Thạc Sĩ Kỹ thuật điều khiển lưu lượng trong mạng máy tính cụm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3
MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN . .
LỜI CAM ĐOAN . 1
MỤC LỤC . 3
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 5
DANH MỤC HÌNH ẢNH . 6
MỞ ĐẦU . 8
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN MÁY TÍNH CỤM VÀ VẤN VỀ ĐIỀU KHIỂN
LƯU LƯỢNG . 10
1.1 Tổng quan về hệ thống máy tính cụm 10
1.1.1 Khái niệm máy tính cụm . 10
1.1.2 Các loại máy tính cụm 11
1.1.3 Kiến trúc của một Cluster . 11
1.1.4 Chế độ hoạt động của Cluster . 13
1.1.5 Linux Cluster . 14
1.2 Lý thuyết lưu lượng 16
1.2.1 Khái niệm về lưu lượng và đơn vị Erlang . 16
1.2.2 Hệ thống tổn thất (Loss System) và công thức Erlang B 20
1.2.3 Hệ thống trễ (Delay) và công thức Erlang C 22
1.3 Khái niệm điều khiển lưu lượng 23
1.4 Nhiệm vụ điều khiển lưu lượng . 23
1.5 Các cơ chế điều khiển lưu lượng điển hình 25
1.5.1 Cơ chế cấp lại ARQ 25
1.5.2 Cơ chế cửa sổ 27
1.5.3 Cơ chế điều khiển truy cập mạng (hạn chế băng thông) 28
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG MÁY
TÍNH CỤM . 30
2.1 Hệ thống hàng đợi 30
2.1.1 Các đặc trưng của hệ thống hàng đợi [ ] . 30
2.1.2 Phân tích một số mô hình hàng đợi . 31
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
4
2.1.3 Kỹ thuật hàng đợi 36
2.2 Điều khiển lưu lượng theo thuật toán gáo rò (leaky bucket) 43
2.2.1 Nguyên lý của thuật toán gáo rò . 43
2.2.2 Mô hình giải tích . 44
2.2.3 Thuật toán gáo rò (Leaky bucket) . 45
2.2.4 Thuật toán gáo rò trong điều khiển lưu lượng 47
CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM . 51
3.1 Nhiệm vụ của luận văn . 51
3.1.1 Bài toán đặt ra . 51
3.1.2 Mô hình hệ thống 52
3.2 Xây dựng một Web Cluster 52
3.2.1 Mô hình . 52
3.2.2 Cài đặt hai server chạy hệ điều hành Linux trên Vmware Workstation . 54
3.2.3 Cài đặt Apache và PHP trên Linux CentOS . 55
3.2.4 Cài đặt và cấu hình hearbeat trên các Node 56
3.3 Chương trình thuật toán gáo rò 58
3.4 Một số kịch bản thử nghiệm . 61
3.5 Đánh giá kết quả . 63
KẾT LUẬN . 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 65
PHỤC LỤC : KẾT QUẢ HIỂN THỊ SAU KHI CÀI ĐẶT XONG HEARTBEAT . 66
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
5
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Viết đầy đủ Ý nghĩa
ARQ Automatic Repeat Request yêu cầu lặp lại tự động
TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền vận
FBA-TCP Fair Bandwidth Allocation for TCP Phân bổ băng thông công bằng
cho TCP
LCC Lost Calls Cleared Mô hình LCC (Mô hình tổn thất)
PCT -I Pure Chance Traffic Type I
PASTA Poisson Arrival See Time Average
FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trực tiếp bên thu
WFQ Weighted Fair Queue Hàng đợi cân bằng có trọng số
HA Cluster High-availability clusters/HA Hệ thống máy tính cụm có độ
sẵn sàng cao
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
6
DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Hệ thống máy tính cụm của trung tâm vật lý lý thuyết, viện Vật lý –
Viện Hàn Lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam 11
Hình 1.2 Kiến trúc một Hadoop Cluster 13
Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động của một Cluster . 13
Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý của một Linux cluster lớn 15
Hình 1.5: Lưu lượng mang (mật độ)( bằng số thiết bị bận) là một hàm thời gian
(đường cong C). Lưu lượng trung bình trong khoảng thời gian T (đường cong D) 17
Hình 1.6 Hoạt động của mạng khi không có sự kiểm soát 23
Hình 1.7 Phát lại theo cơ chế dừng và đợi . 25
Hình 1.8 Nguyên tắc hoạt động của cơ chế cửa sổ trượt . 27
Hình 1.9: (a) thuật toán gáo rò với nước, (b) thuật toán gáo rò với các gói tin . 28
Hình 2.1 Mô hình chung của hệ thống hàng đợi 30
Hình 2.2 Chuỗi Markov của một quá trình sinh-tử 33
Hình 2.3 Chuỗi Markov của hàng đợi M/M/1 . 34
Hình 2.4 Chuỗi Markov của hàng đợi M/M/1 . 35
Hình 2.5 Leaky bucket . 37
Hình 2.6 Token Bucket 38
Hình 2.8 Hàng đợi ưu tiên 41
Hình 2.9 Custom Queue . 42
Hình 2.10 Weighted Fair Queue . 43
Hình 2.11 Mô hình gáo rò 43
Hình 2.12 Mô hình gáo rò bằng kí hiệu toán học 44
Hình 2.13 Mô hình chuyển đổi sang hàng đợi . 45
Hình 2.14 Lưu đồ thuật toán gáo rò . 46
Hình 2.15 Thuật toán gáo rò 47
Hình 2.16 Điều khiển lưu lượng đưa vao mạng bằng thuật toán cái gáo rò 47
Hình 2.17 Sử dụng thuật toán cài gáo rò đẻ giới hạn trễ tối đa . 48
Hình 2.18 Ví dụ chức năng định dạng lưu lượng của thuật toán gáo rò 49
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
7
Hình 3.1 Mô hình mạng của công ty cổ phần Sách giáo dục điện tử EDC . 51
Hình 3.2 Mô hình Web Cluster 53
Hình 3.3a Nội dung file ifcfg-eth0 cho máy Node 1 . 54
Hình 3.3b Nội dung file ifcfg-eth0 cho máy Node 2 . 55
Hình 3.4 Cấu hình httpd . 58
Hình 3.5 : Trước khi điều khiển lưu lượng 62
Hình 3.6 Sau khi điều khiển lưu lượng . 63
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
8
MỞ ĐẦU
Ngày nay, nền kinh tế của đất nước đang ngày một phát triển và đang hoà
nhập với nền kinh tế của khu vực cũng như của thế giới. Cùng với sự phát triển
đó mạng máy tính đã và đang trở nên rất quan trọng đối với chúng ta trong mọi
lĩnh vực như: Khoa học, quốc phòng, thương mại, giáo dục hiện nay ở nhiều
nơi, mạng đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu được.
Việc truyền dữ liệu trong mạng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có
chiến lược cung cấp tài nguyên của mạng (đường truyền, bộ nhớ đệm .). Nếu
khả năng tài nguyên có hạn, không có chiến lược cấp phát phù hợp và thích nghi
với trạng thái luôn thay đổi của mạng thì dẫn đến tình trạng tắc nghẽn do khả
năng tài nguyên trên các thiết bị mạng đáp ứng không nổi. Trong khi đó, có một
số thiết bị mạng nào đó có ít dữ liệu truyền qua lại không được tận dụng. Tắc
nghẽn có thể xuất hiện ở nhiều vị trí khác nhau trong mạng và đó là kết quả của
một số nguyên nhân sau:
Thời gian chờ xử lý, các gói tin xếp hàng trong hàng đợi quá lớn. Nếu các
luồng gói tin đột ngột đi vào từ nhiều Interface và tất cả đều muốn đi ra cùng một
đường nên hàng đợi sẽ bị đầy (do phải lưu gói tin và chuyển tiếp gói tin .). Nếu
khả năng xử lý của các nút mạng yếu sẽ dẫn đến tắc nghẽn. Kích thước bộ đệm
của hàng đợi quá nhỏ. Nếu bộ đệm không đủ dung lượng để lưu các luồng gói tin
thì một số gói tin sẽ bị mất. Độ trễ lớn, tần suất lỗi mạng cao và sự chênh lệch về
băng thông giữa các liên kết: Làm tăng số lượng gói tin tại các interface đầu vào
của các router biên trong mạng làm cho khả năng tắc nghẽn trong mạng tăng lên,
và cũng đồng nghĩa với việc số lượng gói tin bị loại bỏ cũng tăng lên nếu các
Router biên không có cơ chế hành xử hợp lý.
Trong quá trình học tâ ̣p và nghiên cứu tôi đã tìm hiểu được mộ t số kiến
thức về mạng và tìm hiểu các thuâ ̣t toán để đi ều khiển lưu lượng mạng để đảm
bảo dữ liệu trong mạng không bị tắc nghẽn. Chính vì thế tôi đã lựa chọn đề tài
“Kỹ thuật điều khiển lưu lượng trong mạng máy tính cụm”.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
9
 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng:
- Kiến trúc hệ thống máy tính cụm
- Thuật toán gáo rò
Phạm vi nghiên cứu:
- Điều chỉnh lưu lượng trong mạng máy tính cụm bằng thuật toán gáo rò
 Hướng nghiên cứu của đề tài
- Tìm hiểu thành phần, chức năng của hê ̣ thống máy tính cụm, và các vấn
đề nảy sinh trong quá trình khởi động mạng máy tính cụm
- Tìm hiểu thuâ ̣t toán gáo rò.
- Giải quyết bài toán điều khiển lưu lượng dựa trên thuâ ̣t toán gáo rò
 Những nội dung nghiên cứu chính:
Luận văn được trình bày trong 3 chương:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về máy tính cụm và các vấn đề điều
khiển lưu lượng trong thực tế
Chương 2: Kỹ thuật điều khiển lưu lượng trong mạng máy tính cụm
Chương 3: Đây là chương demo việc triển khai điều khiển lưu lượng trên
máy tính cụm bằng thuật toán gáo rò. Trong chương này sẽ hướng dẫn tạo ra một
cluster, dùng thuật toán gáo rò để điều khiển lưu lượng.