Chương 2: Kĩ thuật lưu lượng IP/WDM

Chương 2: 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: xh  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) =   n i i n i 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 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:                 )1(, L R -exp R L 1)(RL1, z)L,,Wait(R,    RLz Pz 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.