Đánh giá hiệu năng các giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng iot định nghĩa bằng phần mềm

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - VŨ THANH TÙNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IoT ĐỊNH NGHĨA BẰNG PHẦN MỀM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI – 2020 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - VŨ THANH TÙNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IoT ĐỊNH NGHĨA BẰNG PHẦN MỀM Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 52 02 08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ HẢI CHÂU HÀ NỘI – 2020 iii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, tháng 05 năm 2020 Tác giả luận văn Vũ Thanh Tùng iv LỜI CẢM ƠN Tơi xin cảm ơn gia đình, người thân bên cạnh nguồn động lực lớn lao để làm việc học tập Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Lê Hải Châu – ln hướng dẫn tận tình trình làm luận văn Đồng thời xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè đồng nghiệp động viên, hỗ trợ để tơi hồn thành luận văn Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2020 Vũ Thanh Tùng v MỤC LỤC vi BẢNG CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT THUẬT NGỮ API DIFFSERV INTSERV IoT IoT-A IP ISI NFV NOS OVSDB QoS SDN NGHĨA TIẾNG ANH Application Programming Interface Differentiated Services Integrated Services Internet Of Things IoT Architecture Internet Protocol Inter-Symbol Interference Network Feature Virtualization Network Operating System OpenvSwitch Database TLS UDP Quality of Service Software Defined Networking Service Level Agreement Service-Oriented Architecture Synthenis Filter Bank Transmission Control Protocol Transport Layer Security User Datagram Protocol WAN Wide Area Network SLA SOA SFB TCP NGHĨA TIẾNG VIỆT Giao diện lập trình ứng dụng Dịch vụ phân biệt Dịch vụ tích hợp Vạn vật kết nối Kiến trúc IoT Giao thức mạng internet Nhiễu liên ký hiệu Ảo hóa chức mạng Ảo hóa chức mạng Cơ sở liệu OpenvSwitch Chất lượng dịch vụ Mạng định nghĩa phần Thỏa thuận mức dịch vụ Kiến trúc hướng dịch vụ Hệ lọc tổng hợp Giao thức điều khiển truyền dẫn Bảo mật tầng truyền tải Giao thức liệu người dùng Mạng diện rộng vii viii DANH MỤC HÌNH VẼ ix DANH MỤC CÁC BẢNG 10 LỜI NĨI ĐẦU Cơng nghệ Internet vạn vật (IoT) phát triển mạnh mẽ số lượng thiết bị, loại hình dịch vụ, cơng nghệ kết nối dải yêu cầu đa tạp băng thông chất lượng dịch vụ Công nghệ IoT cho thấy nhiều triển vọng phát triển khả ứng dụng đồng thời tạo nhiều áp lực việc nâng cấp, cải tiến nhiều hạn chế vấn đề khó khăn hạ tầng mạng thông tin Do vậy, công nghệ mạng thiết bị mạng quan tâm đầu tư nghiên cứu phát triển nhằm đáp ứng yêu cầu IoT Với ưu điểm quản lý, điều khiển lập trình tài nguyên linh hoạt khả triển khai, nâng cấp hạ tầng dịch vụ linh hoạt với chi phí hiệu quả, giải pháp ứng dụng công nghệ mạng định nghĩa phần mềm (SDN) hạ tầng truyền thông IoT (SD-IoT) dần trở thành giải pháp hứa hẹn cho truyền thông Internet tương lai Với mục tiêu nghiên cứu, tìm hiểu tiến đến nắm bắt làm chủ công nghệ IoT SD-IoT, nội dung luận văn tập trung nghiên cứu, khảo sát đánh giá hiệu giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ mạng IoT định nghĩa phần mềm Trong luận văn, giải pháp đảm bảo QoS điển hình mạng SD-IoT mơ hình phân biệt dịch vụ (DiffServ) triển khai theo kịch mô nhằm đánh giá so sánh hiệu loại hình lưu lượng hệ thống Nội dung luận văn tổ chức thành 03 chương sau: • Chương 1- Tổng quan cơng nghệ IoT công nghệ mạng định nghĩa phần mềm: Giới thiệu khái quát công nghệ IoT, kiến trúc chức thành phần hệ thống IoT, đồng thời trình bày tổng quan cơng nghệ SDN khả áp dụng hệ thống IoT • Chương 2- Các giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ mạng IoT định nghĩa phần mềm: Giới thiệu giải pháp đảm bảo chất lượng 69 hệ thống chuyển mạch SDN Cổng 9000 cấu hình lưu lượng thơng thường, cổng 9001 thiết lập QoS theo tốc độ cố định Mbps (±5%) cổng 9002 thiết lập QoS theo lưu lượng tốc độ giới hạn Mbps Tổng tốc độ kết nối tối đa liên kết cho ba cổng 10 Mbps Bảng 3.2 Lưu lượng cho dịch vụ khác 3.3 Đánh giá hiệu giải pháp đảm bảo QoS 3.3.1 Cấu hình hệ thống Kiến trúc hệ thống demo bao gồm topo mạng SDN đơn giản xây dựng mininet với điều khiển Bộ điều khiển sử dụng điều khiển tách rời Ryu Để bắt đầu kịch bản, sử dụng mininet xây dựng môi trường ta tạo topo mạng đơn giản để mô Topo mạng với thiết bị chuyển mạch OpenvSwitch host hình 3.3 với câu lệnh sử dụng sau: $ sudo mn –topo linear,2 mac switch ovsk controller remote –x Bảng 3.2 hình 3.3 thể mô tả tham số sử dụng mô kết đầu câu lệnh Hệ thống demo tạo topo mạng SDN có nút chuyển mạch SDN kết nối trực tiếp với điều khiển thông qua điều khiển Ryu Hình 3.4 thể rõ cấu hình mạng mơ 70 Hình 3.19 Môi trường mô mininet Bảng 3.3 Tham số kịch mô Tham số Topo mac Switch controller x Giá trị Linear, None ovsk remote None Giải thích Topo với switch tạo Thiết lập địa mac tự động cho host Sử dụng OpenvSwitch Sử dụng điều khiển tách rời Mở cửa sổ xterm Hình 3.20 Cấu hình mạng mơ Hình 3.5 thể thơng số phiên Switch thông số cổng chuyển mạch Switch kiểm tra câu lệnh ovs-vsctl show thực giao diện điều khiển mininet 71 Hình 3.21 Show cấu hình phiên cổng chuyển mạch OvS Kết thể hình 3.5 cho thấy hệ thống chuyển mạch trao đổi với điều khiển thông qua giao thức Openflow phiên 1.3 Openflow lắng nghe cổ ng ptcp: 6632 để truy cập OVSDB Phiên OpenvSwitch sử dụng phiên 2.0.2 Hình 3.6 thể điều khiển Ryu kết nối thành công điều khiển thiết bị chuyển mạch 72 Hình 3.22 Kết nối thành công điều khiển Ryu thiết bị chuyển mạch 3.3.2 Module điều khiển định tuyến đảm bảo QoS Trong hệ thống mô phỏng, để thực điều khiển định tuyến cho chuyển mạch lớp sở hạ tầng, phần mềm ứng dụng cho điều khiển dựa ngôn ngữ Python xây dựng Việc sử dụng máy tính cỡ nhỏ với giá thành rẻ kết hợp với phần mềm điều khiển mã nguồn mở cho phép giảm thiểu giá thành hệ thống tăng tính linh hoạt việc ứng dụng hệ thống Thiết bị điều khiển SDN kích thước nhỏ điều khiển chuyển mạch qua giao thức OpenFlow Để xử lý tác vụ thêm vào bảng định tuyến, giá trị địa kiểm tra trùng lặp địa Lỗi xảy (1) địa đích (dst_nw_addr) default route (0.0.0.0/0) (2) địa đích trùng với địa nguồn tin, thông báo lỗi hiển thị hình điều khiển Nếu khơng có lỗi xảy ra, địa gán thêm vào bảng với giá trị địa đích (dst_ip), định danh luồng tin (route_id), mặt nạ địa (netmask) kèm địa chuyển mạch hàng xóm chuyển tiếp gói tin (gateway_ip) Mỗi giá trị route_id tăng lên để định danh cho luồng liệu khác Đoạn code Hình 3.7 minh họa cho trình cập nhật vào bảng định tuyến 73 Hình 3.23 Đoạn chương trình cập nhật vào bảng định tuyến Thêm nữa, hình 3.8 mơ tả cách xử lý luồng liệu gửi đến chuyển mạch Các địa hàng xóm chuyển mạch lấy từ bảng định tuyến thơng qua biến routing_tbl Sau đó, luồng tin đến bộchuyển mạch xử lý hàm packet_in_handler() Các gói tin phân loại theo tin ARP, tin ICMP, TCPhay UDP Mỗi loại tin phân tích địa đích gửi đến thiết bị đầu cuối kết nối với chuyển mạch Nếu tin thuộc loại khác xử lý để chuyển đến nút chuyển mạch khác 74 Hình 3.24 Đoạn chương trình xử lý luồng liệu đến 3.3.3 Đánh giá nhận xét kết Trong kịch mô hoạt động hệ thống sử dụng công cụ WireShark (phần mềm bắt gói tin) thiết lập kết nối truyền thông qua hệ thống chuyển mạch thiết kế Hình 3.9 thể kết đạt cho thấy hệ thống hoạt động theo thiết kế Các tin Openflow sử dụng để trao đổi thông tin kết nối điều khiển (192.168.60.100) hệ thống chuyển mạch mininet (192.168.60.20) 75 Hình 3.25 Bắt gói tin trao đổi Wireshark Hình 3.26 Trao đổi tin điều khiển Ryu hệ thống chuyển mạch OpenvSwitch Hoạt động hệ thống tóm tắt sau: kết nối, điều khiển hệ thống chuyển mạch trao đổi tin Hello với (xem Hình 3.10) để thiết lập kết nối đàm phán phiên Nếu đàm phán thất bại chúng gửi tin Error Sau thiết lập kết nối xong, điều khiển gửi tin Feature_Request để xác định đặc tính chức OVS OVS trả lời tin Feature_Respond Tiếp theo điều khiển gửi tin Multipath Request để truy vấn thông tin theo luồng liệu (port, interface, …) OVS trả lời 76 Multipath_Respond chứa thông tin Tiếp đến điều khiển gửi tin Flow_Mod (như trình bày Hình 3.11) muốn thay đổi trạng thái OVS Khi tin trao đổi xong thiết bị trao đổi tin Echo để trao đổi thông tin độ trễ, băng thơng tính linh hoạt Bản tin Packet_In Packet_Out dùng để trao đổi liệu Hình 3.27 Bản tin Openflow OFPT_FLOW_MOD Trong kịch thực khảo sát tốc độ tối đa cổng Ethernet hệ thống chuyển mạch thiết kế Để thực điều này, sử dụng cách là: đo kiểm lệnh hiển thị cấu hình (ovs-ofctrl show) tạo lưu lượng tăng dần truyền qua hệ thống chuyển mạch Để xác thực khả hoạt động hệ thống, lưu lượng ngẫu nhiên theo tốc độ tăng dần tạo truyền qua luồng liệu thiết lập QoS khác hệ thống chuyển mạch Trong kịch này, lưu lượng cổng 9000 yêu cầu truyền với tốc độ tối đa liên kết Mbps Lưu lượng cổng 9001 truyền với tốc độ cố định Mbps tốc độ truyền cổng 9002 tăng dần sau khoảng thời gian 30 giây Lưu lượng hai cổng 9001 9002 khởi phát bắt đầu chậm 30 giây so với lưu lượng cổng 9000 Kết cho thấy, lưu lượng cổng 9000 bị giảm dần nhường lại bang thơng cho cổng có thiết lập QoS Tổng lưu lượng cổng đảm bảo khoảng 10 Mbps (bằng tốc độ tối đa cho phép) Hai cổng 9001 9002 có tốc độ lưu lượng theo yêu cầu QoS thiết lập 77 Để xác định khả hoạt động hệ thống, ta tạo luồng lưu lượng ngẫu nhiên tăng dần truyền qua cổng thiết lập QoS khác hệ thống chuyển mạch Sử dụng phần mềm iperf, công cụ đơn giản dễ sử dụng để kiểm tra băng thông qua hệ thống mạng, bắn lưu lượng qua cổng với host đóng vai trị làm máy chủ host đóng vai trị máy khách Hình 3.12, 3.13 3.14 thể kết băng thông đầu cổng hệ thống chuyển mạch Openflow Kết cho thấy cổng 9000 9002, lưu lượng không giám sát giới hạn tốc độ tối thiểu, tốc độ lưu lượng đầu cổng tốc độ truyền vào hệ thống Tuy nhiên, cổng 9001, tốc độ bị giới hạn cố định Mbps, nên truyền liệu có tốc độ cao bị giới hạn không lớn Mbps Khi tốc độ cao, ví dụ từ Mbps giây thứ 100 cổng bị ngắt kết nối tỉ lệ gói q lớn Hình 3.28 Băng thơng qua cổng 9000 78 Hình 3.29 Băng thơng qua cổng 9001 Hình 3.30 Băng thơng qua cổng 9002 79 Hình 3.31 Kịch đảm bảo QoS cho cổng theo cấu hình thiết lập trước Ngồi ra, hình 3.15 thể kịch đảm bảo QoS cho lưu lượng cổng hệ thống chuyển mạch theo cấu hình thiết lập Trong kịch này, lưu lượng cổng 9000 yêu cầu truyền với tốc độ tối đa liên kết 10 Mbps Lưu lượng cổng 9001 truyền với tốc độ cố định Mbps tốc độ truyền cổng 9002 tăng dần sau khoảng thời gian định Lưu lượng hai cổng 9001 9002 khởi phát bắt đầu chậm 30 giây so với lưu lượng cổng 9000 Kết cho thấy, lưu lượng cổng 9000 bị giảm dần để ưu tiên cho cổng có QoS thiết lập Tổng lưu lượng cổng đảm bảo khoảng 10 Mbps (bằng tốc độ tổng cho phép) Hai cổng 9001 9002 có tốc độ lưu lượng theo yêu cầu QoS thiết lập 3.4 Kết luận chương Nội dung chương trình bày triển khai mô kỹ thuật đảm bảo QoS hệ thống mạng SDN-IoT sử dụng công cụ mô mininet điều khiển SDN Ryu Các mô triển khai cho ba loại hình chất lượng dịch vụ best-effort, tốc độ cố định tốc độ cao Các kết đạt thể khả 80 đảm bảo chất lượng dịch vụ linh hoạt hệ thống dựa tảng công nghệ mạng định nghĩa phần mềm 81 KẾT LUẬN Trong thời đại bùng nổ công nghệ thông tin, IoT phát triển ngày mạnh số lượng thiết bị kết nối, số lượng kết nối loại hình kết nối,… Qua địi hỏi u cầu cao chất lượng kết nối băng thơng, độ trễ tham số khác Do giải pháp công nghệ mạng hướng đến việc giải thách thức nhằm hỗ trợ số lượng kết nối lớn thiết bị đa dạng chủng loại thiết bị kết nối.Việc xây dựng giải pháp để đảm bảo chất lượng mà không ảnh hưởng tới luồng liệu khác mạng ngày thực cần thiết Trong luận văn này, học viên thực nghiên cứu khái quát công nghệ IoT công nghệ mạng định nghĩa phần mềm khả ứng dụng SDN IoT (IoT định nghĩa phần mềm) Nội dung luận văn tập trung khảo sát giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) mạng IP mạng IoT định nghĩa phần mềm Trên sở đó, luận văn trình bày triển khai mô ứng dụng giải pháp đảm bảo QoS mạng IoT định nghĩa phần mềm đánh giá hiệu hệ thống Việc đánh giá hiệu giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ thực theo ba loại hình dịch vụ tiêu biểu bao gồm dịch vụ lưu lượng Best-effort (dịch vụ truyền thống mạng IP), dịch vụ tốc độ không đổi dịch vụ lưu lượng tốc độ cao Các kết đạt cho thấy thành công giải pháp DiffServ hạ tầng mạng SDN-IoT Trên sở kết đạt nội dung luận văn này, hướng phát triển nghiên cứu đề tài luận văn nghiên cứu triển khai ứng dụng công nghệ IoT định nghĩa phần mềm kỹ thuật đảm bảo QoS thực tế mạng lưới VNPT Bắc Ninh tương lai gần nhằm cung cấp giải pháp cho hạ tầng truyền thông thành phố thông minh 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vermesan Ovidiu, and Peter Friess (2014) “Internet of things-from research and innovation to market deployment,” Vol 29, Aalborg: River Publishers [2] Alasdair Gilchrist(2016), “Industry 4.0: The Industrial Internet of Things” [3] Wollschlaeger Martin, Thilo Sauter, and Juergen Jasperneite (2017), “The future of industrial communication: Automation networks in the era of the internet of things and industry 4.0,” IEEE Industrial Electronics Magazine, vol 11, no 1, pp 17-27 [4] Bizanis, Nikos, and Fernando A Kuipers (2016), “SDN and virtualization solutions for the Internet of Things: A survey,” IEEE Access, vol 4, pp 55915606 [5] Samaresh Bera, Sudip Misra, and Athanasios V Vasilakos (2017), “Software- DefinedNetworking for Internet of Things: A Survey,” IEEE Internet of Things Journal, vol 4, no 6, pp 1994-2008 [6] Omnes, Nathalie, Marc Bouillon, Gael Fromentoux, and Olivier Le Grand (2015), "A programmable and virtualized network & IT infrastructure for the internet of things: How can NFV & SDN help for facing the upcoming challenges," 18th International Conference on Intelligence in Next Generation Networks (ICIN), pp 64-69 [7] Diego Kreutz, Fernando M.V Ramos, Paulo Esteves Verıssimo, Christian Esteve Rothenberg, Siamak Azodolmolky, and Steve Uhlig (2015), “Softwaredefined networking: A comprehensive survey,” Proceedings of the IEEE, vol 103, no 1, pp 14-76 [8] Andreas, Arsanasty Ba, Martin Reisslein, and Wolfgang Kellerer (2016), “Survey on network virtualization hypervisors for software defined networking,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol 18, no 1, pp 655-685 83 [9] Hu, Fei, Qi Hao, and Ke Bao (2014), "A survey on software-defined networkand openflow: From concept to implementation, " IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol 16, no 4, pp 2181-2206 [10] https://thenewstack.io/sdn-series-part-iv-ryu-a-rich-featured-open-source-sdncontroller-supported-by-ntt-labs ... cứu, khảo sát đánh giá hiệu giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ mạng IoT định nghĩa phần mềm Trong luận văn, giải pháp đảm bảo QoS điển hình mạng SD -IoT mơ hình phân biệt dịch vụ (DiffServ)... khai mơ đánh giá hiệu giải pháp đảm bảo QoS: Trình bày kịch triển khai mơ giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ hệ thống SD -IoT đánh giá hiệu giải pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ 12 CHƯƠNG 1:... TÙNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IoT ĐỊNH NGHĨA BẰNG PHẦN MỀM Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 52 02 08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định