Đề tài Khảo sát kỹ thuật lưu lượng IP trên mạng quang WDM

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 kỹ 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. 2.6. Kỹ 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 kỹ 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, kỹ 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. 2.6.1. 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 kỹ thuật là đa đường đồng chi phí (ECMP). Kỹ 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 Kỹ 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. Kỹ 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 kỹ 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 kỹ thuật lưu lượng, kỹ 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. 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: (2.23) 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, kỹ thuật lưu lượng MPLS cung cấp khả năng định tuyến đường hiện. Kết quả là, kỹ 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, kỹ 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. 2.6.2. Giám sát mạng Kỹ thuật lưu lượng MPLS 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, kỹ 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 kỹ 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: (2.24) 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. CHƯƠNG 3. TÁI CẤU HÌNH VÀ PHẦN MỀM TRONG KỸ 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 kỹ thuật lưu lượng IP/WDM chồng lấp trong khi phương pháp kia dùng cho giải pháp kỹ thuật lưu lượng IP/WDM tích hợp. Trong một ứng dụng kỹ 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 lấp, 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. 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. 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. 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 kỹ 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. Một số thuật toán 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. 3.4.1. Thuật toán thiết kế mô hình đường đi ngắn nhất 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 (O