Xây dựng hệ các điều kiện giới hạn phục vụ phân bố lưu lượng dịch vụ IP Internet

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Dương Tuấn Anh

XÂY DỰNG HỆ CÁC ĐIỀU KIỆN

GIỚI HẠN PHỤC VỤ PHÂN BỐ

LƯU LƯỢNG DỊCH VỤ IP INTERNET

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

Mã số: 62.52.70.05

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

1. TS. Bùi Thiện Minh

2. PGS.TS. Hoàng Minh

HÀ NỘI – 2013

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Dương Tuấn Anh

XÂY DỰNG HỆ CÁC ĐIỀU KIỆN GIỚI HẠN

PHỤC VỤ PHÂN BỔ LƯU LƯỢNG DỊCH VỤ

IP INTERNET

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

Mã số: 62.52.70.05

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2013

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện. Các số liệu

và kết quả trình bày trong luận án là trung thực, chưa được công bố bởi bất kỳ

tác giả nào hay ở bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả

Dương Tuấn Anh

ii

LỜI CẢM ƠN

Luận án Tiến sĩ này được thực hiện tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn

thông dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Bùi Thiện Minh và PGS.TS Hoàng Minh.

Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy về định hướng khoa học,

liên tục quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thành

cuốn luận án này. Nghiên cứu sinh xin được chân thành cảm ơn các nhà khoa học, tác

giả các công trình công bố đã trích dẫn trong luận án vì đã cung cấp nguồn tư liệu quý

báu, những kiến thức liên quan trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án.

Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Học viện Công nghệ Bưu chính

Viễn thông, Hội đồng Khoa học, Hội đồng Tiến sĩ của Học viện vì đã tạo điều kiện để

nghiên cứu sinh được thực hiện và hoàn thành chương trình nghiên cứu của mình.

Nghiên cứu sinh xin được chân thành cảm ơn GS.TSKH Nguyễn Ngọc San, GS.TS

Nguyễn Bình vì những chỉ dẫn về học thuật hóa, kết nối giữa lý luận với kết quả thực

nghiệm thời gian thực. Xin chân thành cám ơn Khoa Quốc tế và Đào tạo sau đại học

và các nhà khoa học thuộc Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông cũng như các

nghiên cứu sinh khác về sự hỗ trợ trên phương diện hành chính, hợp tác có hiệu quả

trong suốt quá trình nghiên cứu khoa học của mình.

Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn tới VNPT Thừa Thiên Huế và các bạn đồng

nghiệp, bạn bè thân hữu, nhất là nhóm cộng tác nghiên cứu vì đã tạo nhiều điều kiện

thuận lợi, hỗ trợ thực hiện việc quan trắc thu thập dữ liệu, triển khai các đề tài nghiên

cứu tại hiện trường.

Cuối cùng là sự biết ơn tới Ba Mẹ, gia đình và những người bạn thân thiết vì đã

liên tục động viên để duy trì nghị lực, sự cảm thông, chia sẻ về thời gian, sức khỏe và

các khía cạnh của cuộc sống trong cả quá trình để hoàn thành luận án.

Hà Nội, tháng 06 năm 2013

Tác giả

Dương Tuấn Anh

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC HÌNH VẼ ix

LỜI NÓI ĐẦU xii

Chương 1

TỔNG QUÁT VỀ ĐẶC TÍNH HÓA LƯU LƯỢNG IP

1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1

1.2. LƯU LƯỢNG VÀ CÁC ĐẶC TÍNH PHÂN LOẠI 2

1.3. VỀ CÁC PHẦN MỀM MÃ NGUỒN MỞ SỬ DỤNG 14

1.3.1. Lựa chọn các phần mềm vào đặc tính hóa lưu lượng 14

1.3.2. Phần mềm NTOP 14

1.3.3. Phần mềm mã nguồn mở Observium 18

1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 24

Chương 2

ĐẶC TÍNH THỐNG KÊ VÀ

ĐIỀU KIỆN GIỚI HẠN PHÂN BỐ LƯU LƯỢNG IP INTERNET

2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 27

2.2. ĐẶC TÍNH LƯU LƯỢNG CỦA NHỮNG MÔ HÌNH KHÁC NHAU 28

2.2.1. Tương tác đa phương tiện và lưu lượng thời gian thực 28

2.2.2. Đối với lưu lượng Web và Client-Server 34

2.2.3. Đối với di động trong môi trường mạng không dây 38

2.3. ĐIỀU KIỆN GIỚI HẠN SỬ DỤNG MÔ HÌNH, PHƯƠNG PHÁP 41

2.3.1. Những đồ thị biểu đồ thông lượng khác nhau 41

2.3.2. Định hình và phân chia giới hạn tắc nghẽn 42

2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 44

Chương 3

CÁC ĐIỀU KIỆN GIỚI HẠN VỀ PHÂN BỔ LUỒNG

LƯU LƯỢNG IP INTERNET

THEO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ (QoS) TƯƠNG THÍCH

3.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 45

3.2. VỀ TƯƠNG THÍCH QoS TRONG MÔI TRƯỜNG INTERNET 46

iv

3.3. ĐIỀU KIỆN ĐỂ TƯƠNG THÍCH QoS ĐỐI VỚI MIDDLEWARE 49

3.3.1. Kiến trúc middleware đảm bảo QoS 49

3.3.2. Các cơ chế điều kiện tương thích trong hệ thống QoS middleware 50

3.3.3. Áp dụng mô hình điều khiển truyền thống 54

3.3.4. Các điều kiện về mô hình điều khiển tác vụ 58

3.3.5. Ứng dụng mô hình điều khiển tác vụ trong kiến trúc middleware 59

3.4. GIỚI HẠN PHÂN BỐ LƯU LƯỢNG ƯU TIÊN TRONG MẠNG HÀNG ĐỢI 62

3.4.1. Mô hình hóa cơ chế ưu tiên lưu lượng trong mạng hàng đợi 62

3.4.2. Giải quyết bài toán ưu tiên lưu lượng trong mạng hàng đợi 66

3.4.3. Bàn luận về những điều kiện giới hạn liên quan đến xử lý mạng hàng đợi 77

3.5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 78

3.5.1. Thiết lập hệ thống điều khiển 78

3.5.2. Thiết lập tham số cấu hình 80

3.5.3. Phân tích đặc điểm của hệ thống theo mô hình lý thuyết 81

3.5.4. Kết quả mô phỏng tại Viễn thông Thừa Thiên Huế 82

3.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 86

Chương 4

NGHIÊN CỨU VỀ CÁC GIỚI HẠN TRONG CHỐNG TẤN CÔNG

TỪ CHỐI DỊCH VỤ (DoS) VÀ SÂU INTERNET

4.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 88

4.2. MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐÊN TẤN CÔNG MẠNG 89

4.2.1. Giới thiệu về tấn công mạng 89

4.2.2. Cơ sở và các vấn đề liên quan đến DoS 90

4.2.3. Sâu Internet: Cơ sở và các vấn đề liên quan 94

4.3. CHỐNG TẤN CÔNG TỪ CHỐI DỊCH VỤ (DoS) VÀ CÁC GIỚI HẠN 99

4.3.1. Giới thiệu 99

4.3.2. Hệ thống phòng thủ DoS dựa trên mạng Proxy 100

4.3.3. Nhận xét về các điều kiện giới hạn 112

4.4. NGĂN CHẶN SÂU INTERNET VÀ CÁC ĐIỀU KIỆN 113

4.4.1. Mô hình lây truyền và phát hiện tín hiệu virus/sâu 113

4.4.2. Phòng chống, ngăn chặn sâu Internet và các điều kiện 115

4.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 118

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP 120

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA NGHIÊN CỨU SINH 122

TÀI LIỆU THAM KHẢO 123

v

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Thuật ngữ Tiếng Anh Thuật ngữ Tiếng Việt

AAF

Application Adaptation

Function Chức năng tương thích ứng dụng

ADSL

Asymetric Digital Subcriber

Line

Đường dây thuê bao số không đối

xứng

ATM Asynchronous transfer mode Chế độ truyền không đồng bộ

BGP Border gateway protocol Giao thức định tuyến đường biên

CATV Cable Television Truyền hình cáp

CE Customer Edge Phía khách hàng

CIR Commintted Information Rate Tốc độ truyền thông cam kết

CoS Class of Service Lớp dịch vụ

CPU Centrer processing unit Đơn vị xử lý trung tâm

DA Directory Agent Tác tử thư viện

DNS Domain Name System Hệ thống tên miền

EGP Exterior Gateway Protocol Giao thức định tuyến miền ngoài

FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền File

GoS Grade of Service Mức bỏ rơi không phục vụ

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tin tổng hợp

GSM Global System for Mobile

Communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu

HDLC High level Data Link Control Giao thức điều khiển đường dữ liệu

mức cao

HDTV High Definition Television Truyền hình độ phân giải cao

HTTP Hyper Text Transfer Protocol Giao thức chuyển giao siêu văn bản

ICMP

Internet control message

protocol

Giao thức bản tin điều khiển

Internet

IP Interner Protocol Giao thức internet

IPTV Internet Protocol Television Truyền hình Internet

vi

ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet

ITU-T

International

Telecommunication Union

sector T

Hiệp hội tiêu chuẩn viễn thông quốc

tế

LAN Local area network Mạng cục bộ

MPLS MultiProtocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức

OSI

Open System Interconnection

Reference Model

Mô hình tham chiếu kết nối hệ

thống mở

PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã

PID Proportional Integral Derivative Phát sinh tích hợp tỷ lệ

PIR Peak Information Rate Tốc độ truyền thông tối đa

PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm điểm

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QoSME

Quality of Service Management

Environment Môi trường quản lý QoS

Q-RAM

QoS-based Resource Allocation

Model

Mô hình phân bổ tài nguyên trên

QoS

QuAL Quality Assurance Language Ngôn ngữ đảm bảo chất lượng

RB Resource Broker Tương thích tài nguyên

RSVP Resource ReSerVation Protocol Giao thức dữ trữ tài nguyên

RTCP Realtime Transport Control

Protocol

Giao thức truyền tải điều khiển thời

gian thực

RTFM Realtime Flow Measurement Đo lưu lượng tải thời gian thực

RTP Realtime Transport Protocol Giao thức truyền tải thời gian thực

SA Service Agent Tác tử dịch vụ

SAP Service Access Point Điểm truy cập dịch vụ

SCV State compatibility value Giá trị trạng thái tương thích

SDTV Standard Definition Television Truyền hình độ phân giải tiêu chuẩn

TCP Transmission control protocol Giao thức điều khiển truyền thông

TTL Time to live Thời gian sống

UA User Agent Tác tử người sử dụng

vii

UDP User datagram protocol Giao thức gói dữ liệu người dùng

UMTS

Universal Mobile

Telecommunications System

Hệ thống viễn thông di động toàn

cầu

VoIP Voice over IP Thoại trên IP

VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo

WAN Wide area network Mạng diện rộng

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1. Các thuộc tính chung của các luồng 6

Bảng 1-2. Các thuộc tính trên mỗi hướng của luồng 7

Bảng 2-1. Yêu cầu băng thông điển hình đối với các định dạng Audio khác nhau 29

Bảng 2-2. Yêu cầu về băng thông đối với những định dạng Video khác nhau 29

Bảng 2-3. Bảng so sánh các yêu cầu QoS giữa các loại lưu lượng 34

Bảng 2-4. Giải thích các cụm của ISP1 và ISP2 37

Bảng 3-1. Các tham số của hệ thống điều khiển tương thích 79

Bảng 3-2. Các tham số cấu hình  và  của bộ điều khiển tương thích 81

Bảng 3-3. Đánh giá điều kiện ổn định của hệ thống điều khiển 81

Bảng 4-1. Các tham số của mô hình ngẫu nhiên 103

ix

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1. Biễu diễn các phân lớp của môi trường mạng Internet 9

Hình 1-2. Phân tích các luồng lưu lượng ở phía đầu cuối 10

Hình 1-3. Phân tích các luồng lưu lượng của một môi trường mạng 10

Hình 1-4. Mô tả một quá trình điều khiển sự kiện, thời gian truyền đến lẫn nhau

giữa các sự kiện trong khoảng một chu kì thời gian nhất định 12

Hình 1-5. Mô hình sử dụng ứng dụng Ntop 16

Hình 1-6. Mô hình triển khai ứng dụng Ntop 16

Hình 1-7. Tải lưu lượng của mạng 17

Hình 1-8. Lưu lượng giao thức HTTP 17

Hình 1-9. Lưu lượng phân bố theo cổng đích dịch vụ 18

Hình 1-10. Thống kê sử dụng các loại ứng dụng Internet 18

Hình 1-11. Mô hình sử dụng ứng dụng Observium 20

Hình 1-12. Cấu trúc các khối chức năng của ứng dụng Observium 20

Hình 1-13. Danh sách các thiết bị mạng 23

Hình 1-14. Giám sát nhiệt độ, điện áp 23

Hình 1-15. Lưu lượng thực các cổng của thiết bị 24

Hình 1-16. Lịch sử lưu lượng qua 1 cổng 10Gbps của thiết bị Router Core tại

Viễn thông Thừa Thiên Huế 24

Hình 2-1. Mức độ sử dụng các ứng dụng liên quan 36

Hình 2-2. Trung bình khoảng thời gian hoạt động 36

Hình 2-3. Biểu đồ thông lượng từ các phép đo đối với ứng dụng truyền hình

hội nghị 42

Hình 3-1. Hệ thống điều khiển truyền thống 47

Hình 3-2. Kiến trúc middleware tương thích QoS theo ứng dụng 49

Hình 3-3. Các thành phần mạng tham gia quá trình thiết lập QoS 52

Hình 3-4. Mô hình luồng tác vụ 55

Hình 3-5. Mô hình điều khiển tác vụ 56

Hình 3-6. Mô hình rời rạc cho tác vụ ứng dụng 57

x

Hình 3-7. Mô hình điều khiển tác vụ trong kiến trúc Middleware 60

Hình 3-8. Mô hình điều khiển tương thích QoS trong kiến trúc Middleware 60

Hình 3-9. Mô hình bài toán quản lý lưu lượng hàng đợi 62

Hình 3-10. Mô hình hàng đợi có ưu tiên tuyệt đối 65

Hình 3-11. Mô hình mạng hàng đợi hở không hồi tiếp 68

Hình 3-12. Giản đồ chuyển trạng thái không thuận nghịch theo hình 3-9 69

Hình 3-13. Giản đồ chuyển trạng thái thuận nghịch của mô hình theo hình 3-12 69

Hình 3-14. Mô hình mạng hàng đợi có hồi tiếp 70

Hình 3-15. Giản đồ chuyển trạng thái thuận nghịch của mô hình ở hình 3-14 70

Hình 3-16. Thuật toán chập xác định G(n,k) 71

Hình 3-17. Mô hình M/M/1-PS đối với lưu lượng hai chiều 73

Hình 3-18. Chuyển trạng thái của mô hình M/M/1-PS với lưu lượng hai chiều 74

Hình 3-19. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển tương thích QoS 79

Hình 3-20. Kết quả quan sát trường hợp 1 82

Hình 3-21. Kết quả quan sát trường hợp 2 83

Hình 3-22. Kết quả quan sát trường hợp 3 84

Hình 3-23. Kết quả quan sát trường hợp 4 85

Hình 3-24. Kết quả quan sát trường hợp 5 86

Hình 4-1. Mạng Zombie DDoS điển hình 92

Hình 4-2. Cấu hình thí nghiệm 100

Hình 4-3. Framework chung cho các mạng 101

Hình 4-4. Chuyển tiếp trạng thái máy chủ 104

Hình 4-5. Chuyển tiếp trạng thái Proxy 105

Hình 4-6. Quá trình hoạt động của mạng Proxy 106

Hình 4-7. Ảnh hưởng của các cuộc tấn công DoS lên hiệu suất ứng dụng 108

Hình 4-8. Hiệu suất ứng dụng dưới những cuộc tấn công DoS dàn trải 109

Hình 4.9. Hiệu suất ứng dụng trước các cuộc tấn công tập trung, lựa chọn Proxy

biên tĩnh 110

Hình 4-10. Hiệu suất ứng dụng trước các cuộc tấn công tập trung, lựa chọn

Proxy biên động 111

Hình 4-11. Phân tích việc lựa chọn Proxy biên động 111

xi

Hình 4-12. Tính đàn hồi và kích thước của mạng Proxy 112

Hình 4-13. Quá trình lây nhiễm của sâu 117

Hình 4-14. Hiệu ứng ngưỡng toàn cục 117

Hình 4-15. Lợi ích của việc phòng thủ hợp tác 118

xii

LỜI NÓI ĐẦU

A. MỤC TIÊU ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Việt Nam bắt đầu triển khai Internet muộn hơn so với nhiều nước trong vùng và

thế giới, với vai trò chủ đạo của Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT).

Đến nay Việt Nam có thể tự hào về tốc độ phát triển số lượng người sử dụng Internet

(thứ 3 ở khu vực Đông Nam Á, thứ 8 trong phạm vi châu Á và thứ 18 trên toàn cầu),

đã kết nối 63 tỉnh thành trong nước và kết nối quốc tế, với tổng lưu lượng băng thông

tới 200 GBps và đang được tiếp tục phát triển, mở rộng. Tuy nhiên, sự phát triển vượt

bậc về “nội dung số” trong “thế giới phẳng” tạo ra nhiều thách thức lớn trên phạm vi

toàn cầu, kể cả VNPT, về chất lượng dịch vụ và về “an ninh mạng” trước sự hiện diện

của các luồng lưu lượng IP Internet, dẫn đến nhu cầu về các giải pháp thích hợp để xử

lý và phân bổ lưu lượng IP Internet.

Phân bổ lưu lượng Internet là vấn đề ngày càng trở nên cấp thiết đối với các nhà

cung cấp dịch vụ mạng do sự phát triển không ngừng của các lớp ứng dụng mới hội

tụ trên nền IP dẫn đến lưu lượng của các dịch vụ viễn thông luôn thay đổi, tăng lên có

tính đột biến trong khi sự phát triển hạ tầng nhằm mở rộng băng thông bị hạn chế bởi

nhiều lý do khác nhau [2], [10], [19]. Đó là chưa kể đến các đối tượng với lưu lượng

thuộc nhóm “phi truyền thống” xâm nhập trên nền IP vì mục tiêu chuyên dụng hoặc

đặc thù về “an ninh mạng”, “an toàn thông tin” hoặc về các hình thái “tấn công” khác

nhau. Việc giám sát, định danh “tín hiệu” ở dạng toán học cùng các tham số kèm theo

có tính “đặc thù” đối với lưu lượng của các lớp “dịch vụ truyền thống” và phân bố tài

nguyên đối với mạng diện rộng có lưu lượng lớn là rất khó vì các phương tiện quản lý

không thể đồng bộ theo nghĩa thời gian thực về bổ sung, cập nhật phương tiện đối với

cơ chế quản lý phân tán trong điều kiện tích hợp các phương thức truyền thông và đa

tích hợp các loại hình dịch vụ khác nhau, v.v… [1], [36], [81]. Liên quan đến nhiệm

vụ giám sát và quản trị luồng lưu lượng đối với mạng đã nêu, nhiều giải pháp khoa

xiii

học, công nghệ khác nhau phục vụ việc phân tích tín hiệu, phân tích đánh giá cơ chế

chuyển đổi, chấp hành và phân bổ tài nguyên mạng diện rộng đã được các nhà khoa

học trong và ngoài nước đề xuất [55], [84], [104]. Tuy nhiên, giải pháp chung nhất là

sử dụng phương pháp tối ưu (trên cơ sở tiêu chí phù hợp), kết hợp với các điều kiện

ràng buộc (thể hiện tính đặc thù khác nhau) để xử lý tối ưu bài toán giải phóng hàng

đợi nhằm đảm bảo tính hiệu dụng của nguồn vốn đầu tư, khai thác tối đa tiềm năng hạ

tầng cơ sở mạng sẵn có hoặc đảm bảo chất lượng dịch vụ trong điều kiện hạn chế

băng thông, v.v… [2], [11], [14].

Nhưng thực tế, đối với nhà cung cấp dịch vụ mạng, vấn đề xử lý tắc nghẽn đôi

khi đòi hỏi bài toán định tuyến, phân bố tài nguyên mạng phải loại bỏ ngay cả một số

luồng lưu lượng có ít đóng góp vào việc xác lập mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra

(về kinh tế hoặc về chất lượng dịch vụ) của hệ thống mạng, dẫn đến nhu cầu xác định

mức ưu tiên của các luồng lưu lượng và khả năng cho phép của hệ thống mạng [1],

[49], [68]. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về các điều kiện giới hạn phục vụ việc

phân bổ lưu lượng Internet, đề xuất giải pháp hỗ trợ, giải quyết tắc nghẽn đường

truyền, đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng đa phương tiện phân bố trong

môi trường hỗn tạp đối với các nhà khai thác, quản trị mạng [8], [14], [21] và nhiều

công trình nghiên cứu về lĩnh vực hỗ trợ chất lượng cho hệ thống đa phương tiện

phân bố trong môi trường hỗn hợp [30], [44], [63]. Trong đó, phải kể đến phương

pháp đặc tính hóa lưu lượng đối với các luồng tín hiệu IP Internet trong quá trình

“trong suốt hóa” tích hợp lớp truyền tải, điều khiển và phân bổ dịch vụ [55], [84],

[104]. Đặc tính hóa luồng lưu lượng IP được hiểu theo nghĩa của một quy trình áp

dụng công cụ phân tích các sự kiện ngẫu nhiên để biểu diễn luồng IP theo những

không gian thuộc miền (thực hoặc phức) với hệ tọa độ khác nhau nhằm vào khả năng

phát hiện ra các lưu lượng thuộc nhóm “phi truyền thống”, đồng thời xác định những

tham số đặc trưng cho mỗi loại hình dịch vụ IP thông dụng, truyền thống và quy trình