Định tuyến động qos cho các ứng dụng đa phương tiện trên sdn (tt)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Phạm Tuấn Anh ĐỊNH TUYẾN ĐỘNG QoS CHO CÁC ỨNG DỤNG ĐA PHƯƠNG TIỆN TRÊN SDN Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 60.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 2017 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Chiến Trinh (Ghi rõ học hàm, học vị) Phản biện 1: TS Dư Đình Viên Phản biện 2: PGS.TS Bạch Nhật Hồng Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: 10 ngày 11 tháng 03 năm 2017 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng 1 MỞ ĐẦU Ngày nay, hệ thống mạng ngày phát triển mạnh mẽ dẫn tới yêu cầu nhà kinh doanh nhà khai thác mạng tăng lên thông số trễ, băng thông, định tuyến, bảo mật, theo yêu cầu ứng dụng khác Với nhu cầu giao tiếp người tăng với tốc độ nhanh chóng số lượng lẫn đa dạng liệu truyền dẫn làm cho hệ thống truyền thơng ngày trở nên khổng lồ, có hàng tỉ liên kết, thiết bị phục vụ trình truyền tải Sự phức tạp việc tích hợp giải pháp công nghệ bảo mật cho luồng liệu cần chuyển đổi công hệ thống mạng, phục vụ cho mục đích khác hệ thống Các định xử lý luồng lưu lượng thực thiết bị riêng biệt switch/router… vài vấn đề tồn hệ thống mạng Hiện tượng tắc nghẽn thường xuyên xảy ra, việc phức tạp quan lý lưu lượng đường truyền yêu cầu đặt cần phải xây dựng hệ thống điều khiển tập trung, dễ quản lý giúp cho việc định tuyến giảm tắc nghẽn tăng hiệu suất truyền liệu chi phí Vì nhu cầu cần thiết phải xây dựng giải pháp tự thích nghi, thông qua việc đo băng thông tức thời, phát chất lượng đường truyền, điều chỉnh tốc độ truyền tin để đảm bảo chất lượng ứng dụng đa phương tiện cần thiết “Định tuyến động QoS cho ứng dụng đa phương tiện SDN” giải pháp tiện lợi giúp hỗ trợ giảm tác động bất lợi việc truyền luồng liệu gói tin, trễ, tắc nghẽn… đảm bảo chất lượng đầy đủ, tăng tính tin cậy luồng liệu luồng đa phương tiện Mục tiêu luận văn đề xuất giải pháp tập trung, dễ quản lý tối ưu hóa cho việc điều khiển luồng lưu lượng đa phương tiện tránh tắc nghẽn đồng thời đảm bảo tính nguyên vẹn tốc độ truyền dẫn Bố cục luận văn gồm ba chương Chương 1:Tổng quan SDN Chương 2: Thiết lập QoS OpenFlow SDN Chương 3: Giải pháp OpenQoS hỗ trợ ứng dụng đa phương tiện Học viên hy vọng luận văn tài liệu tham khảo có giá trị cho người bắt đầu tìm hiểu nghiên cứu SDN OpenFlow 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN SDN Nội dung Chương 1: Giới thiệu khái niệm SDN, công nghệ mới, phương pháp tiếp cận tới mạng làm thay đổi kiến trúc mạng truyền thống 1.1 Mở đầu Trong thời đại phát triển bùng nổ hệ thống thông tin, nhu cầu chất lượng, dung lượng tính đa dạng loại liệu Internet đặc biệt dịch vụ đa phương tiện tăng lên cách nhanh chóng phạm vi tồn cầu Cơng nghệ mạng định nghĩa phần mềm (Software Defined Networking – SDN) đời giải pháp cho hệ thống mạng SDN dựa giao thức luồng mở (Open Flow kết nghiên cứu Đại học Stanford California Berkeley) cung cấp khả điều khiển tốt hỗ trợ kỹ thuật lưu lượng định tuyến, tăng hiệu suất truyền liệu giảm chi phí quản lý trì hoạt động mạng Mạng điều khiển phần mềm SDN làm việc chế tách riêng luồng điều khiển với luồng liệu (control plane data plane) Điều cho phép luồng gói liệu qua mạng kiểm sốt theo ngơn ngữ lập trình 1.2 Kiến trúc SDN Kiến trúc SDN gồm lớp riêng biệt: lớp ứng dụng (Application Layer), lớp điều khiển (Control Layer), sở hạ tầng - phần thiết bị (Infrastructure Layer) Các lớp liên kết với thông qua giao thức OpenFlow API Hình 1.1: Kiến trúc SDN 1.3 Vấn đề an tồn SDN Trong góc độ an ninh độ tin cậy, thành phần quan trọng để đảm bảo hệ thống mạnh mẽ chịu lỗi Hệ thống có khả chịu đựng hành vi bất thường, tức lỗi cố ý không cố ý, dịch vụ giữ hoạt động xác SDN cung cấp khả vậy: Hình 1: An tồn tin cậy SDN - Tạo sao: điều khiển tạo - Tínhđa dạng: SDN ứng dụng quản lý tương tự chạy điều khiển khác - Cơ chế tự phục hồi - Liên kết thiết bị - Tin cậy thiết bị điều khiển - Sự tin cậy ứng dụng phần mềm điều khiển 1.4 Ứng dụng xu hướng phát triển SDN SDNđượcứng dụngvới môi trường hệ thống mạng tập trung có mức lưu lượng quan lớn bao gồm:  Phạm vi doanh nghiệp: Áp dụng mạng doanh nghiệp, Data Center (DC), dịch vụ Cloud  Phạm vi nhà cung cấp hạ tầng dịch vụ viễn thông: 1.5 Giao thức OpenFlow 1.5.1 Tổng quan OpenFlow OpenFlow giao thức liên kết lớp sở hạ tầng lớp điều khiển kiến trúc SDN OpenFlow tiêu chuẩn cung cấp khả truyền thông giao diện lớp điều khiển chuyển tiếp kiến trúc SDN Có thể sử dụng để điều khiển - kiểm sốt đặc tính thay đổi cấu trúc mạng khả lọc lưu lượng (lọc gói liệu).OpenFlow tách biệt hẳn phần điều khiển khỏi phần chuyển tiếp cung cấp khả lập trình cho lớp điều khiển 1.5.2 Đặc trưng OpenFlow Nhiệm vụ OpenFlow:  Giám sát hoạt động thiết bị mạng  Điều khiển hoạt động thiết bị mạng OpenFlow gồm có thành phần chính:Flow Table, Secure Channel, OpenFlow Protocol Hình 1.3: Thành phần giao thức OpenFlow 1.5.3 Lợi ích sử dụng OpenFlow  Tập trung hóa điều khiển mơi trường nhiều nhà cung cấp thiết bị  Giảm phức tạp thơng qua việc tự động hóa 5  Tốc độ đổi cao  Tăng khả bảo mật cho mạng  OpenFlow hoạt động tốt thiết bị mạng ảo thiết bị mạng vật lý 1.5.4 Ứng dụng OpenFlow vào thực tiễn Một số ứng dụng kể đến ảo hóa hệ thống hạ tầng mạng hay trung tâm liệu… 1.6 Kết luận chương Mạng điều khiển phần mềm (SDN) với giao thức OpenFlow tách biệt phần điều khiển chuyển tiếp cung cấp kiến trúc mạng mới, động, có khả thay đổi mạng xương sống truyền thống sang tảng có khả cung cấp dịch vụ phong phú Sở hữu lợi tiềm thương mại hấp dẫn, SDN đường trở thành chuẩn tương lai CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP QoS TRÊN OPENFLOW TRONG SDN Nội dung Chương 2: Trong chương giới thiệu khái niệm kiến trúc QoS, giao thức OpenFlow, nghiên cứu giải pháp QoS OpenFlow SDN 2.1 Giới thiệu chung Chúng ta biết TCP/IP network hay đơn giản IP network, Internet ngày phát triển kèm theo phát triển nhiều ứng dụng, dịch vụ đa phương tiện HTTP, Voice, Video… Trong có dịch vụ có yêu cầu khắt khe vể độ trễ, độ Jitter độ lớn băng thông để truyền, phương án tăng băng thông mạng không giải vấn đề mà lại tốn kémđặt nhu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) đời 6 2.2 Khái quát chất lượng dịch vụ (QoS) 2.2.1 Khái niệm QoS Có nhiều khái niệm QoS hiểuđơn giảnQoS đảm bảo hiệu suất dịch vụ cho luồng liệu từ nguồn đến đích, nhiên khơng vượt q khả thực tế phương tiện truyền dẫn 2.2.2 Kiến trúc QoS QoS bao gồm phần chính:  Định dạng QoS kĩ thuật đánh dấu cho phép phối hợp QoS từđiểm đầu tới điểm cuối thành phần mạng  QoS thành phần mạng đơn(các công cụ hàng đợi định dạng, lập lịch, định dạng lưu lượng)  Cách giải quyết, điều khiển QoS, chức tính tốn đểđiều khiển giám sát lưu lượng đầu cuối qua mạng Các mức QoS: Best-effort Service, Differentiated Service (còn gọi soft QoS ), Guaranteed Service (Cịn gọi hard QoS ) Hình 1: Các mức QoS 2.2.3 Các kỹ thuật phục vụ QoS  Dịch vụ cố gắng tốt (Best Effort)  Dịch vụ tích hợp (IntServ)  Dịch vụ Diffserv Hình 2.4: Các kỹ thuật QoS mạng IP 2.2.4 Các thơng số QoS  Độ trễ tồn trình “Delay”  Độ trễ pha “Jitter”  Độ gói “Packet lost”  Mất trình tự gói “Sequence Error” 2.2.5 QoS vào mạng IP Nếu mạng thiếu QoS người sử dụng phải tự thêm vào phương pháp để có QoS cần thiết Có hai lựa chọn để nhận QoS cho người sử dụng cho ứng dụng tích hợp QoS thêm QoS lên mạng Một nhà cung cấp dịch vụ có thể:  Chia phần truy nhập và/hoặc dịch vụ cho người sử dụng  Sử dụng xếp hàng theo giá và/hoặc quản lý IP  Sử dụng công nghệ Bảng 2.1: QoS ứng dụng vào mạng IP Cải thiện thông số QoS Băng thơng Trễ Jitter Mất thơng tin Tính sẵn sàng Bảo mật Biện pháp Dồn kênh theo hướng ngược để tăng khả cho nhiều gọi Khơng làm nhiều trừ cố gắng tối thiểu bước nhảy định tuyến Thêm đệm Jitter Thêm phần tiền sử lỗi vào gói thoại (ít dùng) Sử dụng nhiều liên kết đến ISP, chí sử dụng nhiều ISP Thêm phương pháp nhận thực mã hóa họ (hay dùng) 2.2.6 Định tuyến QoS Các giao thức định tuyến sở QoS nỗ lực đưa metric thành giá trị xây dựng bảng định hướng mạng Định tuyến dựa QoS tạo đường ngắn nhất, bao gồm topo thực tế tuyến router với sử dụng tham số khác tuyến metric 2.3 Nghiên cứu số giải pháp QoS OpenFlow SDN 2.3.1 Tối ưu hóa Framework cho QoS cho phép thích ứng luồng Video mạng OpenFlow Phương pháp dựa việc phân tích Framework giúp tối ưu hóa định chuyển tiếp lớp điều khiển để định tuyến động QoS mạng ứng dụng khung tới QoS lớp điều khiển OpenFlow Các Framework khác đề xuất từ kiến trúc QoS cung cấp thiết kế luồng ưu tiên dựa tham số định tuyến động cho phép luồng mở rộng mã hóa Video với hai mức QoS 2.3.2 Nghiên cứu hiệu luồng TCP với QoS – OpenFlow hỗ trợ mạng trung tâm liệu Đảm bảo cung cấp QoS nhiệm vụ quan trọng trung tâm liệu đám mây (Cloud data centers), đặc biệt cho luồng TCP TCP mang tới 99,9% lưu lượng trung tâm liệu Các ứng dụng chạy trung tâm liệu đạt hiệu mong muốn tài nguyên, băng thông mạng đảm bảo với nguồn tài nguyên lưu trữ tính toán Nghiên cứu hiệu luồng TCP giúp cho việc đảm bảo tốc độ cho luồng TCP, tránh tắc nghẽn dựa khái niệm “phân chia” dựa vào hàngđợiđểđảm bảo tốcđộ tối thiểu luồng khái niệm “mét” kết hợp với luồngđể xácđịnh số giới hạn “dải mét” tương ứng với tốcđộ cụ thểcó sẵn điều khiển OpenFlow,từđóđưa quyếtđịnhlàm rớt gói tin buộc người dùng gửi TCP xuống tốc độ chậm giai đoạn tắc nghẽn từ dẫn đến việc sử dụng hiệu băng thông 2.4 Kết luận chương Trong chương 2, ta thấy việc đảm bảo chất lượng lượng dịch vụ ngày không ngừng nâng cao cải tiến đặc biệt Từ giải pháp hạn chế ban đầu InServ hay DiffServ động lực thúc đẩy nghiên cứu Sự đời giải pháp mạng định nghĩa phần mềm (SDN) điều tất yếu Nhờ khả điều khiển linh hoạt, có giao diện điều khiển đơn giản lập trình giúp cho nhà cung cấp dịch vụ dễ dàng quản lý xây dựng mơ hình dịch vụ tới khách hàng CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP OPENQoS HỖ TRỢ CÁC ỨNG DỤNG ĐA PHƯƠNG TIỆN Nội dung Chương 3: Nghiên cứu kiến trúc, phương thức định tuyến động QoS cho ứng dụng đa phương tiện OpenQoS 3.1 Giải pháp Open QoS Open QoS thiết kế điều khiển OpenFlow đại cung cấp đa phương tiện với hỗ trợ chất lượng dịch vụ thiết bị đầu cuối SDN.OpenQoS phần mở rộng chuẩn hóa điều khiển OpenFlow cung cấp dự phòng đa phương tiện với QoS.Để hỗ trợ QoS, Open QoS nhóm lưu lượng đến luồng liệu luồng đa phương tiện, luồng đa phương tiện tự động đưa vào QoS đảm bảo định tuyến luồng liệu khác trì đường ngắn chúng 3.2 Thiết kế OpenQoS Thiết kế OpenQoS dựa việc định tuyến luồng QoS (lưu lượng đa phương tiện) luồng khác (dữ liệu) giữ nguyên đường ngắn chúng Cách tiếp cận khác với kiến trúc QoS không sử dụng tài nguyên dự phòng xếp hàng ưu tiên.Ưu điểm phương pháp khơng gây tác động bất lợi lên lưu lượng khơng có QoS gói, trễ Các giao diện thiết kế điều khiển bao gồm:  Giao diện điều khiển - chuyển tiếp  Giao diện điều khiển - điều khiển  Giao diện bộđiều khiển - dịch vụ 10 Hình 3.2: Thiết kế bộđiều khiển OpenQoS 3.3 Phương thức tối ưu định tuyến động QoS OpenQoS 3.3.1 Định tuyến luồng OpenQoS OpenQoS khai thác mơ hình chuyển tiếp luồng sở OpenFlow để chúng phân biệt liệu lưu lượng đa phương tiện Các luồng đa phương tiện xác định cách sử dụng trường tiêu đề gói tin giá trị sau:  Trường tiêu đề lớp lưu lượng MPLS  TOS (loại dịch vụ) trường IPv4  Trường lớp lưu lượng IPv6  Nếu máy chủ đa phương tiện biết được, địa IP nguồn  Các cổng nguồn đích giao vận 3.3.2 Tối ưu hóa định tuyến động QoS Việc định tuyến động giống vấn đề hạn chế đường dẫn ngắn (CSP Constrained Shortest Path) Trong ứng dụng đa phương tiện, số QoS điển hình gói tin, trễ trế biến đổi (jitter) Tuy nhiên số QoS khác tùy thuộc vào loại ứng dụng 11 3.4 Một số kết chức quản lý định tuyến tính tốn định tuyến OpenQoS mạng 3.4.1 Mơ hình thử nghiệm Mơ hình xây dựng mạng lưới biểu diễn hình vẽ đơn giản có hướng G(N,A) với N tập hợp nút A tập hợp liên kết, liên kết (i,j) cặp lệnh, từ nút I đến nút j Cùng tập hợp tuyến đường (tập A) từ nút nguồn s đến nút đích t Hình 3.5: Mơ hình mạng kiểm tra OpenFlow [10] 3.4.2 Một số kết chức quản lý định tuyến tính tốn định tuyến OpenQoS mạng A Luồng UDP Hình 3.6: Kết trường hợp tốt luồng UDP 12 Hình 3.7: Kết trường hợp luồng UDP[10] B HTTP dựa luồng thích ứng Hình 3.8: Kết luồng HTTP thích ứng[10] 3.5 Một số ứng dụng sử dụng dựa giải pháp OpenQoS 3.5.1 Luồng video với mã hóa đa mơ tả MDC Đây kỹ thuật mã hóa nguồn thành nhiều bitstream (mơ tả), mơ tả giải mã độc lập Việc nhận mô tả đủ cho phát sóng liên tục, chất lượng cải thiện số lượng mô tả nhận tăng Tuy nhiên, mát hiệu suất nén, tính phức tạp truyền phía mã hóa/giải mã nhược điểm lớn MDC (Multiple Description Coding) Mục đích MDC cung cấp khả tự sửa lỗi để gói tin cách sử dụng đường dẫn độc lập 3.5.2 Cân tải mạng phân phối theo nội dung CDN Cân tải phương pháp phân phối tải qua phần tử mạng Mục đích cân tải [12] cung cấp dịch vụ từ nhiều máy chủ cách chọn máy chủ thích hợp Vì vậy, điều cần thiết cho công nghệ kết nối mạng mạng phân 13 phối nội dung (CDN – Content Distribution Networks), hệ thống tên miền (DNS) dịch vụ đám mây 3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong thời đại bùng nổ công nghệ thông tin, cụ thể phát triển không ngừng ứng dụng đa phương tiện, việc quản lý luồng liệu đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS cho luồng liệu đặc biệt ứng dụng đa phương tiện Việc xây dựng giải pháp đểđảm bảo chất lượng mà không ảnh hưởng tới luồng liệu khác mạng ngày thực cần thiết Với mục tiêu cải thiện hiệu mạng hỗ trợ truyền dẫn đa phương tiện, luận án thực được:  Cung cấp kiến thức công nghệ mạng xu hướng SDN  Ứng dụng bộđiều khiển OpenFlow việc quản lýđịnh tuyến đảm bảo QoS cho ứng dung đa phương tiện tảng SDN mở hướng quản lý hệ thống mạng phương pháp lập trình 14 KẾT LUẬN Đề tài trình bày cách khái quát SDN giải pháp OpenQoS với điều khiển OpenFlow thiết kế để giúp hỗ trợ QoS cho ứng dụng đa phương tiện từ đầu cuối tới đầu cuối Cách tiếp cận khác so với kiến trúc QoS việc triển khai định tuyến động thực với OpenQoS cách thực tối ưu hóa khung làm việc OpenQoS nhóm lưu lượng vào (các dòng liệu dịng đa phương tiện), dịng đa phương tiện đảm bảo tự động định tuyến QoS dòng liệu liệu giữ nguyên theo đường ngắn chúng [3] đồng thời khơng có ảnh hưởng bất lợi tới chất lượng dịch vụ lưu lượng loại khác mạng  ... PHÁP OPENQoS HỖ TRỢ CÁC ỨNG DỤNG ĐA PHƯƠNG TIỆN Nội dung Chương 3: Nghiên cứu kiến trúc, phương thức định tuyến động QoS cho ứng dụng đa phương tiện OpenQoS 3.1 Giải pháp Open QoS Open QoS thiết... truyền tin để đảm bảo chất lượng ứng dụng đa phương tiện cần thiết ? ?Định tuyến động QoS cho ứng dụng đa phương tiện SDN? ?? giải pháp tiện lợi giúp hỗ trợ giảm tác động bất lợi việc truyền luồng liệu... liệu luồng đa phương tiện, luồng đa phương tiện tự động đưa vào QoS đảm bảo định tuyến luồng liệu khác trì đường ngắn chúng 3.2 Thiết kế OpenQoS Thiết kế OpenQoS dựa việc định tuyến luồng QoS (lưu