để hỗ trợ các kiểu lưu lượng đồng dạng và không đồng dạng nhất định. 3.1.2 Thiết kế mô hình Khi thiết kế mô hình thì các mục tiêu hiệu năng được lựa chọn là khác nhau. Các mục tiêu này là nhân tố quyết định và có hai kiểu mục tiêu cơ bản. Một kiểu là hướng ứng dụng, nghĩa là nó thường liên quan tới tỉ lệ QoS ở mức ứng dụng ví dụ như trễ từ đầu cuối tới đầu cuối. Kiểu còn lại là hướng mạng, nghĩa là nó thường có liên quan tới các mức tận dụng tài nguyên mạng, ví dụ như thông lượng tổng. Thông tin đầu vào của thiết kế mô hình là ma trận nhu cầu lưu lượng. Với một mạng IP gồm N bộ định tuyến, ma trận lưu lượng là một ma trận T có kích thước N x N, trong đó phần tử T(i,j) là dòng lưu lượng tổng (đo dưới dạng b/s) từ bộ định tuyến i tới bộ định tuyến j. Các giá trị của các phần tử có thể được xác định nhờ các kĩ thuật dự đoán nhất định dựa trên các kết quả đo hiện tại. Phần dự đoán xu hướng lưu lượng sẽ được xem xét riêng, còn phần này sẽ tập trung đề cập tới các vấn đề thiết kế mô hình. Do vậy, có thể định nghĩa ma trận nhu cầu lưu lượng, T(i,j), bằng với các phép đo độ lớn lưu lượng giữa bộ định tuyến i và bộ định tuyến j trong một cửa sổ thời gian điều khiển được. Thuật toán thiết kế mô hình có thể rút ra từ các công cụ phần mềm dự đoán cho nhu cầu băng thông dòng lưu lượng IP. Các điều kiện khởi tạo có mối quan hệ mật thiết với thuật toán và mục tiêu tối ưu hoá. Thuật toán thiết kế mô hình chấp nhận hai kiểu khởi tạo. Kiểu đầu tiên là các thông số cảm ứng từ mạng, ví dụ như tình trạng tải tuyến nối là điều kiện cho thích ứng tự động. Kiểu thứ hai là các quyết định quản trị từ bên ngoài mạng, ví dụ như sử dụng thuật toán thiết kế mô hình nhờ giám sát dự đoán. 3.1.3 Một số thuật toán dựa trên kinh nghiệm Thiết kế mô hình có thể sử dụng các thuật toán dựa trên kinh nghiệm. Một thuận lợi của việc sử dụng các kinh nghiệm trong một thuật toán tối ưu có đòi hỏi khắt khe trong việc thiết kế mô hình ảo chính là sự mềm dẻo. Trong khi thiết kế một thuật toán dựa trên kinh nghiệm, ta có thể tập trung vào một số mặt khác nhau mà vẫn giảm được chi phí tính toán. Thuật toán thiết kế mô hình đường đi ngắn nhất dựa trên kết quả điều tra Tồn tại ba thuật toán kiểu này: thuật toán thiết kế mô hình dựa trên kinh nghiệm (HTDA), thuật toán thiết kế mô hình logic trễ tối thiểu (MLDA) và thuật toán thiết kế mô hình logic không phụ thuộc lưu lượng (TILDA). HTDA cố gắng tạo ra các đường đi ngắn nhất giữa các cặp node theo trật tự nhu cầu lưu lượng giảm dần. Khi đã có cấp của node mạng, một đường đi ngắn nhất sẽ được tạo ra để đáp ứng nhu cầu lưu lượng tối đa chưa được mang. Quá trình này sẽ tiếp tục cho tới khi không còn tài nguyên mạng nữa. Nếu tất cả nhu cầu lưu lượng đã được ấn định, phần còn lại của tài nguyên mạng sẽ được lựa chọn ngẫu nhiên để hình thành các đường đi ngắn nhất cho tới khi các tài nguyên đã cạn kiệt. Ý tưởng cho thuật toán này xuất phát từ việc nên định tuyến lưu lượng lớn trên một kết nối đơn hop. MLDA thiết lập các đường đi ngắn nhất giữa cặp node liền kề và sau đó HTDA được dùng để ấn định các tài nguyên còn lại tuỳ theo các điều kiện ràng buộc. Ở đây MLDA là một mở rộng của HTDA trong trường hợp cấp mạng logic là cao hơn cấp mạng vật lí. TILDA không quan tâm tới nhu cầu lưu lượng mà tập trung vào việc tối thiểu hoá số lượng bước sóng cần sử dụng. TILDA trước tiên sẽ xây dựng các đường đi ngắn nhất đơn hop và sau đó là các đường đi hai hop. Thuật toán này sẽ tiếp tục thiết lập các đường đi ngắn nhất cho tới khi các điều kiện ràng buộc được đáp ứng. Một thuật toán khác cũng đã được đề xuất gồm hai thuật toán nhỏ hơn: lược đồ tối đa hoá lưu lượng đơn hop dựa trên LP (OHTMS) và lược đồ ghép thông qua loại bỏ tuyến nối (LEMS). OHTMS tương tự như HTDA ở điểm nó cố gắng tối đa hoá tổng lưu lượng đơn hop trong khi vẫn duy trì khả năng kết nối của mô hình ảo. LEMS trước tiên sẽ cố gắng tạo một mô hình ảo hoà