Nghiên cứu hiệu năng của content centric networking trong môi trường không dây

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn (Ký ghi rõ họ tên) Lê Trường Thành ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập trình thực đề tài, dẫn học hỏi nhiều kiến thức quý báu kinh nghiệm nghiên cứu khoa học từ thầy cô, anh chị, bạn bè đồng nghiệp Trước hết, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS Lê Tuấn Anh, giảng viên trường đại học Công Nghệ TP HCM-HUTECH, thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận văn Tơi xin cảm ơn quý thầy cô trường đại học Cơng Nghệ TP.HCM tận tình giảng dạy, trang bị cho tơi kiến thức q giá năm học vừa qua Sau cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, anh chị, bạn bè đồng nghiệp ủng hộ, giúp đỡ động viên suốt trình học tập thực luận văn TPHCM, ngày 28 tháng 07 năm 2016 Lê Trường Thành iii TĨM TẮT Trong đề tài tơi trình bày cách thức đánh giá hiệu Content Centric Networking môi trường mạng không dây Đưa thống số đường truyền sử dụng giao thức TCP, so sánh tốc độ chúng với Và đưa cách thức đánh giá tốc độ truyền tải liệu, số lượng gói tin bị truyền file sử dụng giao thức TCP giao thức CCN môi trường mạng không dây iv ABSTRACT In this thesis I will show how to assess the performance of Content Centric Networking in wireless network environments Given the number on the transmission network using TCP, and then compare them with each speed And showing the ways of estimating transfer speeds data, the number of lost packets when using file transfer protocol TCP and CCN for wireless network environment v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH viii Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vấn đề cần nghiên cứu 1.2 Lý chọn đề tài 1.3 Các cơng trình nghiên cứu liên quan 1.4 Kết luận chương Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu mạng CCN .4 2.1.1 Sự đời mạng CCN 2.1.2 Các gói tin CCN 2.1.3 Tên liệu CCN 2.2 Mô hình hoạt động mạng CCN 2.2.1 Mơ hình node CCN 2.2.2 Định truyến mạng CCN 11 2.2.3 Lớp vận chuyển 14 2.2.4 Bảo mật nội dung 17 2.2.5 Mơ hình hoạt động mạng CCN 22 2.3 Kết luận chương 25 Chương CONTENT CENTRIC NETWORKING TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG DÂY 26 2.4 Vấn đề CCN mạng không dây 26 2.5 Content-centric wireless networking 26 2.5.1 Các tính mạng khơng dây ad-hoc 26 2.5.2 Lợi CCN môi trường không dây 29 2.5.3 Tên CCN 31 vi 2.5.4 Caching 32 2.5.5 Bảo mật 34 2.5.6 Vận tải 36 2.5.7 Công cụ đánh giá 38 2.6 Kết luận chương 39 Chương TRIỂN KHAI THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 40 2.7 Mơ hình cài đặt thực nghiệm 40 2.7.1 Giới thiệu CCNx 40 2.7.2 Mơ hình cài đặt thực nghiệm 41 2.8 Thực nghiệm kết nối CCN mơi trường khơng dây máy tính laptop: 43 2.9 Thực nghiệm giao thức CCN máy tính laptop 45 2.10 Kịch thực nghiệm 46 2.10.1Kịch thực nghiệm 46 2.10.2Kịch thực nghiệm 49 2.10.3Kịch thực nghiệm 52 2.10.4Kịch thực nghiệm 55 2.11 Kết luận chương 58 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt CCN Content Centric Networking Mạng trung tâm nội dung PARC Palo Alto Research Center Trung tâm nghiên cứu Palo Alto Transmission Control TCP/IP Bộ giao thức truyền thông Protocol/Internet Protocol IP Internet protocol Giao thức Liên mạng FIB Forwading Information Base Chuyển tiếp thông tin sở PIT Pending Interest Table Bảng chờ yêu cầu CS Content Store Lưu trữ nội dung CDN content delivery network Mạng phân phối nội dung MRU Most Recently Used Thuật toán Hầu hết sử dụng gần LRU Least Recently Used Thuật toán loại bỏ mục gần sử dụng LFU Least-Frequently Used Thuật toán thường xuyên sử dụng Intermediate System to IS-IS Intermediate System Hệ Trung cấp đến Trung cấp hệ thống ISP Internet Service Provide Nhà cung cấp dịch vụ Interest AS Autonomous System Mạng có sách định tuyến BGP Border Gateway Protocol Giao thức tìm đường nịng cốt NDN Name Data Networking Mạng tên liệu ICN Information Centric Network Mạng thông tin trung tâm TLV Type Label Value Loại giá trị nhãn viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH HÌNH 2.1 SO SÁNH CÁC LỚP GIAO THỨC CỦA IP VÀ CCN HÌNH 2.2 GĨI TIN CCN HÌNH 2.3 XỬ LÝ CÁC GĨI TIN INTEREST/DATA VÀ CHUYỂN TIẾP HOẠT ĐỘNG TRONG CCN HÌNH 2.4 CƠ CHẾ PHÂN CẤP NỘI DUNG TRONG MẠNG CCN HÌNH 2.5 VÍ DỤ TÊN CCN .8 HÌNH 2.6 CÁC THÀNH PHẦN CỦA NODE TRONG MẠNG CCN HÌNH 2.7 CẤU TRÚC CS 10 HÌNH 2.8 CẤU TRÚC BẢNG PIT 11 HÌNH 2.9 CẤU TRÚC BẢNG FIB TRONG CCN 11 HÌNH 2.10 VÍ DỤ ĐỊNH TUYẾN 12 HÌNH 2.11 THIẾT LẬP ĐỘ TIN CẬY GẮN KHÔNG GIAN TÊN VỚI KHÓA CỦA NHÀ CUNG CẤP 20 HÌNH 2.12 LƯỢC ĐỒ CHUYỂN TIẾP GÓI CCN 23 HÌNH 3.1 ĐIỂM ĐẶC TRƯNG CỦA MẠNG KHƠNG DÂY AD-HOC .28 HÌNH 3.2 NHỮNG LĨNH VỰC LIÊN QUAN CÙNG VỚI NHỮNG LỢI ÍCH CỦA CCN 31 HÌNH 4.1 MƠ HÌNH CCN TRONG MẠNG KHƠNG DÂY 41 HÌNH 4.2 THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM 42 HÌNH 4.3 DANH SÁCH VÀ CẤU HÌNH THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM 42 HÌNH 4.4 CẤU HÌNH IP CHO SERVER 43 HÌNH 4.5 CHỈ THƯ MỤC CHỨA REPOSITORY 43 HÌNH 4.6 KHỞI ĐỘNG DỊCH VỤ 44 HÌNH 4.7 KHỞI CHẠY REPOSITORY 44 HÌNH 4.8 TẢI TẬP TIN LÊN REPOSITORY 44 HÌNH 4.9 ĐỊNH TUYẾN GĨI TIN 45 HÌNH 4.10 TẢI TẬP TIN TỪ SERVER VỀ 45 HÌNH 4.11 BIỂU ĐỒ TRUYỀN FILE BẰNG GIAO THỨC CCN 45 ix HINH 4.12 BIỂU DỒ TRUYỀN FILE BẰNG GIAO THỨC TCP/IP 46 HÌNH 4.13 KỊCH BẢN THỰC NGHIỆM MỘT .47 HÌNH 4.14 TÍN HIỆU SĨNG MỘT 47 HÌNH 4.15 SO SÁNH THƠNG LƯỢNG HAI GIAO THỨC TCP VÀ CCN TRÊN THỰC NGHIỆM MỘT .48 HÌNH 4.16 ĐỘ SAI SỐ CỦA HAI GIAO THỨC TRÊN THỰC NGHIỆM MỘT 48 HÌNH 4.17 GĨI RỚT TRÊN THỰC NGHIỆM MỘT .49 HÌNH 4.18 KỊCH BẢN THỰC NGHIỆM 49 HÌNH 4.19 TÍN HIỆU SĨNG 50 HÌNH 4.20 SO SÁNH THÔNG LƯỢNG HAI GIAO THỨC TCP VÀ CCN TRÊN THỰC NGHIỆM HAI .50 HÌNH 4.21 ĐỘ SAI SỐ CỦA HAI GIAO THỨC TRÊN THỰC NGHIỆM HAI 51 HÌNH 4.22 GÓI RỚT TRÊN THỰC NGHIỆM HAI .51 HÌNH 4.23 HÌNH THỰC NGHIỆM BA 52 HINH 4.24 TÍN HIỆU SÓNG 53 HÌNH 4.25 SO SÁNH THƠNG LƯỢNG HAI GIAO THỨC TCP VÀ CCN TRÊN THỰC NGHIỆM BA 53 HÌNH 4.26 ĐỘ SAI SỐ CỦA HAI GIAO THỨC TRÊN THỰC NGHIỆM BA 54 HÌNH 4.27 GĨI RỚT TRÊN THỰC NGHIỆM BA 54 HÌNH 4.28 MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 55 HÌNH 4.29 MƠ HÌNH THỰC TẾ 56 HÌNH 4.30 SO SÁNH THƠNG LƯỢNG HAI GIAO THỨC TCP VÀ CCN TRÊN TÁM MÁY 56 HÌNH 4.31 SO SÁNH ĐỘ SAI SỐ CỦA HAI GIAO THỨC TRÊN HỆ THỐNG TÁM MÁY 57 HÌNH 4.32 GÓI RỚT TRONG CẢ GIAO THỨC KHI SỬ DỤNG TRÊN CÙNG HỆ THỐNG TÁM MÁY 57 Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vấn đề cần nghiên cứu CCN(Content Centric Networking)[1] hay gọi CCNx, dự án mã nguồn mở công bố lần đầu vào năm 2009 PARC ( Palo Alto Research Center) Bài báo đánh dấu đời “Networking Named Content” [2] Van Jacobson cộng ông Bài báo đưa giao thức CCNx mô tả cụ thể cách thức hoạt động giao thức CCN dịch chuyển mô hình Internet từ kết nối điểm - điểm mạng IP sang mạng trung tâm phổ biến CCN giải vài vấn đề mạng Internet nghẽn mạng, truyền tải nội dung bảo mật…Mạng CCN truy nhập nội dung tên Tất nội dung xác định, gán địa nhận dựa vào tên thay vị trí vật lý Một người dùng yêu cầu nội dung cách gửi gói Interest đến mạng Gói Interest tìm kiếm thơng qua định tuyến CCN liệu tìm thấy Data trả phía người dùng gửi yêu cầu Tuy nhiên nút mạng lưu trữ gói Data để phục vụ cho yêu cầu tương lai Đề tài tiến hành nghiên cứu giao thức CCNx, thực đo lường đánh giá tốc độ vận chuyển CCNx qua giao thức TCP, từ đưa đánh giá cụ thể đặc biệt hỗ trợ hệ thống mạng khơng dây 1.2 Lý chọn đề tài Ngày nay, công nghệ thơng tin đóng vai trị quan trọng việc phát triển xã hội, thời đại Cùng với đó, lĩnh vực mạng máy tính phát triển nhanh chóng mạnh mẽ, số lượng người sử dụng Internet để truy cập tài nguyên mạng trang web, dịch vụ âm thanh, hình ảnh, video….ngày tăng lên Chính vậy, vấn đề đặt nhiều thách thức cho việc đáp ứng yêu cầu truyền liệu mạng như: băng thơng lớn, tốc độ bit cao, có độ trễ thấp; người dùng 46 Dùng Wireshark tiến thành đo tốc độ truyền file giao thức TCP ta có biểu đồ hình 4-12 Time/s Gói tin truyền tốt Gói rớt Hình 0.12 Biểu đồ truyền file giao thức TCP/IP 2.10 Kịch thực nghiệm Chúng kết nối card không dây laptop access point với điểm phát sóng wifi tên CCN 2.10.1 Kịch thực nghiệm Máy Client kết nối đến máy Server điều kiện tốt (khoảng cách đặt máy Client Server m) 47 Hình 0.13 Kịch thực nghiệm Hình 0.14 Tín hiệu sóng Ở mơ hình tín hiệu kết nối sóng wifi card mạng khơng dây laptop đến thiết bị access point mức tốt nhất, khoảng cách từ laptop đến thiết bị access point có khoảng cách gần 48 Tín hiệu sóng Wi-fi đặt gần access point, thực nghiệm nhiều lần vẽ biểu đồ so sánh thông lượng cho hai giao thức Hình 0.15 So sánh thơng lượng hai giao thức TCP CCN thực nghiệm Sau phân tích cho biểu đồ so sánh thơng lượng hai giao thức vẽ biểu đồ độ sai số hai giao thức khoản cách nguồn định Hình 0.16 Độ sai số hai giao thức thực nghiệm Trong hai giao thức sử dụng nguồn phát khoản cách không tránh khỏi khả không kết nối từ Client đến Server, điều kiện lý tưởng giao thức CCN khơng bị gói tin 49 Hình 0.17 Gói rớt thực nghiệm Kết luận thực nghiệm một: - Từ kết thực nghiệm thấy giao thức CCN cho ta hiệu cao giao thức TCP - Giao thức CCN giúp cho Receiver tải liệu cách nhanh chóng thơng qua chế cache 2.10.2 Kịch thực nghiệm Hình 0.18 Kịch thực nghiệm 50 Ở mơ hình laptop kết nối tới thiết bị access point có mức băng thơng thấp kết nối đến access point xa tầm phủ sóng thiết bị, bị chướng ngại vật tường, cửa nhà, Hình 4.19 bên cho ta thấy thơng số tín hiệu sóng điểm phát sóng Hình 0.19 Tín hiệu sóng Laptop di chuyển đến chỗ xa hơn, vị trí cách vị trí đặt access point tầm 15m chúng tơi thực nghiệm nhiều lần vẽ biểu đồ so sánh thơng lượng cho hai giao thức Hình 0.20 So sánh thông lượng hai giao thức TCP CCN thực nghiệm hai 51 Sau phân tích cho biểu đồ so sánh thông lượng hai giao thức sau vẽ biểu đồ, độ sai số hai giao thức khoản cách nguồn định Hình 0.21 Độ sai số hai giao thức thực nghiệm hai Trong hai giao thức sử dụng nguồn phát khoản cách không tránh khỏi khả không kết nối từ Client đến Server, điều kiện sóng wifi mức trung bình hai giao thức điều bị gói tin Hình 0.22 Gói rớt thực nghiệm hai 52 Kết luận thực nghiệm hai: - Do khơng có sử dụng tính cache nên hiệu giao thức CCN cao không nhiều so với giao thức TCP - Ở khoảng cách hai giao điều có độ biến thiên thơng lượng truyền tải liệu cao 2.10.3 Kịch thực nghiệm Hình 0.23 Hình thực nghiệm ba Ở mơ hình laptop kết nối tới thiết bị access point có mức băng thơng thấp kết nối đến access point xa tầm phủ sóng thiết bị, bị chướng ngại vật tường, cửa nhà, Hình 4.24 bên cho ta thấy thơng số tín hiệu sóng điểm phát sóng 53 Hình 0.24 Tín hiệu sóng Tín hiệu sóng Wi-fi tương đương nhau, vị trí cách vị trí đặt access point tầm 25m thực nghiệm nhiều lần vẽ biểu đồ so sánh thông lượng cho hai giao thức Ở khoản cách sóng liên tục bị mất,và bị ngắt kết nối mạng Hình 0.25 So sánh thơng lượng hai giao thức TCP CCN thực nghiệm ba 54 Sau phân tích cho biểu đồ so sánh thơng lượng hai giao thức sau vẽ biểu đồ độ sai số hai giao thức khoản cách nguồn định Ở lần thực nghiệm thứ ba độ sai số lớn khoản cách gói tin truyền bị đứt quãng Hình 0.26 Độ sai số hai giao thức thực nghiệm ba Như hình 4.27 so sánh độ rớt gói hai giao thức, laptop vị trí cách xa access point thấy giao thức TCP kết nối khơng ổn định CCN Ở khoản cách bị vật cản nên chắn nên sóng truyền đến từ access point bị chập chờn dẫn đến kết nối hoàn toàn Hình 0.27 Gói rớt thực nghiệm ba 55 Kết luận thực nghiệm ba: - Ở mơ hình thực nghiệm độ nhiễu sóng khơng dây cao nên thông lượng truyền tải liệu hai giao thức thấp - Giao thức CCN có thơng lượng cao giao thức TCP 2.10.4 Kịch thực nghiệm Ở mơ hình thực nghiệm hệ thống access point Reciever khoảng cách từ 5m, tải liệu với kích thước giống khoảng cách cho thấy rõ hiệu CCNx Hình 0.28 Mơ hình thực nghiệm 56 Hình 0.29 Mơ hình thực tế Hình 0.30 So sánh thông lượng hai giao thức TCP CCN tám máy Kế tiếp dựa thông lượng cho biểu đồ độ sai số cho thấy khác hai giao thức hệ thống tám máy 57 Hình 0.31 So sánh độ sai số hai giao thức hệ thống tám máy Trong hình 4.32 cho thấy gói tin rớt hai giao thức thử nghiệm hệ thống tám máy Hình 0.32 Gói rớt giao thức sử dụng hệ thống tám máy Kết luận thực nghiệm bốn : - Do ưu điểm giao thức CCN chạy cache nên số lượng truy cập user lớn hiệu cao 58 - Do chức cache CCN nên thông lượng truyền tải liệu CCN cao hẳn giao thức TCP 2.11 Kết luận chương Chương tiến hành nghiên cứu mã nguồn CCNx, cách cài đặt thực thi mạng CCNx đồng thời nghiên cứu triển khai thử nghiệm mạng CCNx môi trường thực tế mạng không dây cách xây dựng Repository server LAN client chạy hệ điều hành Ubuntu truy cập file từ xa, kết thực nghiệm cho kết tốt, file thực nghiệm truyền tải cách nhanh chóng, có độ tin cậy cao Đề tài hồn thành công việc sau: - Xây dựng hệ thống mạng không dây sử dụng giao thức CCNx - Đã thực nghiệm server sử dụng giao thức CCNx - Đã thực nghiệm giao thức CCNx môi trường không dây - Đưa cách thức lấy thống số, vẽ biểu đồ thông số đường truyền theo thời gian đơn vị tính giây - Đưa tốc độ đường truyền, số liệu gói tin bị đường truyền sử dụng giao thức : CCNx, TCP/IP để truyền tải data từ Server ngược lại Đề tài chưa hồn thành cơng việc sau: - Do thời gian có hạn nên chưa đánh giá chất lượng truyền cho nhiều user truy cập lúc - Chưa thiết lập hệ thống nhiều node mạng CCN Ưu điểm : - Giao thức CCNx tương thích với phần cứng hệ thống switch, router, access point, để chuyển sang hệ thống sử dụng giao thức CCNx ta đầu tư khoảng chi phí thấp lại mang lại hiệu cao 59 - Giao thức CCNx đáp ứng nhu cầu trao đổi liệu ngày cao người dùng nhà cung cấp dịch vụ nội dung: đảm bảo tính sẵn sàng cao, giảm tải hệ thống, giảm băng thông - Giao thức CCNx hỗ trợ nhiều hệ điều hành như: IOS, android, Linux, - Truyền tải nhiều đường kết nối nên đường kết nối bị đứt kết nối trình truyền tải diễn bình thường - Sử dụng giao thức CCNx tốc độ truyền tải file cải thiện đáng kể ổn định so với sử dụng giao thức TCP/IP Nhược điểm : - Hiệu không cao nhiều so với TCP tất đường truyền có băng thơng cao điều kiện truyền tải liệu không lớn - Không hỗ trợ hệ điều hành Windows 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] B Ahlgren, C Dannewitz, C Imbrenda, D Kutscher, B Ohlman, A survey of information-centric networking, IEEE Commun Mag 50 (7) (2012) [2] Named Data Networking (NDN) Project < https://named-data.net/> Truy cập ngày 13/03/2016 [3] Content-centric wireless networking: A survey Computer Networks Volume 72, 29 October 2014, Pages 1-13 [4] I Chlamtac, M Conti and J Liu, "Mobile Ad Hoc Networking: Imperatives and Challenges", Ad Hoc Network J., vol 1, no 1, Jan.-Feb.-Mar 2003 pp 85-96 [5] Wireless mesh networks: a survey Computer Networks Volume 47, Issue 4, 15 March 2005, Pages 445–487 [6] M Conti, S Giordano, Multihop ad hoc networking: the reality, IEEE Commun Mag 45 (4) (2007) 88-95 [7] CCN-WSN - A lightweight, flexible Content-Centric Networking protocol for wireless sensor networks, IEEE, 13 June 2013, papers 123-128 [8] The Network Simulator-3 (ns-3) Truy cập ngày 25/05/2016 [9] A Afanasyev, I Moiseenko, L Zhang, ndnSIM: NDN Simulator for NS-3, NDN Project, Tech Rep NDN-0005, July 2012 [10] CCNx Project Truy cập ngày 13/03/2016 ... Chương CONTENT CENTRIC NETWORKING TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG DÂY 26 2.4 Vấn đề CCN mạng không dây 26 2.5 Content- centric wireless networking 26 2.5.1 Các tính mạng khơng dây. .. cần phải vào nghiên cứu để kiểm chứng đánh giá cách cụ thể, đặc biệt hỗ trợ với tính di động Chính tơi chọn đề tài ? ?Nghiên cứu hiệu Content Centric Networking – CCN môi trường không dây? ?? 1.3 Các... TPHCM, ngày 28 tháng 07 năm 2016 Lê Trường Thành iii TÓM TẮT Trong đề tài tơi trình bày cách thức đánh giá hiệu Content Centric Networking môi trường mạng không dây Đưa thống số đường truyền sử