МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯФАКУЛЬТЕТ ІНЖЕНЕРІЇ МАШИН, СПОРУД І ТЕХНОЛОГІЙКАФЕДРА ТЕХНОЛОГІЇ МАШИНОБУДУВАННЯМИТНИК ОЛЕСЯ МИКОЛАЇВНАУДК 004.7ДОСЛІДЖЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ МЕТОДІВ БАЛАНСУВ

(1)

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

ФАКУЛЬТЕТ ІНЖЕНЕРІЇ МАШИН, СПОРУД І ТЕХНОЛОГІЙ КАФЕДРА ТЕХНОЛОГІЇ МАШИНОБУДУВАННЯ

МИТНИК ОЛЕСЯ МИКОЛАЇВНА

УДК 004.7

ДОСЛІДЖЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ МЕТОДІВ БАЛАНСУВАННЯ НАВАНТАЖЕННЯМ В ПРОГРАМНО-КОНФІГУРОВАНИХ МЕРЕЖАХ SDN НА ОСНОВІ ПРОТОКОЛУ OPENFLOW ДЛЯ ЦІЛЕЙ «РОЗУМНОГО МІСТА»

122 «Комп’ютерні науки»

Автореферат

дипломної роботи на здобуття освітнього ступеня «магістр»

Тернопіль

2019

(2)

Роботу виконано на кафедрі комп’ютерних наук Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України

Керівник роботи: кандидат технічних наук, доцент кафедри комп’ютерних наук

Мацюк Олександр Васильович,

Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя,

Рецензент: доктор технічних наук, професор кафедри комп’ютерних систем та мереж

Лупенко Сергій Анатолійович,

Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя,

Захист відбудеться 27 травня 2019 р. о 9

^.00

годині на засіданні екзаменаційної комісії №33 у Тернопільському національному технічному університеті імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56, навчальний корпус №1, ауд.

701

(3)

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження. Важливе місце в сучасних світових процесах і тенденціях розвитку суспільства посідає зростання міст і підвищення їхньої ролі в житті людства, тобто процес урбанізації. У 1950 році лише 30%

населення світу було міським. Прогнозується, що до 2050 року цей показник зросте до 68%. За даними ООН в 2018 році 55% населення світу буде зосереджене у містах.

Станом на 2018 рік найбільш урбанізованими регіонами є Північна Америка (82% міського населення), Латинська Америка і Кариби (81%), Європа (74%) та Океанія (68 %). Рівень урбанізації в Азії становить близько 50%, а в Африці 43%.

Водночас найбільшим у світі містом з агломерацією 37 мільйонів жителів є Токіо. За ним слідують Делі (29 млн), Шанхай (26 млн), Мехіко (22 млн) і Сан-Паулу (22 млн) [1]. У 2018 році в Україні кількість міського населення становить 69.4% [2].

Процес урбанізації значною мірою сприяє розвитку сучасної економіки та підвищенню здатності людини трансформувати природу і покращувати рівень життя [3]. Урбанізація забезпечила водопостачанням, житловими та адміністративним будівлями, освітніми та медичними послугами, зручним транспортним сполученням. Міста є загально регіональними економічними центрами, які допомагають поліпшити регіональне економічне процвітання та створювати нові робочі місця. Концентрація освічених людей у містах сприяє покращенню промислової структури та підвищенню ефективності виробництва [4].

Незважаючи на це, процес урбанізації стає причиною ряду екологічних і соціальних проблем, таких як недостатність робочих місць і природних ресурсів, забруднення повітря, зростання рівня злочинності та ін. Наприклад, Мехіко у 2015 році зіткнулось із значним збільшенням викидів газів, яке негативно вплинуло на якість повітря [5]. У США в 2011 році спостерігалось високе завантаження дорожнього руху в 493 містах, що спричинило придбання додатково 1.9 мільярда галонів палива. А це, зі свого боку, завдало шкоди навколишньому середовищу на 101 мільярдів доларів [6]. Крім цього, нещодавнє дослідження статистики злочинності в Японії показало, що урбанізацію можна вважати провідним фактором у збільшенні кількості злочинів. З огляду на зазначені проблеми, важливо забезпечити сталий розвиток міст, забезпечуючи при цьому зменшення проблем урбанізації шляхом використання правильних технічних рішень [4].

Для подолання зазначених проблем урбанізації дедалі частіше звертаються до використання інформаційно-комунікаційних технологій. Так, для зниження рівня злочинності розгортають мережі відеонагляду з використанням ІР-камер. Для регулювання завантаженості транспортних маршрутів і якісного підвищення взаємодії учасників руху використовують інтелектуальні транспортні системи (ІТС), які аналізують завантаженість дорожньої мережі, моделюють маршрути і графіки пересування з використанням систем GPS моніторингу [7].

В основі підвищення якості навколишнього середовища також лежить

використання інформаційно-комунікаційних технологій. Так, зменшення рівня

викидів у «Розумному місті» досягається шляхом впровадження систем

автоматизації, які оптимізують використання енергії і води в комерційних та

громадських будівлях за рахунок використанням давачів і аналітики для ручного

(4)

(через мобільні додатки) або автоматичного усунення проблем. Така технологія включає в себе оптимізоване освітлення і кондиціонування, виявлення, ізоляція і відновлення несправностей, моніторинг і діагностика, автоматизація розподільчої мережі та ін. [8]. Такі підходи забезпечують економію енергоресурсів. Згодом ці поодинокі рішення об’єднують у системи, які стають складовими «Розумних міст».

Переваги використання розумних технологій є очевидними, проте генерування великих масивів даних системами «Розумного міста» викликає ряд труднощів. Зокрема, забезпечення ефективності роботи та адміністрування існуючих мережевих архітектур в умовах пересилання великих масивів даних.

Одним із шляхів вирішенням цих проблем в існуючих мережевих архітектурах є застосування програмно-конфігурованого підходу. Окрім цього актуальним стає питання застосування сервісу розподілу навантаження на канали передачі даних та сервери для забезпечення швидкої та гарантованої передачі даних.

Важливим є використання методів балансування навантаженням для підвищення доступності та надійності сервісів «Розумного міста». З огляду на це, для забезпечення стабільності функціонування інформаційно-комунікаційних систем

«Розумних міст» важливим є дослідження методів балансування навантаженням, зокрема у програмно-конфігурованих мережах.

Метою дипломної роботи магістра є дослідження ефективності методів балансування навантаженням в програмно-конфігурованих мережах SDN на основі протоколу OpenFlow для цілей «Розумного міста».

Завданнями роботи є:

 провести аналіз існуючих підходів та проблем до побудови інформаційно-технологічних платформ «Розумного міста»;

 на основі проведеного аналізу визначити технології впровадження концепції «Розумного міста»;

 проаналізувати принципи функціонування програмно-конфігурованих мереж на основі протоколу OpenFlow;

 визначити роль програмно-конфігурованих мереж у побудові «Розумних міст»;

 проаналізувати існуючі задачі сервісу балансування навантаженням;

 проаналізувати принцип роботи базової моделі балансування навантаженням у програмно-конфігурованих мережах;

 провести аналіз існуючих методів балансування навантаженням та на його основі розробити рекомендації щодо їх удосконалення;

 створити прототип програмно-конфігурованої мережі з підтримкою сервісу балансування навантаженням та програмну реалізацію вибраних методів балансування навантаженням;

 провести порівняльний аналіз ефективності методів балансування навантаженням.

Об’єктом дослідження є процеси балансування потоків трафіку у програмно-конфігурованих мережах.

Предметом дослідження є методи балансування навантаженням у

програмно-конфігурованих мережах як складова архітектури «Розумного міста».

(5)

Наукова новизна дипломної роботи полягає у розробці методу балансування навантаженням на основі отриманих з OpenFlow-комутатора статистик щодо поточного стану мережі.

Практичне значення дипломної роботи полягає у створенні прототипу мережі SDN і програмній реалізації методів балансування навантаженням. Для досліджуваних методів балансування навантаженням отримані експериментальні залежності середнього часу відклику на HTTP-запит, пропускної здатності запитів і відсотка втрат при виконанні запитів залежно від кількості користувачів, які паралельно надсилають запити.

Апробацію результатів дослідження було здійснено на:

 ІІ Міжнародній студентській науково-технічній конференції

«Природничі та гуманітарні науки. Актуальні питання» (25-26 квітня, 2019 м.

Тернопіль), опубліковано тези «Принцип роботи сервісу балансування навантаженням у програмно-конфігурованих мережах»; [9]

 VI науково-технічний конференції «Інформаційні моделі, системи та технології» (12-13 грудня 2018, м. Тернопіль), зокрема опубліковано тези

«Архітектура програмно-конфігурованих мереж»; [10]

 VІІ міжнародній науково-технічній конференції молодих учених та студентів «Актуальні задачі сучасних технологій» (28-29 листопада 2018, м.

Тернопіль), зокрема опубліковано тези «Застосування технології SDN для вирішення проблем впровадження концепції «Розумне місто»»; [11]

 The 1st International Workshop on Informatics & Data-Driven Medicine (28- 30 листопада 2018, м. Львів), за результатами опубліковано фахову статтю

«Telecommunication Infrastructures for Telemedicine in Smart Cities». (наукометрична база даних Scopus);[12]

 за результатами отриманими при виконанні дипломної роботи магістра опубліковано наукову статтю у Віснику Брестського державного технічного університету (фізика, математика, інформатика), зокрема опубліковано статтю

«Аппаратно-программный комплекс телемониторинга жизнедеятельности» [13].

Структура роботи. Робота складається з розрахунково-пояснювальної записки та презентації. Розрахунково-пояснювальна записка складається з вступу, 7 частин, висновків, переліку посилань та додатків. Обсяг роботи: розрахунково- пояснювальна записка –арк. 164 формату А4, графічна частина – презентація (14 слайдів).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розглянуто необхідність розгортання інформаційно-комунікаційних

систем «Розумного міста» для подолання проблем урбанізації. Обґрунтовано

актуальність використання методів балансування навантаженням для підвищення

доступності та надійності сервісів «Розумного міста». Акцентовано увагу на

застосуванні програмно-конфігурованого підходу для підвищення ефективності

роботи та адміністрування існуючих мережевих архітектур в умовах пересилання

великих масивів даних, які генеруються системами «Розумного міста».

(6)

У першому розділі проведено огляд відомих рішень інформаційно- комунікаційної взаємодії для реалізації концепції «Розумного міста».

Проаналізовано поняття терміну «Розумне місто» та визначено основні складові

«Розумного міста». Описано існуючі підходи до побудови архітектури «Розумних міст», зокрема розглянуто модульну, сервіс-орієнтовану, подійно-орієнтовано та комбіновану архітектури, а також архітектуру з використанням Інтернету речей.

Проаналізовано основні проблеми на шляху до впровадження концепції «Розумного міста».

У другому розділі дипломної роботи розглянуто роботу програмно- конфігурованої мережі (SDN) на основі протоколу OpenFlow. Проаналізовано питання застосування технології SDN для вирішення проблем впровадження концепції «Розумне місто». Описано ключові принципи програмно-конфігурованих мереж. Розглянуто архітектуру програмно-конфігурованих мереж (рівень передачі даних, рівень управління і прикладний рівень). Перелічено основні характеристики SDN-контролера, принцип його роботи і компоненти.

У третьому розділі дипломної роботи досліджено ефективність методів балансування навантаженням в програмно-конфігурованих мережах SDN на основі протоколу OpenFlow для цілей «Розумного міста». Проаналізовано задачу балансування навантаженням. Розглянуто принцип роботи сервісу балансування навантаженням у традиційних та програмно-конфігурованих мережах. Описано найбільш відомі методи балансування навантаженням, а також запропоновано метод балансування навантаженням на основі мережевих показників, таких як коефіцієнт використання пропускної здатності, коефіцієнт втрат пакетів, кількості надлишкових пакетів і час відклику. Розроблено прототип програмно- конфігурованої мережі та створено програмну реалізацію методів балансування навантаженням на SDN-контролері. На основі роботи прототипу отримано значення показників для оцінювання ефективності методів балансування навантаженням у програмно-конфігурованих мережах. Проведено аналіз отриманих результатів.

У розділі «Спеціальна частина» розглянуто принцип роботи комутатора OpenFlow. Проведено огляд протоколу OpenFlow як засобу комунікації між SDN- контролером та OpenFlow-комутатором. Приведено характеристику протоколу OF- Config як засобу конфігурації і управління OpenFlow-комутатором.

У розділі «Обґрунтування економічної ефективності» проведено розрахунок основних техніко-економічних показників щодо проведення дослідження ефективності методів балансування навантаженням в програмно-конфігурованих мережах SDN на основі протоколу OpenFlow для цілей «Розумного міста».

У розділі «Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях»

розглянуто питання електромагнітних випромінювань комп'ютера. Проаналізовано дію електромагнітного випромінювання на організм людини і наведено його нормування. Проведено огляд засобів захисту людини від електромагнітного випромінювання. Розглянуто питання електробезпеки користувача персонального комп’ютера.

У розділі «Екологія» проведено класифікацію показників екологічності

виробництва. Розглянуто питання радіоактивного забруднення довкілля та його

моніторингу.

(7)

У загальних висновках до дипломної роботи представлено результати виконання поставлених завдань дипломної роботи, а також короткий аналіз результатів дослідження ефективності методів балансування навантаженням у програмно-конфігурованих мережах.

У додатках до пояснювальної записки представлено діаграму послідовності взаємодії складових сервісу балансування навантаженням у програмно- конфігурованих мережах, діаграму послідовності взаємодії між компонентами програмно-конфігурованої мережі, лістинг коду для створення файлу з IP-адресами відправника для імітації підключення клієнтів, лістинг сценарію командної строки для присвоєння діапазону IP-адрес на інтерфейс хоста, а також публікації з теми дипломної роботи.

У графічній частині представлено модель програмно-конфігурованої мережі з підтримкою сервісу балансування навантаженням і результати дослідження ефективності методів балансування навантаженням у програмно-конфігурованих мережах.

ВИСНОВКИ У результаті виконання дипломної роботи було:

1. Проаналізовано існуючі підходи до побудови архітектури «Розумного міста». Встановлено, що архітектура «Розумного міста» може бути модульною, сервіс-орієнтованою, подійно-орієнтованою, комбінованою або такою, яка передбачає використання Інтернету речей.

2. Проаналізовано доцільність використання програмно-конфігурованих мереж для усунення проблем на шляху до впровадження концепції «Розумного міста».

3. Описано основні принципи, за якими функціонують програмно- конфігуровані мережі, а саме: відокремлення рівня пересилання даних і управління, логічна централізація управління, програмованість мережевих сервісів, відкритість інтерфейсів.

4. Розглянуто проблеми технічного та не технічного характеру, які виникають на шляху до впровадження концепції «Розумного міста». Обґрунтовано неефективність використання традиційних мереж для забезпечення оптимальної роботи технологій та інтелектуальних систем «Розумного міста».

5. Розглянуто архітектуру програмно-конфігурованих мереж, яка складається з рівнів передачі даних, управління і прикладного, а також описано функції цих рівнів. Проаналізовано основні характеристики SDN-контролера, принцип його роботи та компоненти.

6. Проаналізовано задачу сервісу балансування навантаженням та визначено його основні цілі. Розглянуто методи балансування навантаженням та встановлено, що їх можна віднести до динамічного або статичного типу. Описано принцип роботи сервісу балансування навантаженням у традиційних та програмно- конфігурованих мережах.

7. Створено прототип програмно-конфігурованої мережі та виконано

програмну реалізацію методів балансування навантаженням з використання

програмного емулятора Mininet та SDN-контролер Ryu.

(8)

8. Проведено оцінку ефективність роботи методів «Round Robin», «Least Response Time» та адаптивного за такими показниками, як cереднє значення часу відклику на HTTP-запит, пропускна здатність запитів і відсоток втрат при виконанні запитів.

На основі проведених досліджень зроблено висновок про те, що при високому навантаженні найефективнішим є адаптивний метод. Він забезпечує найменший час відклику, найвищу пропускну здатність та найменший відсоток втрат при кількості конкуруючих користувачів 250. При використанні методу «Least Response Time» для такого ж навантаження, час відклику є більшим на 669 мс, пропускна здатність нижчою на 2,95 з/с і відсоток втрат більшим на 1,75 %. Проте при відносно невисокому навантаженні (близько 60 конкуруючих користувачів) ефективність методів значно не відрізняється.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ РОБОТИ 1. Митник О. М. Принцип роботи сервісу балансування навантаженням у програмно-конфігурованих мережах / Олеся Миколаївна Митник // Матеріали ІІ Міжнародної студентської науково-технічної конференції «Природничі та

гуманітарні науки. Актуальні питання» (25-26 квітня, 2019) / Олеся Миколаївна Митник. – Тернопіль: Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, 2019. – С. 45.

2. Митник О. М. Архітектура програмно-конфігурованих мереж / Олеся Миколаївна Митник // Матеріали VI науково-технічної конференції «Інформаційні моделі, системи та технології» Тернопільського національного технічного

університету імені Івана Пулюя / Олеся Миколаївна Митник. – Тернопіль:

Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, 2018. – С.

80. 3. Митник О. М. Застосування технології SDN для вирішення проблем впровадження концепції «Розумне місто» / Олеся Миколаївна Митник // Матеріали VІІ Міжнародної науково-технічної конференції молодих учених та студентів.

Актуальні задачі сучасних технологій – Тернопіль 28-29 листопада 2018 / Олеся Миколаївна Митник. – Тернопіль: Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, 2018. – С. 126-127.

4. Telecommunication Infrastructures for Telemedicine in Smart Cities / [V.

Pasichnyk, O. Matsiuk, O. Mytnyk та ін.] // The 1st International Workshop on

Informatics & Data-Driven Medicine (IDDM 2018). Lviv, Ukraine, November 28-30 / [V.

Pasichnyk, O. Matsiuk, O. Mytnyk та ін.]., 2018. – С. 256–266.

5. Аппаратно-программный комплекс телемониторинга жизнедеятельности / [С. В. Марценко, О. В. Мацюк, О. М. Мытник та ін.] // Вестник Брестского

государственного технического университета: физика, математика, информатика / [С. В. Марценко, О. В. Мацюк, О. М. Мытник та ін.]. – Брест: БрГТУ, 2017. – С. 37–

40.

(9)

АНОТАЦІЯ

Дослідження ефективності методів балансування навантаженням в програмно-конфігурованих мережах SDN на основі протоколу OpenFlow для цілей

«Розумного міста» // Дипломна робота ОР «Магістр» // Митник Олеся Миколаївна //

Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, факультет комп’ютерно-інформаційних систем і програмної інженерії, кафедра комп’ютерних наук, група СНнм-61 // Тернопіль, 2019 // С. – 164, рис. – 37, табл. – 18, додат. – 32, бібліогр. – 115.

Ключові слова: «РОЗУМНЕ МІСТО», ПРОГРАМНО-КОНФІГУРОВАНІ МЕРЕЖІ, ПРОТОКОЛ OPENFLOW, БАЛАНСУВАННЯ НАВАНТАЖЕННЯМ.

ANNOTATION

Research on the effectiveness of the load-balancing methods in Software-Defined Networks based on the OpenFlow protocol for the purposes of Smart City // Master thesis // Mytnyk Olesya Mykolaivna // Ternopil Ivan Puluj National Technical University, faculty of Computer Information Systems and Software Engineering, department of Computer Science, group SNnm-61 // Ternopil, 2019 // P. 164, Fig. - 37, Tables - 18, Appendixes - 32, References - 115.

Keywords: SMART CITY, SOFTWARE-DEFINED NETWORKING,

OPENFLOW PROTOCOL, LOAD-BALANCING.