ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CÔNG NGHỆ
PHẦN MỀM “KĨ THUẬT LƯU LƯƠNG
IP/WDM”

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:

n
0
!
!



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:
R
L.







Từ quan điểm của người sử dụng thì đặc tính quan trọng là QoS. QoS được
biểu diễn bởi P
z
, 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





RLz
P
z

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

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.

t
2

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:
))1()()(
2
1
exp()(
)1(2)1(2221 HHHH
BHHmCamBQP


Giả thiết rằng người ta cần xác xuất tràn dòng ở trên bị chặn nghĩa là:
P(Q > B)

exp (-
2
2
z
)
thì biểu thức cho tốc độ dịch vụ của hàng đợi C sẽ có dạng như sau:






dhFF ,
0

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:
0
F
01

eFF 
Trong đó γ là thông số mô hình được ước lượng từ các phép đo lưu lượng.
Giả thiết rằng W
0
và W
1
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:
0
01
W
w
eW


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).


 )1(
)1(
)1(
12

hF
hA
FF

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:









)1(
)1(
)(
)(
hF
hA
hF
hA

)1(
)(
)(

















hF
hA
E
hF
hA
hF
hA
E



1
1
1
2
1
2
1
)1(),,,(


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:
N
iT
m
N
i



1
)(

và giá trị ước lượng của phương sai sẽ là:
1
))((
1

ban
đầu nhờ các khối không chồng lấn có độ lớn m. Nghĩa là:
 
kmmkm
m
k
XX
m
X 


1
1
)(

Sau đó đối với các quá trình phụ thuộc dải dài thì ta sẽ có:


)1(2)( Hm
mXV



Do đó, nếu chúng ta vẽ


(m)
XlogV
theo log(m) thì độ dốc của đồ thị sẽ chính
là

2
) 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(E
2
) trong đó E là số lượng kết nối trong
mạng.
 Các thông số dự đoán lưu lượng F
1
, F
2
, F
3
: đối với mỗi dòng lưu lượng,
các thông số dự đoán băng thông F
1
, F
2
, F
3
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(N
2

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

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