Giải pháp phục hồi lỗi trong mạng SDN over IP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Tạ Minh Trí Giải pháp phục hồi lỗi mạng SDN-over-IP Chuyên ngành: Truyền thông Mạng máy tính LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS.TS Ngô Hồng Sơn HÀ NỘI – 2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi – Tạ Minh Trí – cam kết luận văn cơng trình nghiên cứu thân hướng dẫn PGS.TS Ngô Hồng Sơn Các kết nêu luận văn trung thực, khơng phải chép tồn văn cơng trình khác Hà Nội, ngày 25 tháng năm 2018 Học viên Tạ Minh Trí ĐẶT VẤN ĐỀ Tổng quan Mục tiêu Phương pháp giải Nội dung luận văn .7 Chương 1: Cơ sở lý thuyết .8 1.1 Tổng quan Software-Defined Networking .8 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Open flow 1.1.3 OpenvSwitch 10 1.2 Ứng dụng SDN .10 1.2.1 Phạm vi doanh nghiệp 11 1.2.2 Phạm vi nhà cung cấp hạ tầng dịch vụ viễn thông 11 Chương 2: Ứng dụng thuật toán Girvan-Newman vào mạng SDN 13 2.1 Một số thuật toán .13 2.1.1 Thuật toán Dijkstra 13 2.1.2 Thuật toán phát cộng đồng 15 2.2 Tích hợp thuật tốn toán Girvan-Newman vào mạng SDN .26 2.2.1 Mơ hình hệ thống 26 2.2.2 Khung đề xuất 28 Chương 3: Mô kết thử nghiệm 32 3.1 Mô mạng SDN nhận địa IP từ Vmware giao tiếp với môi trường Internet .32 3.2 Tích hợp thuật tốn Dijkstra vào mạng SDN môi trường mininet 38 3.3 Triển khai đánh giá toán đặt Mininet 40 3.4 Kết luận 49 KẾT LUẬN 50 DANH MỤC THAM KHẢO .52 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn tốt nghiệp này, xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn luận văn tốt nghiệp, PGS.TS Ngô Hồng Sơn, Bộ mơn Truyền thơng Mạng máy tính, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Thầy nhiệt tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức cần thiết định hướng cho tơi q trình thực đề tài Tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Bộ mơn Truyền thơng Mạng máy tính, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Dù cố gắng luận văn chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận ý kiến đóng góp thầy cô Tôi xin chân thành cảm ơn! ĐẶT VẤN ĐỀ Tổng quan Internet hệ thống mạng nói chung đóng vai trị thiết yếu việc thay đổi cách sống thông qua việc tạo nhiều loại công nghệ tham gia vào hoạt động hàng ngày phương tiện truyền thông xã hội, kinh tế kinh doanh Các thiết bị mạng trao đổi liệu mạng lưới đa dạng Hiện có khoảng tỷ thiết bị kết nối Internet vào năm 2017 số tăng gấp đôi vào năm 2020 Tuy nhiên, sở hạ tầng mạng IP khơng có khả đáp ứng số lượng lớn thiết bị, việc phân tầng Internet mong đợi[1] Giải pháp hiệu để giải vấn đề thay hệ thống mạng phức tạp cứng nhắc hệ thống mạng lập trình Hệ thống mạng lưới kiểm soát tập trung phần mềm (SDN) kết trình dài nỗ lực thực nhằm mục đích đơn giản hóa việc quản lý kiểm sốt mạng máy tính[2] Trong mặt phẳng SDN, điều khiển tách khỏi mặt phẳng liệu đặt vị trí trung tâm thường gọi điều khiển mạng hệ điều hành mạng Do tách rời này, phần tử chuyển tiếp mạng (ví dụ định tuyến chuyển mạch) trở thành thiết bị ảo hóa, điều khiển điều khiển mạng Giao thức OpenFlow[3] thường sử dụng để thiết lập kết nối phần tử chuyển tiếp liệu điều khiển, điều khiển gửi quy tắc chuyển tiếp tới thiết bị nằm vùng Mặc dù mạng SDN mang lại lợi ích đáng kể cho khái niệm mạng, số thách thức kèm với đổi xảy lỗi, cấu hình, bảo mật hiệu năng[5] Do đó, mục tiêu luận văn loại bỏ hạn chế mạng SDN thông qua việc giảm thiểu thách thức, khả chịu lỗi hệ thống mạng Mục tiêu Software-defined networking mơ hình mạng phát triển, giải pháp đầy hứa hẹn để giải không linh hoạt mạng IP cổ điển Cách tiếp cận tập trung mạng SDN tạo nhiều thách thức việc tối ưu hóa mạng cấp độ khác Fault Tolerance coi thách thức nghiên cứu mà Software-defined networking phải đối mặt, chúng tơi giới thiệu phương pháp để tính tốn phương pháp tìm đường thay mạng lưới kiểm soát tập trung Software-defined networking Phương pháp đề xuất nhằm giảm chi phí hoạt động cập nhật mà điều khiển mạng Software-defined networking sử dụng để phục hồi từ lỗi liên kết Thông qua việc sử dụng nguyên tắc phát cộng đồng, xác định mơ hình mạng nhằm nâng cao khả chịu lỗi mạng Dựa kết quả, số hướng xa đề xuất bối cảnh học máy để đạt tiến lĩnh vực nghiên cứu Phương pháp giải Vấn đề chịu lỗi phục hồi lỗi mạng SDN nghiên cứu, tơi thảo luận tài liệu liên quan phần Vì mạng SDN có hai mặt phẳng riêng biệt (kiểm sốt liệu), mặt phẳng dễ bị lỗi Cơ chế phục hồi sau lỗi mặt phẳng liệu phân loại thành kỹ thuật bảo vệ phục hồi[6] Trong phương thức bảo vệ, gọi chủ động, các đường dẫn dự phòng xác định giai đoạn đầu liên kết thất bại, gói liệu truyền thơng qua đường dẫn lưu trực tiếp thời điểm thất bại Mặt khác, phương thức phục hồi, gọi phản ứng, đường dẫn dự phòng xác định điều khiển sau xảy lỗi, cần thêm thời gian để thiết lập đường thay phát Các liên quan trong[7] và[8] cách phục hồi liệu nhanh đạt cách tiếp cận phương thức bảo vệ Tuy nhiên, chi phí cho chế chủ động cao tiêu thụ dung lượng Bộ nhớ địa Ternary (TCAM)[6] nơi lưu trữ quy tắc chuyển tiếp Ngồi ra, khơng có đảm bảo đường dẫn lên kế hoạch trước tốt đường dẫn bị lỗi Ngược lại, số liên quan tìm hiệu phương pháp phản ứng Trong bối cảnh này, viết trong[9] và[10] cách phục hồi nhanh thực được, nhiên hai cơng trình, cấu trúc liên kết thử nghiệm có quy mơ nhỏ (tương ứng 14 nút) Hơn nữa, thời gian xử lý để thiết lập đường dẫn chọn bị bỏ qua, yêu cầu mạng SDN để định tuyến từ đường bị ảnh hưởng đến đường dẫn lưu Không giống nghiên cứu trước đây, viết liên quan[12] đề xuất phương pháp để phục hồi nhanh cách giảm thời gian xử lý, thường trả điều khiển, thông qua việc tìm đường thay (từ đầu đến cuối) có yêu cầu vận hành tối thiểu Nhược điểm cơng việc khơng đảm bảo tính nút Ngồi ra, thiếu thơng tin liên quan đến công cụ mô sử dụng Tất vấn đề thúc đẩy nỗ lực để nghiên cứu giải pháp khả thi cho vấn đề khả chịu lỗi mạng SDN Nội dung luận văn Nội dung luận văn bao gồm chương: Chương 1: Tổng quan Software-Defined Networking Chương 2: Sử dụng thuật toán phát cộng đồng Girvan-Newman vào mạng Software-Defined Networking Chương 3: Mô mạng SDN giao tiếp với Internet đánh giá kết thử nghiệm sau áp dụng thuật toán phát cộng đồng Girvan-Newman Chương 1: Cơ sở lý thuyết 1.1 Tổng quan Software-Defined Networking 1.1.1 Giới thiệu Mạng SDN hay mạng điều khiển phần mềm (Software Defined Networking) [4] dựa chế tách riêng việc kiểm soát luồng mạng với luồng liệu (control plane data plane) SDN dựa giao thức luồng mở (Open Flow) kết nghiên cứu Đại học Stanford California Berkeley SDN tách định tuyến luồng liệu thành phần riêng rẽ Flow Controller thành phần kiểm sốt luồng Điều cho phép luồng gói liệu qua mạng kiểm soát theo lập trình Trong mạng SDN, control plane tách từ thiết bị vật lý chuyển đến điều khiển Bộ điều khiển nhìn thấy tồn mạng lưới, cho phép kỹ sư mạng làm cho sách chuyển tiếp tối ưu dựa toàn mạng Các điều khiển tương tác với thiết bị mạng vật lý thông qua giao thức chuẩn OpenFlow Kiến trúc mạng SDN gồm lớp riêng biệt: lớp ứng dụng, lớp điều khiển, lớp sở hạ tầng (lớp chuyển tiếp) Hình 1: Model lớp SDN Lớp ứng dụng: Là ứng dụng kinh doanh triển khai mạng, kết nối tới lớp điều khiển thông qua API, cung cấp khả cho phép lớp ứng dụng lập trình lại (cấu hình lại) mạng (điều chỉnh tham số trễ, băng thông, định tuyến, …) thông qua lớp điều khiển Lớp điều khiển: Là nơi tập trung điều khiển thực việc điều khiển cấu hình mạng theo yêu cầu từ lớp ứng dụng khả mạng Các điều khiển phần mềm lập trình Lớp sở hạ tầng: Là thiết bị mạng thực tế(vật lý hay ảo hóa) thực việc chuyển tiếp gói tin theo điều khiển lớp điểu khiển Một thiết bị mạng hoạt động theo điều khiển nhiều điều khiển khác nhau, điều giúp tăng cường khả ảo hóa mạng 1.1.2 Open flow OpenFlow tiêu chuẩn đầu tiên, cung cấp khả truyền thông giao diện lớp điều khiển lớp chuyển tiếp kiến trúc SDN OpenFlow cho phép truy cập trực tiếp điều khiển mặt phẳng chuyển tiếp thiết bị mạng switch router, thiết bị vật lý thiết bị ảo, giúp di chuyển phần điều khiển mạng khỏi thiết bị chuyển mạch thực tế tới phần mềm điều khiển trung tâm Các định luồng traffic định tập trung OpenFlow Controller giúp đơn giản việc quản trị cấu hình tồn hệ thống Một thiết bị OpenFlow bao gồm thành phần: • Secure Channel: kênh kết nối thiết bị tới điều khiển (controller), cho phép lệnh gói tin gửi điều khiển thiết bị • OpenFlow Protocol: giao thức cung cấp phương thức tiêu chuẩn mở cho điều khiển truyền thơng với thiết bị • Flow Table: liên kết hành động với luồng, giúp thiết bị xử lý luồng 1.1.3 OpenvSwitch OpenvSwitch (OVS) dự án chuyển mạch ảo đa lớp (multilayer) Mục đích OpenvSwitch cung cấp lớp chuyển mạch cho mơi trường ảo hóa phần cứng, hỗ trợ nhiều giao thức tiêu chuẩn sử dụng hệ thống chuyển mạch thông thường OpenvSwitch hỗ trợ nhiều cơng nghệ ảo hóa dựa tảng Linux Xen/XenServer, KVM, VirtualBox Hình 2: Hỗ trợ cơng nghệ ảo hóa đa tảng OpenvSwitch hỗ trợ tính sau: - VLAN tagging & 802.1q trunking - Standard Spanning Tree Protocol(802.1D) - LACP - Port Mirroring (SPAN/RSPAN) Tunneling Protocols - QoS Các thành phần OpenvSwitch: ovs-vswitchd: thực chuyển đổi luồng chuyển mạch ovsdb-server: lightweight database server, cho phép ovs-vswitchd thực truy vấn đến cấu hình ovs-dpctl: cơng cụ để cấu hình switch kernel module ovs-vsctl: tiện ích để truy vấn cập nhật cấu hình ovs-vswitchd ovs-appctl: tiện ích gửi command để chạy OpenvSwitch 1.2 Ứng dụng SDN Với lợi ích mà mạng SDN mang lại, SDN triển khai phạm vi doanh nghiệp (Enterprises) nhà cung cấp hạ tầng dịch vụ viễn thông để giải yêu cầu nhà cung cấp phân cấp thị trường 10 3.3 Triển khai đánh giá tốn đặt Mininet - Mơi trường Mininet - Controller pox + Có host: host 1: Tên h1, địa mac:000000000001, link với s1 Tên h2, địa mac:000000000002, link với s36 Do không muốn gói tin ARP ảnh hưởng đến hệ thống nên sử dụng ARP tĩnh + Có 37 switchs + Có controller Khởi tạo mơi trường Thuật tốn - Khởi tạo controller môi trường POX Controller làm nhiệm vụ chạy thuật toán Givan&Newman để chia thành vùng (cluster) Dùng thuật tốn Dijkstra để tìm định tuyến để Ping từ h1 đến h2 Khởi trạo Controller 40 - Thiết lập mô host, 37 switchs Thiết lập switch host Khởi tạo thành công gồm 37 switch 57 links liên kết switch Mô switch đường nối sử dụng thư viện matplotlib, networkx, python-igraph 41 Mô hình kết nối s1 đến s37( switch) c0(controller) Với mơ hình sau chạy thuật toán Girvan & Newman để phân chia lại switchs ta Khỏi tạo vùng 42 Vùng 1: [ 1,2,3,4,5 ] Vùng 2:[6,7,8,9,10,11,12,13,14,37] Vùng 3:[15,16,17,18,19,20,21] Vùng 4:[22,23,24,25,26,27] Vùng 5:[28,29,30,31,32,33,34,35,36] Ta ping từ host -> host2 Ta thấy host qua [1,2,3,13,15,17,34,36] Ta thử Link s13 -> s15 down 43 Ta ping lại thấy host là[1,2,3,13,16,17,34,36] Đo đô delay gửi gói tin ICMP host hà host 44 Stime[0], Rtime[0] thời gian gói ICMP request h1 đến h2 -> thời gian để kết thúc: 37.148400 – 37.046058=102342 Stime[1], Rtime[1] thời gian gói ICMP response h2 đến h1-> thời gian để kết thúc: 37.277418-37.148424=128994 Stime[2], Rtime[2] thời gian gói ICMP request h1 đến h2 (khi link s13 s15 down)-> thời gian để kết thúc:37.606172-37.452515=153657 Stime[3], Rtime[3] thời gian gói ICMP response h2 đến h1 (khi link s13 s15 down)-> thời gian để kết thúc: 37.764945-37.606210=158735 Thuật toán 2: Controller làm nhiệm vụ chạy thuật toán Givan&Newman để chia thành vùng (cluster) Dùng thuật toán Dijkstra để tìm định tuyến cluster xác định bị down Khởi tạo tương tự với trường hợp 45 Lúc thuật toán thay link s13->s15 s13->s12->s14->s15 Kết 46 Stime[0], Rtime[0] thời gian gói ICMP request h1 đến h2 -> thời gian để kết thúc: 24.009971 – 23.902262=107708 Stime[1], Rtime[1] thời gian gói ICMP response h2 đến h1-> thời gian để kết thúc: 24.130135-24.009994=120141 Stime[2], Rtime[2] thời gian gói ICMP request h1 đến h2 (khi link s13 s15 down)-> thời gian để kết thúc:26.146755-26.110022=36733 Stime[3], Rtime[3] thời gian gói ICMP response h2 đến h1 (khi link s13 s15 down)-> thời gian để kết thúc: 26.198681-26.146775=51906 Kết Luận • Thuật tốn 47 Micro giây 180000 160000 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 Thời gian Ping h1 >h2 Thời gian Ping h2 >h1 Trước xuất lỗi Sau xuất lỗi Khi mạng ổn định 102342 153657 28700 128994 158735 28720 • Thuật toán Micro giây 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 Thời gian Ping từ h1 > h2 Thời gian ping từ h2 > h1 Trước xuất lỗi Sau xuất lỗi Khi mạng ổn định 107708 36733 29823 120141 51906 30823 Tôi nhận thấy với thuật tốn thời gian để phục hồi mạng giảm rõ rệt so với thuật toán 48 3.4 Kết luận Chương giới thiệu cách sử dụng Mininet mơ q trình hoạt động thuật toán để mang đánh giá Thuật toán phân tách mạng thành vùng để xử lý việc kết nỗi nodes vùng Sau áp dụng vào tốn tìm đường điển hình so sánh kết so với ban đầu Qua thể hiệu trình chuyển đổi thành vùng mạng 49 KẾT LUẬN Luận văn cung cấp cách tiếp cận để cải thiện khả chịu lỗi mạng Software-Defined Networking Tơi xác định mơ hình mạng dựa lý thuyết phân vùng lý thuyết đồ thị để thể phần lý thuyết Các kết thử nghiệm, thực thông qua công cụ mô tiếng, chứng minh phương pháp đề xuất giúp cải thiện hiệu suất phản ứng phục hồi lỗi thông qua phân vùng cấu trúc liên kết mạng thành số lượng định nhóm khơng chồng chéo Cách tiếp cận đề xuất chưa khám phá, điều chứng tỏ luận văn cho thấy phân vùng kỹ thuật hướng tới cho việc tăng cường khả phục hồi khả chịu lỗi mạng SDN Trong tương lai, nghiên cứu thêm học máy, theo hướng giải pháp định tuyến điều chỉnh động , cập nhật theo thống kê liệu mạng Nói cách khác, mục đích tơi liên quan đến vấn đề để mạng tự học định tuyến , đạt tìm kiếm tối ưu tồn mạng để tìm đường ngắn nodes mạng Các đóng góp luận văn Thứ nhất: đưa giải pháp kết nối nhiều vùng mininet với vùng giao tiếp mạng Internet Thứ hai: nghiên cứu phương pháp phân cụm dựa cấu trúc liên kết mạng Thứ ba: nghiên cứu hướng phát triển để giải toán phục hồi khả chịu lỗi mạng môi trường SDN Thứ tư: thử nghiệm đánh giá thông qua công cụ mô tiếng mininet chứng minh phương pháp phân vùng ảo hiệu việc phục hồi mạng Hướng phát triển Hiện tại, luận văn đưa việc khắc phục lỗi vùng phân chia mạng Vấn đề liên kết vùng xảy cố không kết nối 50 Do thời gian thực không nhiều nên chắn luận văn tránh khỏi hạn chế thiếu sót Tơi mong nhận ý kiến đóng góp thầy bạn đọc để luận văn ngày hoàn thiện hơn.Xin chân thành cảm ơn! 51 DANH MỤC THAM KHẢO [1] Lin, P., Bi, J., Hu, H., Feng, T., & Jiang, X (2011, Novtôiber) A quick survey on selected approaches for preparing programmable networks In Proceedings of the 7th Asian Internet Engineering Conference (pp 160-163) ACM [2] Feamster, N., Rexford, J., & Zegura, E (2014) The road to SDN: an intellectual history of programmable networks ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 44(2), 87-98 [3] McKeown, N., Anderson, T., Balakrishnan, H., Parulkar, G., Peterson, L., Rexford, J., & Turner, J (2008) OpenFlow: enabling innovation in campus networks ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 38(2), 69-74 [4] https://www.opennetworking.org/ [5] Wickboldt, J A., De Jesus, W P., Isolani, P H., Both, C B., Rochol, J., & Granville, L Z (2015) Software-defined networking: managtôient requirtôients and challenges IEEE Communications Magazine, 53(1), 278-285 [6] Akyildiz, I F., Lee, A., Wang, P., Luo, M., & Chou, W (2014) A roadmap for traffic engineering in SDN-OpenFlow networks Computer Networks, 71, 1-30 [7] Ktôipf, J., Bellagamba, E., Kern, A., Jocha, D., Takcs, A., & Skldstrm, P (2012, June) Scalable fault managtôient for OpenFlow In Communications (ICC), 2012 IEEE International Conference on (pp 6606-6610) IEEE [8] Sgambelluri, A., Giorgetti, A., Cugini, F., Paolucci, F., & Castoldi, P (2013) OpenFlow-based segment protection in Ethernet networks Journal of Optical Communications and Networking, 5(9), 1066-1075 [9] Sharma, S., Staessens, D., Colle, D., Pickavet, M., & Dtôieester, P (2011, October) Enabling fast failure recovery in OpenFlow networks In Design of Reliable Communication Networks (DRCN), 2011 8th International Workshop on the (pp 164171) IEEE [10] Staessens, D., Sharma, S., Colle, D., Pickavet, M., & Dtôieester, P (2011, October) Software defined networking: Meeting carrier grade requirtôients In Local 52 & Metropolitan Area Networks (LANMAN), 2011 18th IEEE Workshop on (pp 1-6) IEEE [11] Astaneh,S.A.,& Heydari,S S (2016).Optimization of SDN flow operations in multi-failure restoration scenarios.IEEE Transactions on Network and Service Managtôient,13(3),421-432 [12] SNDlib library, http://sndlib.zib.de [13] Dijkstra, E W (1959) A note on two probltôis in connexion with graphs Numerische mathtôiatik, 1(1), 269-271 [14] POX , https://openflow.stanford.edu/display/ONL/POX+Wiki [15] Shalimov, A., Zuikov, D., Zimarina, D., Pashkov, V., & Smeliansky, R (2013, October) Advanced study of SDN/OpenFlow controllers In Proceedings of the 9th central & eastern european software engineering conference in russia (p 1) ACM [16] Schult, D A., & Swart, P (2008, August) Exploring network structure, dynamics, and function using NetworkX In Proceedings of the 7th Python in Science Conferences (SciPy 2008) (Vol 2008, pp 11-16) [17] Girvan, M., & Newman, M E (2002) Community structure in social and biological networks Proceedings of the national acadtôiy of sciences, 99(12), 78217826 [18] Csardi, G., & Nepusz, T (2006) The igraph software package for complex network research InterJournal, Complex Systtôis, 1695(5), 1-9 [19] Lantz, B., Heller, B., & McKeown, N (2010, October) A network in a laptop: rapid prototyping for software-defined networks In Proceedings of the 9th ACM SIGCOMM Workshop on Hot Topics in Networks (p 19) ACM [20] Santo Fortunato (2010), Community detection in graphs, Technical Report, Complex Networks and Systems Lagrange Laboratory, ISI Foundation, Torino, ITALY, arXiv:0906.0612v2 (2010) [21] M E J Newman and M Girvan, Finding and evaluating community structure in networks Preprint cond-mat/0308217 (2003) 53 [22] Matthew J.Rattigan, Marc Maier, David Jensen (2007), Graph clustering with netword structure indices, ICML 2007, 783-790 [23] Jiyang Chen, Community Mining-Discovery Communities in Social Network, Thesis, University of Alberta, 2010 [24].Steve Gregory: An Algorithm to Find Overlapping Community Structure in Networks PKDD 2007 [25] Steve Gregory Finding Overlapping Communities Using Disjoint Community Detection Algorithms CompleNet 2009: 47-61 54 ... Phương pháp giải Vấn đề chịu lỗi phục hồi lỗi mạng SDN nghiên cứu, tơi thảo luận tài liệu liên quan phần Vì mạng SDN có hai mặt phẳng riêng biệt (kiểm sốt liệu), mặt phẳng dễ bị lỗi Cơ chế phục hồi. .. Software-defined networking mơ hình mạng phát triển, giải pháp đầy hứa hẹn để giải không linh hoạt mạng IP cổ điển Cách tiếp cận tập trung mạng SDN tạo nhiều thách thức việc tối ưu hóa mạng cấp độ khác Fault... cận để tối ưu hóa phục hồi mạng SDN thông qua việc đẩy nhanh trình phục hồi lỗi Bằng cách chia đồ thị mạng G thành số vùng định, giả sử xảy lỗi liên kết có clique bị lỗi Trong đó, cliques khác hoạt