NGHIÊN cứu và ỨNG DỤNG PLANET LAB

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN AN HƯNG NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG PLANET-LAB Chuyên ngành : Kỹ thuật máy tính truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGÔ HỒNG SƠN Hà Nội – Năm 2013 LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn: PGS.TS Ngô Hồng Sơn, viện Công nghệ Thông tin Truyền thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nhiệt tình bảo, định hướng nghiên cứu, hỗ trợ tạo điều kiện tốt cho suốt trình thực luận văn Nếu giúp đỡ tận tâm thầy, luận văn có lẽ hoàn thành hạn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc thầy cô giáo Viện Công nghệ Thông tin Truyền thông, trường Đại học Bách khoa Hà Nội tận tình bảo, truyền đạt tri thức, kỹ năng, kinh nghiệm quý báu cho suốt thời gian học vừa qua Cuối cùng, xin kính chúc Quý thầy cô gia đình dồi sức khỏe thành công./ Học viên cao học khóa 2011B Nguyễn An Hưng LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, luận văn kết trình nghiên cứu thân hướng dẫn thầy giáo hướng dẫn: PGS.TS Ngô Hồng Sơn.Toàn nội dung luận văn kiến thức đúc kết từ tài liệu tham khảo nước thầy Ngô Hồng Sơn cung cấp, chép công trình nghiên cứu khác./ Học viên Cao học khóa 2011B Nguyễn An Hưng DANH MỤC CÁC CÁC KÝ HIỆU CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt Giao diện mà hệ thống máy tính hay API Application Programming Interface cầu dịch vụ tạo từ chương trình máy tính khác cho phép liệu trao đổi qua lại chúng Công nghệ thông tin CNTT MPLS ứng dụng cung cấp phép yêu Multi Protocol Label Giao thức MPLS NM Swiching Node Manager OS Operating System Hệ điều hành PI Principal Investigator Nghiên cứu PLC Planet-Lab Centra Tên máy trung tâm hệ thống Planet-Lab VN Virtual Network Mạng ảo Site Là vị trí vật lý nơi đặt nút Planet-Lab Là tập hợp tài nguyên phân tán Sliver Nút quản lí ISP Internet Service Provider phân bổ cho User thông qua Planet-Lab nhà cung cấp dịch vụ Internet InP Infrastructure Provider nhà cung cấp sở hạ tầng SP Service Provider nhà cung cấp dịch vụ VNP Virtual Network Provider Nhà cung cấp mạng ảo VNO Virtual Network Operator Virtual Local Area Người vận hành mạng ảo VLAN VPN Network Virtual Private Network ToMaTo Topology management tool Vùng mạng ảo cục Mạng riêng ảo Công cụ quản lí topo DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Một số công nghệ ảo hoá liên kết 23 Bảng Sự thay đổi băng thông sau lần đo .53 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .11 Hình 1.1-1: Các bên tham gia môi trường ảo hóa mạng 11 Hình 1.2-2: Nguyên tắc thiết kế ảo hóa mạng 15 Hình 1.3-5: Mô hình Virtual Private Cloud Amazon 20 Hình 1.4-6: Mô hình ảo hoá hệ thống máy tính dựa hypervisor 21 Bảng Một số công nghệ ảo hoá liên kết 23 Hình 2.1-7: Kiến trúc hệ thống Planet-Lab 26 Hình 2.1-8: Mô hình Planet-Lab 28 Hình 2.1-9: Sơ đồ quan hệ thực thể Planet-Lab .29 Hình 2.1-10: Kiến trúc nút Planet-Lab .31 Hình 2.1-11: Các thành phần nút Planet-Lab 32 Hình 2.1-12: Các nút thêm vào slice .33 Hình 2.1-13: Slice A cho người dùng A 33 Hình 2.1-14: Slice B cho người dùng B 33 Hình 2.1-15: Trình quản lý tập trung: PLC 34 Hình 2.2-16: Ví dụ topo .35 Hình 2.2-17: Cấu trúc ToMaTo 36 Hình 2.2-18: Trình biên tập đồ họa topo 36 Hình 2.2-19: VNC truy cập vào bị KVM 37 Hình 2.2-20: Công cụ tự động tạo topo (TopologyCreator) - Ảnh chụp hình với ví dụ topo minh họa cấu trúc .40 Hình 3.2-22 Thử nghiệm Chat 45 Hình 3.2-23 Chat nút .45 Hình 3.2-24 Các thuộc tính liên kết mô 46 Hình 3.2-25 Thực ping từ nút tới www.google.com 47 Hình 3.2-26 Thực ping từ nút sang nút 48 Hình 3.2-27 Băng thông từ nút sang nút với bandwidth = 10000Kbit/s 48 Hình 3.2-28 Băng thông thực tế từ nút sang nút 49 Hình 3.2-29 Thực ping từ nút mạng bên với delay = 1000ms .50 Hình 3.2-30 Thực ping từ nút sang nút với delay = 1000ms .50 Hình 3.2-31 Băng thông từ nút sang nút với bandwidth = 10000Kbit/s delay = 10000ms 51 Hình 3.2-32 Băng thông thực tế từ nút sang nút với bandwidth = 10000Kbit/s delay = 10000ms .51 Hình 3.2-33 Thực ping từ nút với delay = 1000ms 52 Hình 3.2-34 Thực ping từ nút sang nút với delay = 2000ms .52 Hình 3.2-35 Băng thông từ nút sang nút với bandwidth = 100Kbit/s .53 Bảng Sự thay đổi băng thông sau lần đo .53 Hình 3.2-36 Mô hình bắt gói tin với WireShark 54 Hình 3.2-37 Topo thiết kế với NAT router 54 Hình 3.2-38 Bắt gói tin ToMaTo 55 Hình 3.3-39 Tài nguyên sử dụng với trường hợp có sinh viên thực hành .55 Hình 3.3-40 Tài nguyên sử dụng với trường hợp sinh viên thực hành lúc .56 LỜI NÓI ĐẦU Sự phát triển nhanh chóng ứng dụng công nghệ truyền tải liệu yêu cầu thay đổi công nghệ cốt lõi Internet Rất nhiều công việc nghiên cứu thực vào việc cải thiện phương diện riêng biệt Internet, năm qua có nhiều nỗ lực nghiên công nghệ dành cho mạng tương lai nói chung.Tất dự án nghiên cứu cần cách để đánh giá ý tưởng kết họ Trong giai đoạn đầu dự án , mô hình lý thuyết mô đủ giai đoạn sau môi trường thực tế cần thiết Các mạng thực tế phần cứng thực tế hiển thị kết không lường trước mà mô hình hóa Các công cụ thử nghiệm nhằm mục đích cung cấp môi trường thực tế cho thử nghiệm cách sử dụng kỹ thuật mô Ngày với tiến công nghệ ảo hóa cho phép tạo máy ảo-là máy tính giả lập phần mềm, song hoạt động máy vật lí Nhiều máy ảo chạy máy vật lí, việc chia sẻ, tận dụng tài nguyên thực cách hiệu Đây đề tài hấp dẫn, ứng dụng thực tế mang lại nhiều lợi ích cho sống, đồng thời tiềm phát triển lớn Luận văn gồm chương : CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ ẢO HÓA MẠNG CHƯƠNG 2: ẢO HÓA TRONG PLANET-LAB VÀ ỨNG DỤNG TOMATO CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC CÁC KÝ HIỆU CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ ẢO HÓA MẠNG .10 1.1 Khái niệm ảo hóa mạng 10 1.2 Nguyên lý kiến trúc, mô hình mục tiêu thiết kế ảo hóa mạng 14 1.3 Ứng dụng ảo hoá mạng 18 1.4 Nền tảng kỹ thuật ảo hoá mạng 21 1.5 Kết luận 23 CHƯƠNG 2: ẢO HÓA TRONG PLANET-LAB VÀ ỨNG DỤNG TOMATO 24 2.1 Tổng quan Planet-Lab 24 2.2 Ứng dụng ToMaTo hệ thống Planet-Lab .34 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 44 3.1 Mục đích thử nghiệm 44 3.2 Xây dựng thử nghiệm 44 3.3 Đánh giá hiệu 55 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO .57 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ ẢO HÓA MẠNG 1.1 Khái niệm ảo hóa mạng Trong năm gần đây, khái niệm ảo hóa mạng thu hút ý đáng kể tranh luận việc làm để mô hình mạng hệ thay Internet Khởi điểm kiến trúc, ảo hóa mạng công cụ để đánh giá kiến trúc mạng mới, quan điểm cấp tiến cho ảo hóa thuộc tính khác kiến trúc mạng Hình 3.2-22 Thử nghiệm Chat Topo gồm có Chat node switch đối tượng điều khiển lưu lượng tầng gọi Repy Chat sender Chat monitor thành phần kết nối với mạng (Internet).2 Chat node máy ảo Open VZ có sẵn đối tượng gọi Repy lập trình ngôn ngữ Python Chat monitor lập trình để hiển thị tin nhắn mà nhận Chat sender lập trình để sau giây gửi tin nhắn Thực chương trình chat node: Hình 3.2-23 Chat nút Chương trình gửi tất dòng ta gõ vào tất nút kết nối việc sử dụng quảng bá UDP Và node nhận hiển thị tương ứng với dòng tin nhắn bao gồm: [nhãn thời gian][địa IP node gửi tin nhắn] [số thự tự tin nhắn][nội dung tin nhắn] Ngoài ra, ta điều khiển độ trễ, băng thông, biến động, tỉ lệ gói đường truyền Hình 3.2-24 Các thuộc tính liên kết mô a) Kịch thứ Ta thực ping mạng bên ngoài, ping từ node sang node Kết sau thực thiện sau Hình 3.2-25 Thực ping từ nút tới www.google.com Nhận xét thấy thời gian nút thực ping gần tương đương Hình 3.2-26 Thực ping từ nút sang nút Nhận xét thấy rtt ping nút nhỏ nhiều so với việc ping thời gian phản hồi nhỏ gần không đáng kể Sau ta tiến hành đo băng thông từ nút sang nút với nút đóng vai trò server nút client Với bandwidth cố định = 10000 Kbit/s Hình 3.2-27 Băng thông từ nút sang nút với bandwidth = 10000Kbit/s Thời gian đo 10s 1s đo lần Kết cho ta thấy sau 10s lưu lượng chuyển 1.25MB với băng thông 1.05Mbits/s jitter = 0.713s tỉ lệ gói tổng số gói chuyển 893 Với băng thông thực tế kết là: Hình 3.2-28 Băng thông thực tế từ nút sang nút Nhận xét thấy băng thông thực tế thấp nhiều dung lượng chuyển thấp b) Kịch Thiết lập độ trễ đoạn truyền từ nút đến switch 1s Thực ping từ nút sang nút Kết thu sau: Hình 3.2-29 Thực ping từ nút mạng bên với delay = 1000ms Ta nhận thấy sau thiết lập độ trễ thời gian phản hồi thay đổi tăng lên 1000ms Trong thực lệnh ping từ nút mạng bên kết không thay đổi thiết lập trễ đường từ nút đến switch Tương tự ta ping từ nút sang nút thời gian phản hồi tăng lên 1000s : Hình 3.2-30 Thực ping từ nút sang nút với delay = 1000ms Băng thông đo : Hình 3.2-31 Băng thông từ nút sang nút với bandwidth = 10000Kbit/s delay = 10000ms Hình 3.2-32 Băng thông thực tế từ nút sang nút với bandwidth = 10000Kbit/s delay = 10000ms Ở băng thông thay đổi kịch c) Kịch Từ kịch mở rộng thêm, thiết lập thêm độ trễ kết nối từ nút đến switch chiều ngược lại từ switch nút với thời gian 1s Kết thu sau: Hình 3.2-33 Thực ping từ nút với delay = 1000ms Hình 3.2-34 Thực ping từ nút sang nút với delay = 2000ms Nhận xét thấy thời gian phản hồi lần ping tăng thêm 2000ms mong muốn d) Kịch Giảm băng thông đường kết nối từ nút tới switch xuống 100kbit/s chiều Hình 3.2-35 Băng thông từ nút sang nút với bandwidth = 100Kbit/s STT Lần Lần Lần Lần Lần Transfer Bandwidth Jitter (Kbytes) (Kbits/sec) (ms) 12.9 9.42 57.932 7.18 5.25 66.770 8.61 6.23 72.197 20.1 14.9 76.788 10 7.26 70.072 Bảng Sự thay đổi băng thông sau lần đo Lost/Total Datagrams 884/893(99%) 888/893(99%) 886/892(99%) 878/892(98%) 886/893(99%) Nhận xét giảm băng thông kéo theo gói jitter tăng khối lượng truyền liệu giảm 3.2.2 Thử nghiệm Tại thử nghiệm thử nghiệm thực hành hành vi giao thức NAT Nội dụng thực hành : ta tiến hành bắt gói tin yêu cầu ping từ client PC tới server www.google.com truy cập tới trang web Trên Wireshark ta lọc frame chứa tin nhắn theo giao thức ICMP HTTP hiển thị tệp dấu vết Trên Wireshark chủ yếu ta tập trung phân tích gói tin : IP nguồn, IP đích, cổng TCP nguồn, TCP đích, phân tích thiết lập kết nối bắt tay bước SYN/ACK TCP Xác định vị trí gói tin HTTP phân đoạn TCP (TCP segment) tệp tin dấu vết Hình 3.2-36 Mô hình bắt gói tin với WireShark Topo thiết kế ToMaTo : node đóng vài trò Client PC, Repy lập trình tương tự NAT router thành phần kết nối mạng bên ngoài(Internet) Hình 3.2-37 Topo thiết kế với NAT router Thực ping Node tới địa www.google.com Tải tệp tin có dung lượng nhỏ mạng xuống lệnh “wget” Sau tiến hành bắt gói tin đoạn kết nối từ NAT router đến Internet mở phần mềm Wireshark Hình 3.2-38 Bắt gói tin ToMaTo 3.3 Đánh giá hiệu Đánh giá hiệu công đoạn thiếu xây dựng triển khai hệ thống mạng Mục tiêu đánh giá hiệu là: Giúp người nghiên cứu xác định xác giới hạn hoạt động hệ thống để đưa kết hoạch cấp phát cho người dùng cách hiệu Giúp người sử dụng tính toán, đưa dự đoán khả hoạt động ứng dụng, dịch vụ mong muốn triển khai hệ thống để xin cấp phát tài nguyên cho phù hợp Tiến hành đánh giá hiệu kịch Thực kịch với trường hợp có sinh viên thực hành tức cấp phát máy ảo hoạt động Hình 3.3-39 Tài nguyên sử dụng với trường hợp có sinh viên thực hành - Thực kịch với trường hợp có sinh viên thực hành lúc tức cấp phát máy ảo hoạt động Hình 3.3-40 Tài nguyên sử dụng với trường hợp sinh viên thực hành lúc Nhận xét: Lưu lượng mạng không ổn định phụ thuộc vào kết nối mạng Tài nguyên tiêu tốn thực hành lab khoảng 130MB-150MB Khi có nhiều người thực hành lúc tài nguyên tiêu tốn nhiều Với nút cấp phát cho khoảng 5-7 người thực hành lúc Dự đoán với lớp khoảng 50 người cần phải có nhiều nút (khoảng 810 nút) KẾT LUẬN Đánh giá kết đạt Với mục tiêu đánh giá hiệu qua việc triển khai ứng dụng ToMaTo hệ thống Planet-Lab, luận văn đạt kết định sau: - Trình bày tìm hiểu lý thuyết công nghệ ảo hóa mạng, kiến trúc thành phần hệ thống Planet-Lab ứng dụng ToMaTo Xây dựng thử nghiệm ứng dụng ToMaTo o Thử nghiệm công dụng tính ToMaTo o Thử nghiệm đánh giá hiệu hệ thống triển khai thực hành Tuy nhiên, thời gian có hạn điều kiện thực tế công nghệ ứng dụng giai đoạn phát triển nên luận văn mặt hạn chế sau: Thử nghiệm dùng lại mức sử dụng nút để đánh giá Đánh giá hiệu thiếu sót sử dụng công cụ để thử nghiệm Chưa đánh giá tính ổn định hệ thống hoạt động thời gian dài nhiều thời điểm khác ngày Đề xuất hướng phát triển Qua trình thử nghiệm có đề xuất hướng phát triển sau : Mở rộng hệ thống cách tăng số lượng nút số lượng người nghiên cứu tham gia Thử nghiệm với nhiều kịch phức tạp số lượng thực hành nhiều từ tạo sở để nghiên cứu thử nghiệm giao thức ToMaTo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Brian Sanderson., A Tutorial to Planet-lab., Version 1.0 - 2007-0917.,Brigham Young University (BYU) [2] Brian White, Jay Lepreau, Leigh Stoller, Robert Ricci, Shashi Guruprasad, MacNewbold, Mike Hibler, Chad Barb, and Abhijeet Joglekar An integrated experi-mental environment for distributed systems and networks In OSDI, 2002 [3] Danny Bickson., Planet-Lab Project How-to., The Hebrew University of Jerusalem, 2005 [4] Dennis Schwerdel, Daniel Günther, Robert Henjes, Bernd Reuther, and Paul Müller German-lab experimental facility In Proceedings of FIS 2010 – Third Future Internet Symposium, pages 1–10, 2010 [5] Dennis Schwerdel, David Hock, Daniel Günther, Bernd Reuther, Paul Müller, and Phuoc Tran-Gia ToMaTo - a network experimentation tool In 7th International ICST Conference on Testbeds and Research Infras-tructures for the Development of Networks and Communities (TridentCom 2011), Shanghai, China, April 2011 [6] DES-Testbed A Wireless Multi-Hop Network Testbed for future mobile networks, Stuttgart, Germany, 06/2010 2010 [7] J.F Kurose and K.W Ross Computer Networking: A Top-Down Approach, 6th ed [8] Jorge Carapinha and Javier Jiménez., Network Virtualization – a View from the Bottom., Proceedings of the 1st ACM workshop on Virtualized infrastructure systems and architectures, August 17-7, 2009, Barcelona, Spain [9] http://dl.acm.org/citation.cfm?id=956995 [10] http://dswd.github.com/ToMaTo [11] http://en.wikipedia.org/wiki/Planet-Lab [12] http://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_network [13] http://www.github.com/dswd/ToMaTo/wiki [14].http://www.onelab.eu/index.php/testbeds/onelab-testbeds/Planet-Labeurope.html [15] http://www.planet-lab.eu/ [16] http://www.planet-lab.org/ [17] http://www.vmware.com/support/ws55/doc/ws_net.html [18] Larry Peterson, Steve Muir, Timothy Roscoey, Aaron Klingaman., Planet-Lab Architecture., Princeton University.,May-2006 [19] Marta Carbone and Luigi Rizzo Dummynet revisited Computer Communication Review, 40(2):12–20, 2010 [20] Paul Müller and Bernd Reuther Future internet architecture - a service oriented approach it - Information Technology, 50(6):383–389, 2008 ... nhà nghiên cứu, dự án triển khai Và Planet- Lab giải pháp công nghệ ảo hóa mạng Luận văn trình bày chi tiết Planet- Lab chương CHƯƠNG 2: ẢO HÓA TRONG PLANET- LAB VÀ ỨNG DỤNG TOMATO 2.1 Tổng quan Planet- Lab. .. mạng Hiện có hai mạng Planet- Lab giới là: Planet- Lab original US (planet- lab. org) Planet- Lab Europe châu Âu ( onelab.eu) 2.1.2 Nguyên tắc thiết kế thành phần kiến trúc Planet- Lab thử nghiệm dựa... VÀ ỨNG DỤNG TOMATO 2.1 Tổng quan Planet- Lab 2.1.1 Giới thiệu dự án Planet- Lab Planet- Lab đề xuất nhà nghiên cứu tập đoàn Intel tập hợp nhóm nhà nghiên cứu hàng đầu lĩnh vực mạng hệ thống phân