LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN CÂN BẰNG TẢI TRONG TRUYỀN DỮ LIỆU NHIỀU KẾT NỐI

LUẬN VĂN THẠC SỸ CNTT

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên Mai Quốc Duy LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin chân thành bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến thầy TS. Võ Văn Khang đã nhiệt tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Kể từ lúc tôi đề xuất đề tài với thầy cho tới hôm nay, thầy đã dành nhiều thời gian để hướng dẫn phương pháp nghiên cứu khoa học, xác định mục tiêu của đề tài và đặc biệt là luôn theo sát tiến độ nghiên cứu của tôi để có những góp ý kịp thời. Ngoài những kiến thức thầy truyền đạt, tôi còn học được ở thầy một phong cách làm việc rất khoa học, nghiêm túc và đầy trách nhiệm. Tiếp theo, tôi vô cùng cảm ơn anh em kỹ thuật đang làm việc tại công ty NetNam đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể ứng dụng kết quả luận văn vào môi trường thực tế. Những lúc ngoài giờ, những anh em này đã cùng tôi xây dựng hệ thống test trên mạng nội bộ của công ty. Chính nhờ vậy mà tôi đã có cơ hội kiểm chứng được tính hiệu quả của giải thuật cũng như chương trình cân bằng tải đã đề xuất. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn quý thầy cô Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức nền tảng cho tôi. Xin chúc tất cả quý thầy cô và các anh em kỹ thuật tại công ty NetNam luôn tràn đầy sức khỏe và thành công trong mọi lĩnh vực! TP.HCM, ngày 01 tháng 08 năm 2013 Học viên Mai Quốc Duy 3 MỤC LỤC 4 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt IP Internet Protocol Giao thức Internet QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ VM Virtual Machine Máy ảo 5 DANH MỤC BẢNG 6 DANH MỤC HÌNH VẼ 7 Chương 1 GIỚI THIỆU Chương 1 giới thiệu chung về hiện trạng, nhu cầu và xu hướng chọn lựa giải thuật cân bằng tải trong hệ thống mạng. Chương này cũng trình bày mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Cuối chương nêu tóm tắt bố cục của toàn luận văn. 1.1 Hiện trạng Ngày nay, mạng internet là một thành phần không thể thiếu của hầu hết các doanh nghiệp. Nhờ có internet mà các công ty có thể giao dịch kinh doanh với thế giới bên ngoài một cách nhanh chóng, hiệu quả. Nói cách khác, internet đã trở thành một nhu cầu thiết yếu cho sự phát triển của các tổ chức. Nếu hệ thống internet của doanh nghiệp bị lỗi, chắc chắn hoạt động kinh doanh sẽ gặp rất nhiều khó khăn. Do đó, các doanh nghiệp thường thuê ít nhất hai đường truyền internet từ hai ISP khác nhau để có thể dự phòng lẫn nhau. Sau khi có nhiều đường truyền internet rồi thì doanh nghiệp lại phải nghĩ cách để sử dụng tối ưu các đường đã thuê. Nếu như chọn giải pháp một đường chính, đường còn lại làm dự phòng thì đường truyền chính của công ty có thể bị nghẽn vào giờ cao điểm trong khi đường dự phòng lại đang không có lưu lượng. Trong trường hợp này, doanh nghiệp buộc phải chi thêm tiền để thuê thêm băng thông từ nhà cung cấp. Giải pháp này xem ra lãng phí về kinh tế và kém hiệu quả về kỹ thuật. Có một giải pháp khác mà hiện nay các doanh nghiệp thường sử dụng để có thể khắc phục được các hạn chế ở trường hợp vừa trình bày đó là: xây dựng hệ thống cân bằng tải. Nhờ cơ chế cân bằng tải mà doanh nghiệp có thể sử dụng đồng thời các đường truyền internet mà họ đã thuê, trong khi với giải pháp “một đường chính, đường còn lại dự phòng” thì không làm được điều này. Đó chính là lý do mà ngày nay có rất nhiều doanh nghiệp sử dụng cơ chế cân bằng tải cho đường truyền 8 internet để vừa tiết kiệm chi phí cho doanh nghiệp trong thời buổi kinh doanh khó khăn hiện nay, vừa tạo sự ổn định cho các hoạt động kinh doanh qua internet. 1.2 Nhu cầu và xu hướng cân bằng tải Cân bằng tải đã giúp doanh nghiệp sử dụng “đồng thời” các đường truyền internet mà họ đã thuê. Trước đây, tiện ích này đã làm thõa mãn được nhu cầu của doanh nghiệp. Nhưng hiện tại thì chưa, bởi theo quy luật phát triển thì đòi hỏi của con người sẽ luôn tăng theo thời gian. Cái họ cần là cơ chế cân bằng tải phải thông minh hơn nữa. Cụ thể là phải sử dụng “tối ưu” các đường truyền internet mà họ đã thuê (không phải chỉ là sử dụng “đồng thời” như trước đây). Do đó đã có rất nhiều giải thuật cân bằng tải lần lượt được phát minh để có thể đáp ứng nhu cầu thực tế. Bảng 1.1 dưới đây trình bày một số loại phổ biến hiện nay: Bảng 1.1: Vài giải thuật cân bằng tải hiện nay STT Tên giải thuật cân bằng tải Tiêu chí cân bằng tải 1 Round robin (RR) Băng thông2 Weighted round robin (WRR) 3 Least used 4 Fastest response time (FRT) Độ trễ Loại 1, 2 và 3 trong bảng 1.1 chỉ dựa vào yếu tố băng thông để cân tải. Ba loại này thuộc nhóm “cân tải để lưu lượng chạy đồng thời”. Trong khi đó, loại 4 lại dựa vào tiêu chí độ trễ để truyền lưu lượng. Nếu chỉ dựa vào thời gian đáp ứng thôi thì chưa thể xếp loại này vào nhóm “cân tải để lưu lượng chạy hiệu quả” (vì giả sử đường truyền 1 luôn có độ trễ tốt nhất thì tất cả lưu lượng đều đi qua đường truyền 1? Nếu như thế thì không thể hiện sự cân tải trong giải thuật này. Hoặc nếu đường truyền 1 có độ trễ tốt nhưng tỉ lệ rớt gói cao thì sao? ) Tóm lại, hiện nay chưa có một giải thuật nào thuộc nhóm “cân tải để lưu lượng chạy hiệu quả”. Bắt kịp xu thế hiện tại, cũng như nắm được mong muốn của các doanh nghiệp, trong luận văn này em sẽ trình bày một giải thuật mới với mục tiêu sẽ cân tải thật sự hiệu quả hơn các giải thuật đã được biết trước đây. 9 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 1.3.1 Xây dựng một giải thuật cân bằng tải mới và hiệu quả. Giải thuật này có 2 đặc điểm chính đó là:  Xử lý nhanh  Dựa vào đủ 4 tiêu chí: độ trễ, tỉ lệ rớt gói, biến thiên độ trễ và băng thông Ý tưởng chính của giải thuật: Với mỗi dest IP, hệ thống cân bằng tải sẽ chọn hướng truyền gói tin dựa vào độ ưu tiên từ cao nhất xuống thấp nhất như sau:  Tỉ lệ rớt gói thấp nhất & Băng thông còn trống  Độ trễ thấp nhất & Băng thông còn trống  Biến thiên độ trễ thấp nhất & Băng thông còn trống  Băng thông còn trống nhiều nhất  Default-route Ghi chú:  Người dùng có thể thay đổi thứ tự độ ưu tiên tùy theo nhu cầu  Giải thuật trên được xây dựng dựa trên nhu cầu thực tế của khách hàng NetNam (nơi sinh viên thực hiện đề tài đang công tác). Các khách hàng này thường sử dụng nhiều đường truyền của các ISP khác nhau và họ mong muốn có một giải thuật thông minh có thể tự động chọn đường tốt nhất để truyền gói tin mà vẫn đảm bảo không nghẽn băng thông. 10 1.3.2 Xây dựng phần mềm dựa vào giải thuật đã đề xuất Mục tiêu:  Để công ty đang làm việc, tức công ty cổ phần NetNam (chuyên cung cấp dịch vụ internet) có thể sử dụng trong việc tư vấn/bán dịch vụ cân bằng tải cho các khách hàng có nhu cầu.  Để tất cả mọi người trên thế giới có thể sử dụng và cải tiến (Nếu công ty đang làm cho phép công bố rộng rãi) Cách thu thập các thông số của đường truyền:  Đối với thông số độ trễ, tỉ lệ rớt gói, biến thiên độ trễ đến một IP đích cụ thể: sẽ sử dụng giao thức ICMP. Trong trường hợp IP đích cấm ICMP thì chính sách cân bằng tải sẽ dựa vào thông số băng thông (bỏ qua các thông số còn lại).  Đối với thông số bandwidth hiện hành của mỗi interface: Sẽ có một script để tính toán băng thông hiện tại dựa vào các file liên quan trong hệ điều hành linux. 1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng:  Lập trình mạng với Java  Định tuyến trên linux Phạm vi:  Xây dựng chương trình bằng ngôn ngữ Java  Hệ điều hành để chạy chương trình là linux (CentOS)  Hệ thống có khả năng cân bằng tải dựa vào nhiều tiêu chí, bao gồm: o Độ trễ (delay) o Biến thiên độ trễ (jitter) o Tỉ lệ mất gói (loss rate) o Băng thông (bandwidth) [...]... dụ về cân bằng tải kết nối (link load-balancer) 16 2.3 Chức năng của cân bằng tải kết nối (link load-balancer) Hình 2.3: Tổng quát về cân bằng tải kết nối (link load-balancer) Cân bằng tải kết nối (link load-balancer) thực hiện việc phân phối băng thông giữa các đường truyền internet hoặc giữa các đường truyền nội bộ Loại này thường bao gồm các chức năng sau: a) Dự phòng kết nối (link fail-over) Trong. .. cân tải lập danh sách các kết nối theo thứ tự (số lần lặp lại của kết nối tương ứng với trọng số của kết nối đó) Giả sử, kết nối ISP1 có trọng số bằng 2 và kết nối của ISP2 có trọng số bằng 3, thì danh sách sẽ như sau: ISP1 ISP1 ISP2 ISP2 ISP2 Khi đó, gói tin đầu tiên được truyền qua kết nối được định nghĩa đầu tiên trong danh sách Gói tin thứ hai sẽ được truyền qua kết nối thứ hai Khi bộ cân tải duyệt... số lượng kết nối  Hướng được chọn = hướng có số kết nối thấp nhất b) Nguyên lý hoạt động  Thay vì cân tải trên gói tin, bộ cân tải sẽ tính toán số lượng kết nối tại mỗi kết nối, sau đó truyền qua kết nối có số lượng kết nối thấp nhất (và không bị lỗi kết nối) 30 Hình 2.15: Nguyên lý hoạt động của giải thuật “số kết nối thấp nhất” (Least Connection) c) Nhận xét  Ưu điểm: Băng thông được truyền đều... công việc được tăng lên (tức N + K đối tượng) Tóm lại, nguyên lý cân bằng tải vẫn sẽ thực hiện đúng chức năng của mình ngay cả khi hệ thống được mở rộng bằng cách bổ sung một hoặc nhiều đối tượng xử lý 15 2.2 Phân loại Cân bằng tải được chia thành rất nhiều loại Ví dụ như cân bằng tải kết nối (link load-balancer), cân bằng tải máy chủ (server load-balancer), cân bằng tải CPU (CPU load-balancer)… Trong. .. đầu tiên trong danh sách Gói tin thứ hai sẽ được truyền qua kết nối thứ hai Khi bộ cân tải duyệt đến kết nối cuối cùng của danh sách thì bắt đầu “quét” lại kết nối đầu tiên của danh sách  Gọi số gói tin cần xử lý là M  Gọi số kết nối có thể xử lý gói tin là N  Khi đó, bộ cân tải sẽ phân phối gói tin thứ i vào kết nối N i%N Bảng 2.1 dưới đây minh họa việc phân phối gói tin trong giải thuật round-robin... tất cả các kết nối đều hoạt động tốt, lưu lượng được phân phối trên tất cả các kết nối Nếu có một hoặc nhiều kết nối bị lỗi thì lưu lượng tự động dồn qua các kết nối còn lại (tạm gọi là “danh sách kết nối hoạt động tốt”) Ngay khi kết nối lỗi nào đó được phục hồi thì thiết bị cân tải sẽ tự động bổ sung kết nối này vào “danh sách kết nối hoạt động tốt” Điều này đảm bảo tính dự phòng cho các kết nối, nghĩa... hình cân bằng tải thông dụng hiện nay: 2.4.1 Xoay vòng (round-robin) Hình 2.4: Giải thuật “xoay vòng” (round-robin) a) Đặc điểm chính 18  Số kết nối tối đa có chứa dữ liệu tại một thời điểm = Tổng số lượng kết nối  Hướng được chọn = Luân phiên trên các kết nối b) Nguyên lý hoạt động Bộ cân tải lập danh sách các kết nối theo thứ tự Gói tin đầu tiên được truyền qua kết nối được định nghĩa đầu tiên trong. .. này, các gói tin cùng địa chỉ IP nguồn, IP đích, port nguồn, port đích sẽ được xem là cùng một kết nối a) Đặc điểm chính  Số kết nối tối đa có chứa dữ liệu tại một thời điểm = tổng số lượng kết nối  Hướng được chọn = hướng có “số kết nối theo trọng số” thấp nhất “Số kết nối theo trọng số = Số kết nối trọng số của kết nối tương ứng” b) Nguyên lý hoạt động  Bộ cân tải tính toán “số kết nối theo trọng... duyệt đến kết nối cuối cùng của danh sách thì bắt đầu “quét” lại kết nối đầu tiên của danh sách     Gọi số gói tin cần xử lý là M Gọi số kết nối có thể xử lý gói tin là N Gọi trọng số của kết nối Ni là Wi Khi đó, bộ cân tải sẽ phân phối gói tin thứ i vào kết nối như bảng sau: Bảng 2 2:Cách phân phối gói tin trong giải thuật “xoay vòng theo trọng số” (weighted round-robin) Số thứ tự gói tin Kết nối Số... mỗi kết nối, sau đó truyền qua kết nối có “số kết nối theo trọng số” thấp nhất (và không bị lỗi kết nối) 32 Hình 2.17: Nguyên lý hoạt động của giải thuật “Số kết nối thấp nhất theo trọng số” (weighted least connection) c) Nhận xét  Ưu điểm: Băng thông được truyền đều trên các kết nối  Nhược điểm: Không tối ưu trong trường hợp hướng có ít số lượng kết nối hơn nhưng lại sử dụng rất nhiều băng thông . nối (link load-balancer), cân bằng tải máy chủ (server load-balancer), cân bằng tải CPU (CPU load-balancer)… Trong phạm vi đề tài chỉ đề cập đến cân bằng tải kết nối (link load- balancer). Đây. (link load-balancer) 16 2.3 Chức năng của cân bằng tải kết nối (link load-balancer) Hình 2.3: Tổng quát về cân bằng tải kết nối (link load-balancer) Cân bằng tải kết nối (link load-balancer). bị gián đoạn. Giả sử một doanh nghiệp cần thuê 4 Mbps leased- line. Họ đang cân nhắc chọn một trong hai giải pháp sau: Một là sử dụng duy nhất một đường truyền 4 Mbps; hai là sử dụng hai đường,