Bài viết trình bày thực nghiệm mạng phân phối nội dung CDN trên nền giao thức Multipath TCP nhằm đánh giá tính hiệu quả của nó so với TCP. Thông qua thực nghiệm đã khẳng định được việc sử dụng giao thức Multipath TCP làm tăng thông lượng mạng, làm giảm tình trạng tắc nghẽn tại mỗi máy chủ CDN, đồng thời mỗi máy chủ trong mạng phân phối nội dung có thêm một kết nối mạng dự phòng tới người dùng.
Kỷ yếu Hội nghị KHCN Quốc gia lần thứ XI Nghiên cứu ứng dụng Công nghệ thông tin (FAIR); Hà Nội, ngày 09-10/8/2018 DOI: 10.15625/vap.2018.00033 MẠNG PHÂN PHỐI NỘI DUNG CDN TRÊN NỀN GIAO THỨC TRUYỀN ĐA ĐƯỜNG MULTIPATH TCP Phùng Duy Trường1, Lê Phong Dũ2, Lê Tuấn Anh3, Võ Thị Lưu Phương4 Viện Y tế Cơng cộng Thành phố Hồ Chí Minh Trường Đại học Lạc Hồng; Trường Đại học Trà Vinh Trường Đại học Thủ Dầu Một Trường Đại học Quốc tế, Đại học Quốc gia TP.HCM phungduytruong@gmail.com, 2lpdu@tvu.edu.vn, 3letuanh@tdmu.edu.vn, 4vtlphuong@hcmiu.edu.vn TÓM TẮT: Mạng phân phối nội dung CDN đời nhằm khắc phục hạn chế giao thức TCP/IP việc tắc nghẽn đường truyền đầu cuối máy chủ Bằng cách đặt máy chủ nhiều vị trí địa lý khác chứa nội dung từ máy chủ gốc, hệ thống CDN xác định máy chủ gần người dùng nội dung phân phối tới người dùng nhanh Giao thức Multipath TCP cho phép truyền tải gói liệu nhiều đường (path) đồng thời, việc truyền liệu đa đường cải thiện thơng lượng truyền, cân tắc nghẽn đường cung cấp khả chuyển vùng tự nhiên mạng Trong báo này, thực nghiệm mạng phân phối nội dung CDN giao thức Multipath TCP nhằm đánh giá tính hiệu so với TCP Thơng qua thực nghiệm khẳng định việc sử dụng giao thức Multipath TCP làm tăng thơng lượng mạng, làm giảm tình trạng tắc nghẽn máy chủ CDN, đồng thời máy chủ mạng phân phối nội dung có thêm kết nối mạng dự phịng tới người dùng Từ khóa: CDN, Multipath TCP, Performance I GIỚI THIỆU Kiến trúc multipath TCP [1] giao thức mở rộng đặc điểm từ giao thức TCP, cho phép kết nối phân chia thành nhiều đường (path) liệu truyền đường đồng thời Multipath TCP hoạt động giống TCP mở rộng thêm API nhằm cung cấp thêm chức điều khiển cho ứng dụng multipath TCP Một kết nối multipath TCP tập hợp nhiều subflow mà subflow điều khiển đường, sử dụng cửa sổ điều khiển tắc nghẽn để điều chỉnh tốc độ đường Gần đây, thuật toán điều khiển tắc nghẽn MPTCP IETF phê duyệt hoạt động kiến trúc multipath TCP [2] MPTCP thực điều khiển tốc độ gửi liệu phối hợp đường đảm bảo ba tiêu chí: (i) nâng cao thơng lượng truyền, (ii) đảm bảo tính cơng luồng TCP có (iii) có khả cân tắc nghẽn: chuyển liệu từ đường có tắc nghẽn nhiều sang đường có tắc nghẽn Application Application MPTCP TCP Subflow (TCP) Subflow (TCP) IP IP IP Hình Mơ hình TCP multipath TCP [1] Số lượng người dùng truy cập vào nội dung số loại dịch vụ web phát triển nhanh Kết nhiều trang web tạm thời khơng truy cập từ phía người dùng xảy tượng tắc nghẽn phía máy chủ Mạng phân phối nội dung (CDN) đời khắc phục hạn chế nói cách cung cấp sở hạ tầng, kỹ thuật phân phối nội dung dịch vụ có khả mở rộng Đây hệ thống máy chủ đặt nhiều nơi khác giới chứa nội dung trang thông tin điện tử (Website) từ máy chủ gốc Khi người dùng truy cập hệ thống CDN xác định máy chủ gần với người dùng nội dung phân phát tới người dùng nhanh Đã có nhiều nghiên cứu điều khiển tắc nghẽn cho ứng dụng multipath TCP, cụ thể: MultiTCP [10] điều khiển định hướng bên nhận (receiver-driven control), tăng tốc độ TCP đơn đường giảm tốc độ tỉ lệ nghịch với bình phương số lượng đường sử dụng Ngược lại, DMP scheme [8] điều khiển định hướng bên gửi (sender-driven control), khơng quan tâm luồng có chia sẻ đường truyền cổ chai hay không, hai giải pháp không quan tâm đến tốc độ mượt cân tắc nghẽn Ngoài ra, TCP-ROME [9] giảm biến động tốc độ tức thời cách sử dụng điều khiển dựa tốc độ TFRC [3], đầu nhận TCP-ROME điều chỉnh tốc độ luồng tùy theo tốc độ video yêu cầu tỉ lệ thông lượng luồng, khơng quan tâm có đường truyền cổ chai Giao thức MPTFRC bao gồm xác định trọng số động nhằm điều chỉnh thông lượng gửi liệu đường nhiều điều kiện mạng khác Trọng số động MPTFRC điều chỉnh lưu lượng tỉ lệ nghịch với mức độ tắc nghẽn mạng [7] 246 MẠNG PHÂN PHỐI NỘI DUNG CDN TRÊN NỀN GIAO THỨC TRUYỀN ĐA ĐƯỜNG MULTIPATH TCP FSOB [4] khai thác kỹ thuật chuyển hướng đa chiều giao thức HTTP để phân phối tối ưu yêu cầu người dùng tới máy chủ CDN Phân phối nhằm mục đích cân mức độ chiếm dụng hàng đợi máy chủ cách định kỳ trao đổi thơng tin cục tính tốn nút Như vậy, hệ thống CDN có máy chủ đảm nhận vai trị cân tải yêu cầu từ người dùng tới máy chủ CDN khác hệ thống Giải pháp giảm tắc nghẽn Internet hệ thống CDN đề xuất áp dụng quản lý phân phối nội dung cho dịch vụ giá trị gia tăng MYTV VNPT hoạt động CDN [5], giải pháp thực nghiệm CDN giao thức TCP đơn đường Trong [6] nhóm tác giả đề xuất giải pháp giảm tắc nghẽn Internet Quốc tế việc thiết lập trung tâm trung chuyển Internet Quốc tế Việt Nam VNNIC quản lý Các nghiên cứu tác giả chưa thấy nghiên cứu phân phối nội dung CDN giao thức truyền tải đa đường Multipath TCP trở thành giải pháp để khắc phục vấn đề băng thông mạng, giảm tắc nghẽn mạng phía máy chủ CDN dự phịng đường kết nối mạng máy chủ CDN Trong báo này, thực nghiệm mạng phân phối nội dung CDN giao thức multipath TCP nhằm đánh giá tính hiệu so với TCP Bài báo tổ chức bao gồm: Phần I giới thiệu tổng quan; phần II mô tả thực nghiệm phân phối nội dung CDN giao thức truyền tải multipath TCP; phần III kết thực nghiệm phần kết luận trình bày phần IV II MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM Trong phần này, chúng tơi sử dụng kỹ thuật định tuyến yêu cầu theo vị trí địa lý địa IP dựa vào dịch vụ DNS Giả sử có trang thơng tin điện tử với tên miền www.cdn.com Trang thông tin điện tử có máy chủ phục vụ đặt Site Site Hai Site có vị trí địa lý khác Giả sử truy cập xuất phát từ Châu Mỹ, Châu Âu, … định tuyến đến máy chủ đặt Site 1, truy cập xuất phát từ Châu Á định tuyến đến máy chủ đặt Site Việc định tuyến hoàn toàn suốt người dùng tên miền dùng để truy cập www.cdn.com Mơ hình thực nghiệm bao gồm máy chủ IBM System x3650 M4 chạy phần mềm ảo hóa VMware ESXi Trên máy chủ này, tạo máy chủ ảo CDN, máy tính ảo (1 máy chủ DNS, máy trạm), thiết bị định tuyến ảo Các thiết bị có cấu hình phần cứng chi tiết Hình Máy ảo DNS chạy hệ điều hành Ubuntu Server 14.04 LTS, phần mềm BIND sử dụng phân dãy tên miền phần mềm GeoIP MaxMind điều hướng truy cập đến máy chủ; Thiết bị định tuyến ảo R1, R2, R3, R4 dùng phần mềm HP VSR1000, sử dụng giao thức định tuyến OSPF; Máy ảo CDN chạy hệ điều hành Debian 8.1 Jessie 64 bit, Joomla 3; Sử dụng phần mềm Iperf để đo băng thông đầu gửi đầu nhận; Máy trạm ảo chạy hệ điều hành Ubuntu Desktop 14.04 LTS 64 bit Hình Cấu hình phần cứng thiết bị thực nghiệm III KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Để đánh giá hiệu phân phối nội dung CDN giao thức multipath TCP, tiến hành thực nghiệm mạng phân phối nội dung CDN giao thức truyền đơn đường, đo thông lượng mạng máy trạm máy chủ CDN (i); Thực nghiệm mạng phân phối nội dung CDN giao thức multipath TCP, đo thông lượng mạng máy trạm máy chủ CDN (ii); So sánh thông lượng mạng (i) (ii) Để dễ dàng phân biệt, gọi CDN phân phối nội dung TCP, mCDN là phân phối nội dung giao thức multipath TCP Băng thông đường truyền định tuyến Mbps, băng thông đường truyền từ định tuyến đến thiết bị đầu cuối Mbps, thời gian đo hai trường hợp 10 giây Phùng Duy Trường, Lê Phong Dũ, Lê Tuấn Anh, Võ Thị Lưu Phương 247 3.1 Phân phối nội dung CDN giao thức truyền đơn đường Giả sử có trang thơng tin điện tử với tên miền www.cdn.com Trang thơng tin điện tử có máy chủ CDN, máy chủ CDN có IP 192.168.0.10/24 đặt Site máy chủ CDN có IP 192.168.10.10/24 đặt Site Hai Site có vị trí địa lý khác Các truy cập xuất phát từ Site định tuyến đến máy chủ CDN đặt Site Các truy cập xuất phát từ Site định tuyến đến máy chủ CDN đặt Site Việc chuyển hướng yêu cầu máy chủ DNS Site xử lý Hình Mơ hình CDN giao thức TCP đơn đường Hình Băng thơng đo Site Site Hình Băng thông đo Site Site Kết thực nghiệm cho thấy, băng thông máy trạm đạt ≥ Mbps, băng thông máy chủ CDN đạt ≥ 2,5 Mbps Băng thông máy chủ CDN thấp băng thông máy trạm tắc nghẽn phía máy chủ CDN số lượng máy trạm tăng lên 248 MẠNG PHÂN PHỐI NỘI DUNG CDN TRÊN NỀN GIAO THỨC TRUYỀN ĐA ĐƯỜNG MULTIPATH TCP 3.2 Mạng phân phối nội dung CDN giao thức multipath TCP Tương tự mơ hình CDN sử dụng TCP đơn đường, máy chủ CDN Site Site có hai đường truyền mạng, máy trạm Site Site có hai đường truyền mạng, tương tự máy chủ DNS Site có hai đường truyền mạng Tất sử dụng multipath TCP Việc xử lý yêu cầu xuất phát từ Site 3, Site máy chủ DNS Site xử lý chuyển hướng Hình Mơ hình thực nghiệm mCDN Hình Băng thơng đo Site Site Hình Băng thơng đo Site Site Kết thực nghiệm trường hợp cho kết giống Cụ thể, hình băng thơng máy trạm băng thơng máy chủ trì ổn định ≥ Mbps Kết hình cho kết tương tự Phùng Duy Trường, Lê Phong Dũ, Lê Tuấn Anh, Võ Thị Lưu Phương 249 3.3 So sánh thông lượng mạng CDN TCP multipath TCP Trong phần này, so sánh băng thông máy chủ CDN site giao thức TCP giao thức multipath TCP; so sánh băng thông đo máy chủ CDN site máy trạm site trường hợp sử dụng multipath TCP Hình 11 Sự khác biệt băng thơng máy chủ Site mơ hình CDN mCDN Hình 12 Băng thơng máy tính Site Site mCDN Kết thực nghiệm cho thấy, thông lượng mạng phân phối nội dung CDN multipath TCP cao gấp đôi thông lượng mạng so với TCP đo máy chủ CDN hình 11, giảm tình trạng tắc nghẽn máy chủ CDN Trong hình 12, thơng lượng mạng multipath TCP máy chủ site máy trạm site gần tương đương, khơng có có chênh lệch băng thơng trường hợp phân phối nội dung CDN TCP IV KẾT LUẬN Từ nghiên cứu kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn multipath TCP kỹ thuật định hướng yêu cầu dựa DNS, xây dựng mơ hình thực nghiệm CDN giao thức Multipath TCP Từ kết thực nghiệm chứng minh việc sử dụng giao thức multipath TCP làm tăng thơng lượng mạng CDN, làm giảm tình trạng tắc nghẽn máy chủ CDN, dự phòng đường kết nối cho máy chủ CDN Thực nghiệm chứng minh giao thức multipath TCP hoạt động CDN Hướng nghiên cứu số hạn chế chưa thực nghiệm multipath TCP môi trường thật giao thức multipath TCP qua thiết bị tường lửa, NAT, máy chủ Proxy (gọi chung Middlebox) bị xóa TCP Option 30 quay sử dụng giao thức TCP đơn đường LỜI CÁM ƠN Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 102.02-2013.48 TS Lê Tuấn Anh tác giả liên hệ 250 MẠNG PHÂN PHỐI NỘI DUNG CDN TRÊN NỀN GIAO THỨC TRUYỀN ĐA ĐƯỜNG MULTIPATH TCP TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A Ford, C Raiciu, M Handley, S Barre, J Iyengar (2011) “Architecture guidelines for Multipath TCP Development” IETF RFC 6182 [2] A Ford, C Raiciu, M Handley, O Bonaventure (2013) “TCP extensions for multipath operation with multiple addresses” IETF RFC 6824 [3] A Ford, C Raiciu, M Handley, S Barre, J Iyengar (2011) “Architecture guidelines for Multipath TCP Development” IETF RFC 6182 [4] S Manfredi, F Oliviero, S.P Romano (2012) “Optimised balancing algorithm for content delivery networks” IET Commun., (7), 733-739 [5] Nguyễn Huy Trường (2012) Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu giải pháp mạng phân phối nội dung (CDN) đề xuất áp dụng vào việc quản lý phân phối nội dung cho dịch vụ giá trị gia tăng MYTV VNPT” Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng [6] Trần Thị Lý (2013) Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu giải pháp giảm tắc nghẽn mạng Internet” Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng [7] Lê Phong Dũ, Lê Tuấn Anh (2013) “Điều khiển tắc nghẽn giao thức truyền đa đường cho ứng dụng Multimedia” Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, Số Công nghệ TT 2013, trang: 180-189 [8] B Wang, W Wei, Z Guo, and D Towsley, 2009 “Multipath live streaming via TCP: Scheme, performance and benefits” ACM Trans, NY, USA,vol 5, no [9] J W Park, R Karrer, and J Kim, 2011 “TCP-ROME: A transport-layer parallel streaming protocol for real-time online multimedia environments” Communications and Networks Journal, vol 13, no 3, pages 277-285 [10] S Tullimas, T Nguyen, R Edgecomb, and S.-c Cheung, 2008 “Multimedia streaming using multiple TCP connections” ACM Trans Multimedia Comput Commun Appl, vol 4, no 2, pages 120-121 [11] Linux Kernel MultiPath TCP project, https://www.multipath-tcp.org CONTENT DELIVERY NETWORK (CDN) ON MULTIPATH TCP Phung Duy Truong, Le Phong Du, Le Tuan Anh, Vo Thi Luu Phuong ABSTRACT: Content Delivery Network (CDN) was introduced to overcome the inherent limitations of TCP/IP protocol due to the network congestion at the server-end By placing caching/duplicated servers, containing copies of content from the origin server, near to geographic locations of the visitor, the CDN system identifies the server closer to the users and contents will be delivered to the user faster Multipath transport control protocol (multipath TCP) allows spreading its data packets between end-to-end on several paths simultaneously Such the multipath transfer can improve TCP throughput, balance congestion among paths, and provide native handover in a network In this paper, we have conducted a testbed of CDN on the Multipath TCP protocol to evaluate its effectiveness compared single path TCP Through our experiments, the result shows that the usage of Multipath TCP protocol is to improve network throughput, reduce network congestion at each CDN server Keywords: CDN, Multipath TCP, Performance ... hiệu phân phối nội dung CDN giao thức multipath TCP, tiến hành thực nghiệm mạng phân phối nội dung CDN giao thức truyền đơn đường, đo thông lượng mạng máy trạm máy chủ CDN (i); Thực nghiệm mạng phân. .. chủ CDN thấp băng thông máy trạm tắc nghẽn phía máy chủ CDN số lượng máy trạm tăng lên 248 MẠNG PHÂN PHỐI NỘI DUNG CDN TRÊN NỀN GIAO THỨC TRUYỀN ĐA ĐƯỜNG MULTIPATH TCP 3.2 Mạng phân phối nội dung. .. phân phối nội dung CDN giao thức multipath TCP, đo thông lượng mạng máy trạm máy chủ CDN (ii); So sánh thông lượng mạng (i) (ii) Để dễ dàng phân biệt, gọi CDN phân phối nội dung TCP, mCDN là phân