cân bằng tải trong mạng trung tâm dữ liệu sdn sử dụng opendaylight controller

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
_________________________

Hoàng Tuấn Hùng

CÂN BẰNG TẢI TRONG MẠNG TRUNG TÂM DỮ LIỆU
SDN SỬ DỤNG OPENDAYLIGHT CONTROLLER

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông

HÀ NỘI – 2019


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Hoàng Tuấn Hùng

CÂN BẰNG TẢI TRONG MẠNG TRUNG TÂM DỮ LIỆU
SDN SỬ DỤNG OPENDAYLIGHT CONTROLLER

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông

Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Nam Hoàng

HÀ NỘI – 2019

LỜI CAM ĐOAN
Trong quá trình làm đồ án này tôi đã đọc và tham khảo rất nhiều tài liệu khác nhau
từ giáo trình, sách tham khảo cho tới rất nhiều các bài báo uy tín được đăng tải trong và
ngoài nước. Tôi xin cam đoan những gì tôi viết dưới đây là hoàn toàn chính thống, chân
thực. Những kết quả đo đạc mô phỏng đã đạt được trong khóa luận không sao chép từ bất
kì tài liệu nào dưới mọi hình thức. Những kết quả đó là những gì tôi đã nghiên cứu, tích
lũy được trong quá trình làm khóa luận này.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có bất kì dấu hiệu nào của sự sao chép kết
quả từ các tài liệu khác.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2019
Sinh viên

Hoàng Tuấn Hùng

i


LỜI CẢM ƠN
Tôi muốn dành lời cảm ơn đặc biệt đến người thầy giám sát của mình, PGS.TS Nguyễn
Nam Hoàng bởi những chia sẻ kiến thức chuyên môn của thầy trong lĩnh vực này và sự
giúp đỡ, hỗ trợ liên tục của thầy trong quá trình thực hiện khóa luận. Cảm ơn thầy, không
chỉ vì sự giúp đỡ mà còn là vì sự tin tưởng và hướng dẫn tận tình của thầy trong quá trình
sửa đổi, hoàn thiện khóa luận.
Tôi cũng muốn bày tỏ sự kính trọng và lời cảm ơn của mình với Tiến sĩ Lâm Sinh
Công, thông qua ý tưởng, đề xuất và lời khuyên của thầy tôi đã cải thiện nghiên cứu này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô, bạn bè của Trường Đại học Công nghệ
nói chung và khoa Điện tử - Viễn thông nói riêng, đã góp phần làm cho khoảng thời gian
học tập trên giảng đường cũng như thực hiện khóa luận này trở thành một trải nghiệm vô
cùng đáng nhớ và thú vị.
Cuối cùng, tôi cảm ơn gia đình tôi, những người đã không ngừng ủng hộ và khuyến

khích tôi trong suốt quá trình học tập.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2019
Sinh viên

Hoàng Tuấn Hùng

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ ii
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................... vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................... viii
TÓM TẮT ...................................................................................................................... 1
1.

CHƯƠNG 1 ........................................................................................................... 2

GIỚI THIỆU ................................................................................................................. 2
1.1. Lời mở đầu ...................................................................................................... 2
1.2. Vấn đề đặt ra ................................................................................................... 3
1.3. Đề xuất giải pháp............................................................................................. 3
1.4. Phương pháp luận ............................................................................................ 4
1.5. Mục đích khóa luận ......................................................................................... 4
1.6. Outlines ........................................................................................................... 4
2.

CHƯƠNG 2 ........................................................................................................... 5

TỔNG QUAN VỀ SDN VÀ LOAD BALANCING ...................................................... 5
2.1. Giới thiệu ........................................................................................................ 5
2.2. Hạn chế mạng truyền thống ............................................................................. 5
2.3. Software-Defined Networking (SDN) ............................................................. 6
2.3.1.

Kiến trúc SDN .......................................................................................... 7

2.3.2.

Lợi thế của công nghệ SDN ...................................................................... 8

2.3.3.

Các ứng dụng SDN ................................................................................... 9

2.4. Giao thức OpenFlow ....................................................................................... 9
2.4.1.

Lợi ích của SDN trên cơ sở OpenFlow.................................................... 10

2.4.2.

Ứng dụng của OpenFlow ........................................................................ 11

2.5. Cân bằng tải trọng mạng (Network load balancing) ....................................... 12
2.5.1.

Lập lịch Round Robin ............................................................................. 12

2.5.2.

Cách tiếp cận thời gian phụ thuộc ........................................................... 12

2.5.3.

Phương pháp sử dụng thuật toán băm (Hashing) ..................................... 12
iii


2.5.4.

Định tuyến lưu lượng theo các tham số liên quan đến QoS ..................... 13

2.6. Kết nối liên mạng .......................................................................................... 13
2.6.1.

Mô hình liên kết mạng fat-tree ................................................................ 13

2.7. Thuật toán Dijkstra ........................................................................................ 14
2.8. Thuật toán cân bằng tải động trong mạng SDN ............................................. 15
2.8.1.

Flow ....................................................................................................... 15

2.8.2.

Flows Collection ..................................................................................... 16

2.8.3.

Path ........................................................................................................ 16

2.8.4.

Paths Collection ...................................................................................... 16

2.9. Các nghiên cứu khoa học liên quan ............................................................... 17
3.

CHƯƠNG 3 ..........................................................................................................18

PHƯƠNG PHÁP LUẬN ..............................................................................................18
3.1. Giới thiệu ...................................................................................................... 18
3.2. Mô tả thuật toán ............................................................................................ 18
3.3. Tiến trình thực hiện cài đặt thử nghiệm ......................................................... 19
3.4. Công cụ phần mềm ........................................................................................ 20

4.

3.4.1.

Mininet ................................................................................................... 20

3.4.2.

Dự án OpenDaylight (ODL) ................................................................... 21

3.4.3.

iPerf ........................................................................................................ 21

3.4.4.

Ngôn ngữ lập trình: Python ..................................................................... 22

CHƯƠNG 4 ..........................................................................................................23

KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT .........................................23
4.1. Giới thiệu ...................................................................................................... 23
4.2. Network Topology ........................................................................................ 23
4.3. Các bước mô phỏng....................................................................................... 23
4.4. Kịch bản test ................................................................................................. 27
4.4.1.
Kịch bản 1: Đo lường hiệu suất mạng khi thực hiện cân bằng tải ở lớp
Aggregation........................................................................................................... 27
4.4.2.
Kịch bản 2: Đo lường hiệu suất mạng khi thực hiện cân bằng tải có sự
tham gia của lớp Core............................................................................................ 32

iv


4.4.3.

Nhận xét ................................................................................................. 36

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI .................37

TÀI LIỆU THAM KHẢO: ...........................................................................................38
PHỤ LỤC......................................................................................................................40

v


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Các tham số của bộ điều khiển OpenDaylight: ................................................... 24
Bảng 2. Bảng tổng hợp kết quả kịch bản 1 ...................................................................... 31
Bảng 3. Bảng tổng hợp kết quả kịch bản 2 ...................................................................... 34

vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Chương 2:
Hình 2.1 Mô hình mạng SDN ........................................................................................... 6
Hình 2.2 Kiến trúc SDN.................................................................................................... 7
Hình 2.3 Cấu trúc một thiết bị sử dụng OpenFlow .......................................................... 10
Hình 2.4 Mô hình mạng fat-tree ...................................................................................... 14
Chương 3:
Hình 3.1 Flow Chart thuật toán cân bằng tải ................................................................... 18
Hình 3.2 Cài đặt thử nghiệm ........................................................................................... 20
Hình 3.3 Kiến trúc OpenDaylight ................................................................................... 21
Hình 3.4 Công cụ đo băng thông iPert ............................................................................ 22
Chương 4:
Hình 4.1 Mô hình mạng cho thử nghiệm ......................................................................... 23
Hình 4.2 Chạy chương trình dựng Topo mạng ................................................................ 24
Hình 4.3 Giao diện hiển thị của ODL controller .............................................................. 25
Hình 4.4 Thống kê các tham số trên mỗi node ................................................................ 25

Hình 4.5 API request ...................................................................................................... 26
Hình 4.6 Chạy chương trình cân bằng tải ........................................................................ 26
Hình 4.7 Đường đi của gói trước cân bằng tải ................................................................. 27
Hình 4.8 Đường đi của gói sau khi chạy chương trình cân bằng tải ................................. 29
Hình 4.9 Ping từ h1 tới h3 trước cân bằng tải .................................................................. 29
Hình 4.10 Ping từ h1 tới h4 trước cân bằng tải ................................................................ 30
Hình 4.11 Ping từ h1 tới h4 sau cân bằng tải ................................................................... 30
Hình 4.12 So sánh kết quả thông lượng kịch bản 1 ......................................................... 31
Hình 4.13 So sánh tham số QoS kịch bản 2 ..................................................................... 32
Hình 4.14 Sơ đồ minh họa cho kịch bản 2 ....................................................................... 32
Hình 4.15 Ping từ h1 tới h7 trước cân bằng tải ................................................................ 33
Hình 4.16 Ping từ h1 tới h8 trước cân bằng tải ................................................................ 33
Hình 4.17 Ping từ h1 tới h8 sau cân bằng tải ................................................................... 34
Hình 4.18 So sánh kết quả thông lượng kịch bản 2 ......................................................... 35
Hình 4.19 So sánh tham số QoS kịch bản 2 ..................................................................... 35

vii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ACL

Access Control List

Danh sách kiểm soát truy cập

API

Application Program Interface

Giao diện lập trình ứng dụng

CAPEX Capital Expenditure
CPU
Central Processing Unit

Chi phí đầu tư
Khối xử lý trung tâm

FSM
HPC

Finite State Machine
High-Performance Computing

Máy trạng thái hữu hạn
Điện toán hiệu suất cao

ICMP
IP

Internet Control Message Protocol
Internet Protocol

Giao thức bản tin kiểm soát Internet
Giao thực Internet

IPv4
IPv6

Internet Protocol version 4
Internet Protocol version 6

Giao thức Internet version 4
Giao thức Internet version 6
Giao thức định tuyến nội IGP

IT
LAN

Intermediate System to
Intermediate System
Information Technology
Local Area Network

LLB

Link Load Balancing

Cân bằng tải liên kết

MAC
MPLS
NE
ODL

Media Access Control
Multi-Protocol Label Switching
Network Elements
OpenDaylight

Kiểm soát phương tiện truy cập
Chuyển mạch nhãn đa giao thức
Thành phần mạng bên dưới
Dự án mã nguồn mở OpenDaylight

ONF
OPEX
OS
OSPF

Open Networking Foundation
Operational Expenditure
Operating System
Open Shortest Path First

Tổ chức mở ONF
Chi phí vận hành
Hệ điều hành
Giao thức định tuyến đường đi ngắn nhất

QoE
QoS
SDN
TCP

Quality Of Experience
Quality Of Service
Software Defined Networking
Transmission Control Protocol

Chất lượng trải nghiệm
Chất lượng dịch vụ
Mạng điều khiển bằng phần mềm
Giao thức truyền dữ liệu tin cậy TCP

UDP

User Datagram Protocol

Giao thức phi kết nối UDP

IS-IS

Công nghệ thông tin
Mạng cục bộ

viii


TÓM TẮT
Tóm tắt: Kiến trúc mạng truyền thống có nhiều hạn chế đáng kể cần phải được khắc phục để đáp
ứng các yêu cầu CNTT hiện đại. Một trong những vấn đề chính của mạng truyền thống là chúng
sử dụng các bộ chuyển mạch tĩnh dẫn đến hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng kém. Một vấn đề
khác là mất gói tin và trễ, trong trường hợp bộ chuyển mạch bị hỏng, phải mất một khoảng thời
gian thực hiện quá trình hội tụ. Để khắc phục những hạn chế này, các kỹ sư mạng đã áp dụng các
phương pháp cân bằng tải trong thiết kế các thuật toán chuyển mạch và định tuyến. Tuy nhiên, yêu
cầu cân bằng tải trong mạng không thể được thỏa mãn hoàn toàn bằng các phương pháp truyền
thống. Nền tảng Software Defined Neworking (SDN) xuất hiện như một cách tiếp cận mới. Khóa
luận của tôi đề xuất triển khai thuật toán cân bằng tải động cho mạng trung tâm dữ liệu dựa trên

nền tảng SDN, để khắc phục các vấn đề còn tồn tại trong mạng trung tâm dữ liệu. Việc kiểm tra
hiệu quả của chương trình cân bằng tải đã được triển khai bằng phần mềm Mininet để mô phỏng
mạng và nền tảng OpenDaylight (ODL) làm bộ điều khiển SDN. Ngôn ngữ lập trình Python được
sử dụng để viết chương trình mô tả cấu trúc liên kết mạng fat-tree và viết chương trình thuật toán
cân bằng tải. Công cụ iPerf và jPerf được sử dụng để kiểm tra, đánh giá hiệu suất mạng. Hiệu suất
của mạng được kiểm tra trước và sau khi chạy thuật toán cân bằng tải. Việc thử nghiệm tập trung
vào một số tham số Quality of Service (QoS) của mạng như thông lượng, băng thông, độ trễ, jitter
và mất gói giữa cặp host nguồn-đích trong mô hình mạng fat-tree. Trong hai kịch bản đề xuất, kết
quả đánh giá cho thấy thuật toán tăng thông lượng và cải thiện hiệu quả sử dụng mạng. Tuy nhiên,
trong quy mô mạng lớn (yêu cầu lưu lượng chảy qua các Switch lõi) jitter và mất gói tin tăng lên.
Từ khóa: SDN, OpenFlow, Loadbalancing, DCN

1


1.

1.1.

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU

Lời mở đầu

Kiến trúc mạng truyền thống có nhiều hạn chế đáng kể phải được khắc phục để đáp
ứng các yêu cầu công nghệ thông tin hiện đại. Để khắc phục những hạn chế này, Software
Defined Networking (SDN) [1] đang xuất hiện như một cách tiếp cận mạng mới.
Hệ thống mạng truyền thống có mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu trên cùng
một phần cứng. Trong khi cách tiếp cận SDN xây dựng một mạng máy tính phân tách và
trừu tượng mạng thành hai mặt phẳng: mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu. Mặt

phẳng dữ liệu thực hiện thao tác chuyển các gói tin thông qua mạng. Không giống như các
mạng truyền thống, các thiết bị chuyển mạch bên dưới không thực hiện mặt phẳng điều
khiển. Mặt phẳng điều khiển phần mềm tách ra khỏi mặt phẳng dữ liệu với có thể điều
khiển các mặt phẳng dữ liệu qua các giao diện API.
Mặt phẳng điều khiển là một phần mềm hoặc thực thể logic, xử lý tất cả các quyết
định định tuyến và được thực hiện bởi mặt phẳng dữ liệu. Do đó, mạng có thể lập trình trực
tiếp và phản ứng nhanh với các thay đổi trong mạng [2].
OpenFlow là giao thức phổ biến nhất được sử dụng trong các mạng SDN, được sử
dụng để giao tiếp giữa bộ điều khiển với tất cả các thành phần mạng bên dưới (Network
Element). Đó là một chuẩn mở cung cấp tiêu chuẩn cho phép các nhà nghiên cứu chạy thử
nghiệm mà không yêu cầu các nhà cung cấp phải trưng ra hoạt động bên trong của các thiết
bị mạng của họ [2].
OpenFlow thường bị nhầm lẫn với chính khái niệm SDN, nhưng đó là những khái
niệm khác nhau. Trong khi SDN là kiến trúc phân chia các lớp, OpenFlow chỉ là một giao
thức được đề xuất để truyền tải các thông tin từ lớp điều khiển đến các thành phần mạng.
Có một loạt các dự án dựa trên OpenFlow, bao gồm các bộ điều khiển, các bộ chuyển mạch
ảo hóa và các ứng dụng thử nghiệm [2].
Để tăng băng thông khả dụng, tối đa hóa thông lượng và thêm các liên kết dự phòng,
phải sử dụng cân bằng tải trong mạng. Cân bằng tải mạng là khả năng cân bằng lưu lượng
trên nhiều kết nối Internet. Khả năng này cân bằng các phiên mạng như Web, Email, ... qua
nhiều kết nối để phân chia lượng băng thông được sử dụng bởi mỗi người dùng LAN, do

2


đó làm tăng lượng băng thông có sẵn. Cân bằng tải thường liên quan đến phần mềm hoặc
phần cứng chuyên dụng, chẳng hạn như cân bằng tải liên kết.
Bộ cân bằng tải liên kết, còn được gọi là bộ cân bằng liên kết, là một thiết bị mạng
phân phối lưu lượng truy cập trong và ngoài miền mạng, đến từ nhiều liên kết Internet. Các
bộ cân bằng tải liên kết thường được đặt giữa các Router Gateway và tường lửa. Các phương

pháp cân bằng tải có thể áp dụng cho cân bằng tải liên kết (LLB) là round robin, phương
pháp băm địa chỉ IP đích, phương pháp băng thông tối thiểu và gói tin tối thiểu [2].
1.2.

Vấn đề đặt ra
Mạng hiện tại cần có sự quản lý tài nguyên linh hoạt để có hiệu suất sử dụng tài nguyên

cao và độ trễ truyền dữ liệu thấp trong mạng.
Mạng trung tâm dữ liệu được thiết kế để đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu của các máy
chủ được kết nối một cách dày đặc trong trung tâm dữ liệu. Cấu trúc liên kết mạng và cơ
chế chuyển mạch/định tuyến có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất và độ trễ. Ngày nay,
mô hình mạng fat-tree là một trong những cấu trúc liên kết được sử dụng rộng rãi nhất cho
mạng trung tâm dữ liệu. Tuy nhiên mô hình này sử dụng các thiết bị chuyển mạch tĩnh, cả
mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng chuyển tiếp được đặt trên một phần cứng. Vấn đề với
các mạng này là mỗi luồng dữ đi theo một đường dẫn được xác định trước thông qua mạng.
Trong trường hợp bộ chuyển mạch bị lỗi, các gói dữ liệu có xu hướng giảm cho đến khi
một đường dẫn khác được chọn. Một vấn đề khác là việc sử dụng tài nguyên mạng kém,
khi các liên kết thay thế đến đích không hoạt động, trong khi một số liên kết phải chịu tải
lớn.
1.3.

Đề xuất giải pháp
Các kỹ sư mạng đã áp dụng các phương pháp cân bằng tải trong thiết kế các thuật toán

chuyển mạch và định tuyến. Tuy nhiên, yêu cầu cân bằng tải trong các mạng fat-tree không
thể được thỏa mãn hoàn toàn bằng các phương pháp truyền thống. Lý do chính là thiếu các
cách hiệu quả để có được số liệu thống kê lưu lượng truy cập mạng từ mỗi thiết bị mạng.
Như một giải pháp, giao thức OpenFlow cho phép giám sát thống kê lưu lượng truy cập
bằng bộ điều khiển tập trung. Để đạt được hiệu suất cao và độ trễ thấp, khóa luận đề xuất
một bộ cân bằng tải được triển khai trong bộ điều khiển SDN, thực hiện cân bằng tải cho

các mạng trung tâm dữ liệu dựa trên OpenFlow. Nhiệm vụ của thuật toán là phân phối luồng
lưu lượng sắp đến và luồng lưu lượng trong mạng và làm cho mỗi đường dẫn thay thế nhận

3


được lượng tải lưu lượng bằng nhau, qua đó đạt được hiệu quả sử dụng tài nguyên tốt nhất
có thể cho từng liên kết trong mạng. Nó có thể được tiếp tục áp dụng cho các mạng quy mô
lớn và lên lịch các luồng dữ liệu một cách linh hoạt. Kết quả khóa luận chứng minh rằng
thuật toán định tuyến cân bằng tải động được đề xuất vượt trội hơn thuật toán cân bằng tải
tĩnh.
1.4.

Phương pháp luận
Để thực hiện kiểm tra, đánh giá hiệu suất của thuật toán, nền tảng mã nguồn mở

OpenDaylight (ODL) controller được sử dụng làm bộ điều khiển SDN, mô hình mạng được
mô phỏng bằng phần mềm Mininet. Mục tiêu là đo các tham số QoS: thông lượng, độ trễ
và mất gói từ đó xác định xem thuật toán được chọn có cung cấp hiệu suất tốt hơn trên
mạng hay không.
1.5.

Mục đích khóa luận

Mục đích của khóa luận này là triển khai thuật toán cân bằng tải động Naya Seth trong
các mạng trung tâm dữ liệu dựa trên nền tảng SDN để phân tích các khả năng đạt được hiệu
suất tốt hơn [12].
Mục đích của khóa luận là đánh giá và xác nhận khả năng cân bằng tải của thuật toán
cân bằng tải đề xuất.
1.6.

Outlines

Khóa luận được tổ chức như sau: Chương hai cung cấp kiến thức cơ bản liên quan đến
nền tảng SDN và cân bằng tải trong mạng. Chương ba mô tả phương pháp luận của các
thuật toán cân bằng tải và trình bày các thành phần được sử dụng trong khóa luận để thực
hiện thử nghiệm. Chương bốn mô tả các kịch bản được đề xuất, trình bày đánh giá kết quả
thực hiện. Cuối cùng là rút ra kết luận và định hướng cho công việc trong tương lai.

4


2. CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ SDN VÀ LOAD BALANCING
2.1.

Giới thiệu
Chương này cung cấp một nền tảng chung và tổng quan về khái niệm Software

Defined Networking, giao thức OpenFlow, cân bằng tải mạng, thuật toán của Dijkstra, các
thông tin liên quan tới chủ đề của khóa luận này. Sau đó là đưa ra một bản tóm tắt ngắn gọn
về tổng quan tài liệu khoa học được đề cập tới để phát triển nghiên cứu này.
2.2.

Hạn chế mạng truyền thống
Kiến trúc mạng truyền thống có những hạn chế đáng kể phải được khắc phục để đáp

ứng các yêu cầu công nghệ thông tin hiện đại. Ngày nay, mạng phải mở rộng quy mô để
phù hợp với khối lượng tải ngày càng tăng cùng với đó là độ linh hoạt cao hơn, đồng thời
giữ chi phí ở mức tối thiểu. Cách tiếp cận truyền thống có những hạn chế đáng kể như [3]:

 Độ phức tạp: Sự đa dạng của các giao thức và dịch vụ trong mạng cho các trường
hợp sử dụng cụ thể đã làm tăng đáng kể độ phức tạp của mạng. Các công nghệ cũ thường
được dùng lại để tạo các bản sửa lỗi nhanh để giải quyết các yêu cầu mới của doanh nghiệp.
Các tính năng cụ thể của nhà cung cấp hoặc được triển khai thông qua các lệnh độc quyền.
Vì vậy kiến trúc mạng hiện tại rất phức tạp.
 Các chính sách không nhất quán: Chính sách bảo mật và chất lượng dịch vụ (QoS)
trong các mạng hiện tại cần được cấu hình thủ công hoặc viết kịch bản trên hàng trăm hoặc
hàng nghìn thiết bị mạng. Yêu cầu này làm cho các thay đổi chính sách trở nên cực kỳ phức
tạp đối với các tổ chức khi thực hiện, vì ban đầu không đầu tư vào các kỹ năng hoặc công
cụ ngôn ngữ để có thể tự động thay đổi cấu hình theo yêu cầu. Cấu hình thủ công cũng dễ
bị lỗi và có thể dẫn đến hàng giờ để khắc phục sự cố để tìm ra dòng nào của chính sách bảo
mật hoặc danh sách kiểm soát truy cập (ACL) được nhập không chính xác trên một thiết bị
nhất định. Ngoài ra, khi các ứng dụng bị xóa, gần như không thể xóa tất cả các chính sách
liên quan khỏi tất cả các thiết bị, làm tăng thêm độ phức tạp.
 Không có khả năng mở rộng: Khi khối lượng dữ liệu của ứng dụng thay đổi và nhu
cầu về băng thông mạng tăng lên, hạ tầng CNTT cần phải đáp ứng được quy mô mạng vượt
quá mức hoặc cần phát triển theo yêu cầu của tổ chức. Thật không may, phần lớn các mạng

5


truyền thống được cung cấp thụ động theo cách là tăng số lượng điểm cuối, vì vậy dịch vụ
hoặc băng thông đòi hỏi phải lập kế hoạch thiết kế lại mạng.
Các kiến trúc mạng truyền thống không phù hợp để đáp ứng các yêu cầu của các doanh
nghiệp, nhà mạng và người dùng cuối ngày nay. Nhờ nỗ lực của tổ chức mở Open
Networking Foundation (ONF, SDN đang chuyển đổi kiến trúc mạng [1].
2.3.

Software-Defined Networking (SDN)
SDN là một kiến trúc mạng mới xuất hiện trong đó phần điều khiển mạng được tách

rời khỏi phần chuyển tiếp và được lập trình trực tiếp. Việc di chuyển mặt phẳng điều khiển
này, trong khi trước đây bị ràng buộc chặt trong các thiết bị mạng riêng lẻ, vào các thiết bị
tính toán có thể truy cập cho phép cơ sở hạ tầng bên dưới được trừu tượng hóa cho các ứng
dụng và dịch vụ mạng, có thể coi mạng lúc này là một thực thể logic hoặc ảo. Do đó, các
doanh nghiệp và nhà mạng đạt được khả năng lập trình, tự động hóa và kiểm soát mạng
chưa từng có, cho phép họ xây dựng các mạng linh hoạt, có khả năng mở rộng cao, dễ dàng
thích ứng với nhu cầu doanh nghiệp thay đổi [1][4].
SDN được điều khiển bởi các ứng dụng phần mềm và bộ điều khiển SDN thay vì các
bảng điều khiển quản lý mạng truyền thống và các lệnh đòi hỏi nhiều chi phí quản trị và
dài dòng, phức tạp khi quản lý trên quy mô lớn [4].

Hình 2.1 Mô hình mạng SDN [4]

6


2.3.1. Kiến trúc SDN
Ý tưởng chính của SDN là tách mặt phẳng điều khiển khỏi mặt phẳng chuyển tiếp dữ
liệu, tính thông minh của mạng (về mặt logic) được tập trung trong các phần mềm của bộ
điều khiển SDN, giúp nó duy trì cái nhìn tổng thể về mạng. Do đó, mạng xuất hiện cung
cấp các ứng dụng và công cụ chính sách dưới dạng một chuyển đổi logic duy nhất. Với
SDN, các doanh nghiệp và nhà mạng có được quyền kiểm soát độc lập với nhà cung cấp
đối với toàn bộ mạng từ một nơi duy nhất, giúp đơn giản hóa rất nhiều việc thiết kế và vận
hành mạng. SDN cũng đơn giản hóa rất nhiều các thiết bị mạng, vì chúng không còn cần
phải hiểu và xử lý hàng ngàn tiêu chuẩn giao thức mà chỉ chấp nhận các hướng dẫn từ bộ
điều khiển SDN. Hình dưới đây mô tả kiến trúc SDN cơ bản [1].

Hình 2.2 Kiến trúc SDN [1]
Kiến trúc SDN hỗ trợ một tập API cho phép triển khai các dịch vụ mạng phổ biến,

bao gồm định tuyến, multicast, bảo mật, kiểm soát truy cập, quản lý băng thông, kỹ thuật
lưu lượng, chất lượng dịch vụ, tối ưu hóa bộ xử lý và lưu trữ, sử dụng năng lượng hiệu quả
và tất cả các hình thức chính sách quản lý, tùy chỉnh phù hợp để đáp ứng mục đích doanh
nghiệp. Ví dụ, kiến trúc SDN giúp dễ dàng xác định và thực thi các chính sách nhất quán
trên cả kết nối có dây và không dây trong một miền mạng.

7


2.3.2. Lợi thế của công nghệ SDN
OpenFlow là giao diện tiêu chuẩn đầu tiên được thiết kế dành riêng cho SDN, cung
cấp kiểm soát lưu lượng một cách chi tiết, hiệu quả cao trên nhiều thiết bị mạng của nhà
cung cấp. SDN dựa trên OpenFlow hiện đang được triển khai trong nhiều thiết bị và phần
mềm mạng, mang lại lợi ích đáng kể cho cả doanh nghiệp và nhà mạng, bao gồm [3]:
 Quản lý và kiểm soát tập trung các thiết bị mạng từ nhiều nhà cung cấp. Cải thiện
tự động hóa và quản lý bằng cách sử dụng các API phổ biến để mô tả một cách chi
tiết mạng bên dưới từ lớp orchestration, các hệ thống và ứng dụng.
 Thay đổi nhanh chóng thông qua khả năng cung cấp các chức năng và dịch vụ
mạng mới mà không cần phải cấu hình các thiết bị riêng lẻ hoặc chờ các nhà cung
cấp thực hiện.
 Khả năng lập trình của các nhà vận hành, doanh nghiệp, nhà cung cấp phần mềm
độc lập và người dùng (không chỉ nhà sản xuất thiết bị) sử dụng môi trường lập
trình chung, mang đến cho tất cả các bên cơ hội mới để thúc đẩy doanh thu và sự
khác biệt.
 Tăng độ tin cậy và bảo mật mạng do quản lý tập trung và tự động các thiết bị mạng,
đảm bảo chính sách thống nhất và ít lỗi cấu hình hơn.
 Kiểm soát mạng chi tiết hơn với khả năng áp dụng các chính sách toàn diện và
rộng khắp ở cấp độ phiên, người dùng, thiết bị và ứng dụng.
 Trải nghiệm người dùng cuối tốt hơn khi các ứng dụng khai thác thông tin trạng
thái mạng tập trung để điều khiển liền mạch hành động mạng theo nhu cầu của

người dùng.
 Giảm CapEx: SDN giúp giảm thiểu các yêu cầu mua phần cứng theo mục đích xây
dựng các dịch vụ, phần cứng mạng trên cơ sở ASIC, và hỗ trợ mô hình pay as-you
grow (trả những gì bạn dùng) để loại bỏ lãng phí cho việc dự phòng.
 Giảm OpEx: thông qua các phần tử mạng đã được gia tăng khả năng lập trình,
SDN giúp dễ dàng thiết kế, triển khai, quản lý và mở rộng mạng. Khả năng phối
hợp và dự phòng tự động không những giảm thời gian quản lý tổng thể, mà còn
giảm xác suất lỗi do con người tới việc tối ưu khả năng và độ tin cậy của dịch vụ.

8


2.3.3. Các ứng dụng SDN
SDN được ứng dụng rộng rãi trong mạng, danh sách dưới đây đã đề cập đến một số
ứng dụng có liên quan [5].
 Công nghệ ảo hóa thiết bị mạng NFV: Tường lửa, cân bằng tải và các gateway, bộ
định tuyến và chuyển mạch ảo. Điều khiển mạng ảo trên cơ sở hạ tầng dùng chung,
tự động hóa, mạng nhiều bên thuê và API.
 Đảm bảo dịch vụ: Định tuyến lưu lượng cụ thể theo nội dung cho chất lượng trải
nghiệm tối ưu (QoE), kiểm soát tắc nghẽn dựa trên các điều kiện mạng, kỹ thuật
lưu lượng dựa trên chính sách động.
 Phân biệt dịch vụ: Các tính năng dịch vụ bổ sung, các tính năng yêu cầu băng thông
trên nhiều mạng, thêm/thay đổi dịch vụ.
 Tăng tốc độ của dịch vụ: Virtual edge, môi trường thử nghiệm ứng dụng phân tán,
quy trình phát triển ứng dụng.
 Chức năng của mặt phẳng điều khiển truyền thống: Phát hiện mạng, tính toán
đường dẫn, tối ưu hóa và duy trì, bảo vệ và phục hồi.
 Cải thiện ứng dụng: Ứng dụng SDN cụ thể, băng thông dành riêng cho nhu cầu
ứng dụng, các ứng dụng phân tán, đáp ứng nhanh cho nhu cầu ứng dụng.
2.4.

Giao thức OpenFlow

OpenFlow là giao diện truyền thông tiêu chuẩn đầu tiên được xác định giữa lớp điều
khiển và lớp chuyển tiếp dữ liệu của kiến trúc SDN. OpenFlow cho phép truy cập trực tiếp
và thao tác trên mặt phẳng chuyển tiếp của các thiết bị mạng như bộ chuyển mạch và bộ
định tuyến, cả vật lý và ảo (dựa trên nền tảng ảo hóa). Chính vì không có một giao diện mở
cho mặt phẳng chuyển tiếp đã dẫn đến đặc điểm của các thiết bị mạng ngày nay là nguyên
khối, đóng và giống như máy tính lớn. Vì vậy giao thức OpenFlow là cần thiết để chuyển
phần điều khiển mạng ra khỏi các bộ chuyển mạch mạng sang phần mềm điều khiển tập
trung logic duy nhất [1].
OpenFlow sử dụng khái niệm các “flow” (luồng) để nhận dạng lưu lượng mạng trên
cơ sở định nghĩa trước các qui tắc phù hợp (được lập trình tĩnh hoặc động bởi phần mềm
điều khiển SDN). Giao thức này cũng cho phép định nghĩa cách mà lưu lượng phải được
truyền qua các thiết bị mạng trên cơ sở các tham số, chẳng hạn như mô hình lưu lượng sử
dụng, ứng dụng, và tài nguyên đám mây. Do đó OpenFlow cho phép mạng được lập trình
9


trên cơ sở luồng lưu lượng. Một kiến trúc SDN trên cơ sở OpenFlow cung cấp điều khiển
ở mức cực kỳ chi tiết, cho phép mạng phản hồi sự thay đổi theo thời gian thực của ứng
dụng, người dùng và mức phiên [3].
Một thiết bị OpenFlow bao gồm ít nhất 3 thành phần [3]:
 Secure Channel: kênh kết nối thiết bị tới bộ điều khiển (controller), cho phép các
lệnh và các gói tin được gửi giữa bộ điều khiển và thiết bị.
 OpenFlow Protocol: giao thức cung cấp phương thức tiêu chuẩn và mở cho một
bộ điều khiển truyền thông với thiết bị.
 Flow Table: một liên kết hành động với mỗi luồng, giúp thiết bị xử lý các luồng
thế nào.

Hình 2.3 Cấu trúc một thiết bị sử dụng OpenFlow [3]
2.4.1. Lợi ích của SDN trên cơ sở OpenFlow
Những lợi ích mà các doanh nghiệp và nhà khai thác mạng có thể đạt được thông qua
kiến trúc SDN trên cơ sở OpenFlow bao gồm [3]:
 Tập trung hóa điều khiển trong môi trường nhiều nhà cung cấp thiết bị: phần mềm
điều khiển SDN có thể điều khiển bất kỳ thiết bị mạng nào cho phép OpenFlow
từ bất kỳ nhà cung cấp thiết bị nào, bao gồm Switch, Router, và các Switch ảo.
 Giảm sự phức tạp thông qua việc tự động hóa: kiến trúc SDN trên cơ sở OpenFlow
cung cấp một framework quản lý mạng tự động và linh hoạt. Từ framework này

10


có thể phát triển các công cụ tự động hóa các nhiệm vụ hiện đang được thực hiện
bằng tay.
 Đáp ứng nhanh với thay đổi trong mạng: việc áp dụng OpenFlow cho phép các
nhà khai thác mạng lập trình lại mạng trong thời gian thực để đạt được các nhu
cầu kinh doanh và yêu cầu người dùng cụ thể khi có sự thay đổi.
 Gia tăng độ tin cậy và khả năng an ninh của mạng: các nhân viên IT có thể định
nghĩa các trạng thái cấu hình và chính sách ở mức cao, và áp dụng tới cơ sở hạ
tầng thông qua OpenFlow. Kiến trúc SDN trên cơ sở OpenFlow cung cấp điều
khiển và tầm nhìn hoàn chỉnh trên mạng, nên có thể đảm bảo điều khiển truy nhập,
định hình lưu lượng, QoS, an ninh, và các chính sách khác được thực thi nhất
quán trên toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng không dây và có dây, bao gồm cả các văn
phòng chi nhánh, các cơ sở chính và trung tâm dữ liệu.
2.4.2. Ứng dụng của OpenFlow
OpenFlow đươc ứng dụng rộng rãi, trong đó việc sử dụng OpenFlow có thể cải thiện
hiệu suất toàn bộ hệ thống. Danh sách một số ứng dụng của OpenFlow [3]:
 Network slicing: Cơ sở hạ tầng mạng có thể được chia thành các lát cắt logic (ví dụ:
sử dụng phần mềm FlowVisor). Do đó, các dịch vụ khác nhau có thể được ánh xạ tới các

lát mạng khác nhau và lưu lượng có thể được xử lý theo cách tương ứng.
 Cân bằng tải: Toàn bộ mạng có thể được xem như một bộ chuyển mạch cân bằng
tải phần mềm thay vì triển khai các bộ chuyển mạch phần cứng cân bằng tải đắt tiền.
 Giảm chi phí CAPEX/OPEX cho các công ty viễn thông: kết hợp công nghệ ảo hóa
cho phép giảm chi phí phần cứng, vận hành đơn giản hơn cho phép giảm chi phí vận hành.
 Giảm mức tiêu thụ năng lượng: Có thể ngắt các liên kết không sử dụng, do đó cần
ít năng lượng hơn để chạy, ví dụ như trong mạng trung tâm dữ liệu.
 Kiểm soát luồng lưu lượng một cách linh hoạt: OpenFlow có thể giúp tiết kiệm tài
nguyên (CPU, bảng định tuyến) hoặc quản lý mạng dễ dàng hơn.
 Cung cấp dịch vụ MPLS: OpenFlow có thể đơn giản hóa việc triển khai các dịch vụ
MPLS mới (ví dụ: các đường hầm mới bao gồm các điều chỉnh về dành trước băng thông
của chúng).

11


2.5.

Cân bằng tải trọng mạng (Network Load Balancing)
Cân bằng tải rất quan trọng trong việc xây dựng mạng tốc độ cao và cũng để đảm bảo

hiệu suất cao trong mạng trục.
Ý tưởng chính của cân bằng tải là điều khiển một phần lưu lượng từ các đường có tải
nặng sang một số đường có tải nhẹ hơn để tránh tắc nghẽn trong tuyến đường ngắn nhất và
tăng mức sử dụng mạng và thông lượng mạng [2].
Cân bằng tải có một số cách tiếp cận như sau [6]:
2.5.1. Lập lịch Round Robin
Lập lịch round robin là có điểm mạnh chỉ khi tất cả các đường dẫn có chi phí như
nhau. Nếu không, sự xáo trộn gói sẽ diễn ra, xuất hiện tín hiệu tắc nghẽn sai (bởi vì, khi
một tiến trình sử dụng hết thời gian quantum mà nó được cấp phát, thì dù vẫn còn phải xử

lý tiếp, phần dư của nó cũng sẽ được chuyển về phía sau trong danh sách hàng đợi). Điều
này sẽ dẫn đến sự giảm thông lượng mạng không cần thiết vì một số liên kết không được
sử dụng trong khi các liên kết khác bị sử dụng quá mức [2].
2.5.2. Cách tiếp cận thời gian phụ thuộc
Cân bằng lưu lượng trên cơ sở khoảng thời gian dài theo trạng thái của lưu lượng
trong mạng. Cách tiếp cận phụ thuộc thời gian sẽ thay đổi lưu lượng trên cơ sở các biến thể
của lưu lượng trong một khoảng thời gian dài. Các loại phương pháp này không nhạy với
mạng có nhiều lưu lượng truy cập động, vì khi đó các trạng thái trong mạng rất phức tạp,
khó kiểm soát [7].
2.5.3. Phương pháp sử dụng thuật toán băm (Hashing)
Các cách tiếp cận sử dụng phương pháp băm là một cách tiếp cận trạng thái không ổn
định, áp dụng hàm băm trên tập hợp con của năm bộ dữ liệu (địa chỉ nguồn, địa chỉ đích,
cổng nguồn, cổng đích và ID giao thức). Kiểu phân chia lưu lượng này khá dễ tính toán.
Mặc dù vậy, nó vẫn duy trì phân chia lưu lượng dựa trên luồng nhưng theo phương thức
này, lưu lượng luôn được phân phối đều trên các liên kết. Và hơn thế nữa vì trạng thái
không ổn định định nên kỹ thuật lưu lượng động không thể áp dụng cho các loại phương
pháp này. Phương pháp này không có tính linh hoạt [2].

12


2.5.4. Định tuyến lưu lượng theo các tham số liên quan đến QoS
Các tác giả khác nhau đã đề xuất kỹ thuật lưu lượng với một số số liệu được tính toán
như độ trễ gói hoặc mất gói, ... và áp dụng chúng để phân chia lưu lượng. Phương pháp này
rất thuận lợi nếu tính toàn vẹn của luồng được duy trì và nếu chi phí tính toán số liệu không
đáng kể [2].
2.6.

Kết nối liên mạng
Theo truyền thống, kết nối các mạng với nhau được định nghĩa là các mạng kết nối

nhiều bộ xử lý. Tuy nhiên, các mạng kết nối đã phát triển mạnh mẽ trong 20 năm qua và
hiện đóng một vai trò quan trọng trong các lĩnh vực Data Center hoặc Hight Performance
Computing (HPC) [8].
Các cấu trúc liên kết cho các mạng kết nối có thể được phân thành bốn nhóm chính:
shared-bus networks, direct network, indirect network và hybrid network [8]. Lựa chọn cấu
trúc liên kết là một trong những bước quan trọng nhất khi xây dựng mạng kết nối. Cấu trúc
liên kết được chọn kết hợp với thuật toán định tuyến và khối lượng dữ liệu của ứng dụng
quyết định việc phân phối lưu lượng trong mạng [9].
2.6.1. Mô hình liên kết mạng fat-tree
Mô hình mạng fat-tree được sử dụng rộng rãi để xây dựng các mạng có quy mô vừa
và lớn [10]. Mô hình được tạo ra bởi Charles E. Leiserson của Viện Công nghệ
Massachusetts năm 1985.
Mô hình mạng fat-tree gồm nhiều liên kết giữa các host cho phép cung cấp băng thông
khả dụng cao hơn so với single-path tree có cùng số nút. Mô hình này có dạng một cây
phân cấp 3 lớp bao gồm các bộ chuyển mạch trên lớp core, lớp aggregation và lớp edge.
Các host kết nối với các bộ chuyển mạch trên lớp Edge. Tính năng đa đường của mạng fattree cho phép phân phối lưu lượng dữ liệu trên các thành phần mạng khác nhau.

13


Hình 2.4 Mô hình mạng fat-tree [9]
Mô hình liên kết mạng fat-tree có 3 đặc điểm khiến mô hình này có thể cung cấp các
kết nối hiệu suất cao [9]:
a) Loại bỏ hiện tượng deadlock, việc sử dụng cấu trúc cây định tuyến fat-tree mà
không cần sử dụng các kênh ảo để tránh deadlock.
b) Có khả năng chống lỗi, sự dự phòng của nhiều đường giữa các cặp nguồn-đích
riêng lẻ giúp xử lý lỗi mạng dễ dàng hơn.
c) Băng thông chia đôi đầy đủ, mạng có thể duy trì liên lạc tốc độ đầy đủ giữa hai
nửa của mạng.

Mặc dù fat-tree topology cung cấp kết nhiều kết nối dự phòng, nhưng chỉ mỗi cấu trúc
liên kết fat-tree thì không đảm bảo hiệu suất mạng cao: cơ chế định tuyến cũng đóng một
vai trò quan trọng. Trong lịch sử, định tuyến thích ứng tự động xây dựng đường dẫn cho
gói dựa trên các điều kiện mạng, đã được sử dụng với cấu trúc liên kết fat-tree để đạt được
cân bằng tải trong mạng. Tuy nhiên, việc định tuyến trong hầu hết hệ thống mạng khu vực
hiện nay mang tính quyết định. Đối với hệ thống mạng khu vực dựa trên fat-tree với định
tuyến xác định, điều quan trọng là sử dụng sơ đồ định tuyến cân bằng tải hiệu quả để khai
thác triệt để nhiều kết nối được cung cấp bởi cấu trúc liên kết của fat-tree [10].
2.7.

Thuật toán Dijkstra
Thuật toán của Dijkstra, được tìm ra bởi nhà khoa học máy tính người Hà Lan Edsger

Dijkstra vào năm 1956 và được công bố vào năm 1959, là một thuật toán tìm kiếm đồ thị
tìm đường đi ngắn nhất từ nguồn tới đích với chi phí đường nhỏ nhất, tạo ra cây đường đi
ngắn nhất [11].

14


Thuật toán này thường được sử dụng trong định tuyến và là một chương trình con
trong các thuật toán đồ thị khác. Đối với một đỉnh nguồn (nút) nhất định trong biểu đồ,
thuật toán tìm đường đi có chi phí nhỏ nhất (đường dẫn ngắn nhất) giữa đỉnh đó và mọi
đỉnh khác [11].
Thuật toán cũng có thể được sử dụng để tìm chi phí của các đường đi ngắn nhất từ
một đỉnh đơn đến một đỉnh đích duy nhất bằng cách dừng thuật toán khi đường dẫn ngắn
nhất tới đỉnh đích được xác định. Ví dụ: nếu các đỉnh của biểu đồ biểu thị các thành phố và
chi phí đường dẫn biểu thị khoảng cách lái xe giữa các cặp thành phố được kết nối bằng
một con đường trực tiếp, thuật toán của Dijkstra có thể được sử dụng để tìm tuyến đường
ngắn nhất giữa một thành phố với tất cả các thành phố khác. Do đó, đường đi ngắn nhất

đầu tiên được sử dụng rộng rãi trong các giao thức định tuyến mạng, đáng chú ý nhất là ISIS và OSPF [7].
2.8.

Thuật toán cân bằng tải động trong mạng SDN
Thuật toán cân bằng tải này áp dụng các ưu điểm và tính năng của SDN. Bởi vì SDN

controller có thể nhận biết trạng thái của từng thành phần trên mạng từ đó đưa ra hành động
tiếp theo [1].
Để mô tả thuật toán, các kiểu cấu trúc dữ liệu khác nhau được định nghĩa. Các cấu
trúc này đặc trưng cho các thành phần khác nhau đã được tính đến để đạt được sự cân bằng
tải hiệu quả, đồng thời để giảm càng nhiều chi phí tính toán và thời gian càng tốt [2].
Các cấu trúc dữ liệu chính được giải thích bao gồm [17][18]:
2.8.1. Flow
Thuật toán cung cấp cân bằng tải dựa trên các luồng, nên cần xác định một cấu trúc
để mô tả từng luồng khác nhau với các tham số đặc biệt.
Thuật toán tính đến việc sử dụng IP của các Port để tính toán luồng, nhưng khi sử
dụng OpenFlow, có thể xác định chính xác hơn từng luồng với bất kỳ trường tiêu đề nào.
Cấu trúc Flow xác định một luồng lưu lượng cụ thể từ host này sang host khác.
Flow= {<FlowID>, <SrcIP>, <DstIP>, <SrcPort>, <DstPort>, <usedBandference>}
FlowID: Một ID duy nhất xác định mỗi luồng.
SrcIP: Trường này chứa IPv4 của host nguồn đã khởi tạo luồng.
DstIP: IPv4 của host đích.
SrcPort: Số cổng của nguồn.

15