Tìm hiểu kỹ thuật định tuyến theo tên miền trong mạng CDN

Cụ thể là các nhà cung cấp dịch vụ nội dung triển khai nhiều server đại diện server thay thế ra trên toàn mạng internet sao cho người sử dụng có thể truy nhập dễ dàng đến một server đại

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

NGUYỄN XUÂN HÙNG

TÌM HIỂU KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN THEO TÊN MIỀN

TRONG MẠNG CDN Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60.52.70

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN QUÝ SỸ

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI – 2013

MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển bùng nổ của internet Thế giới mạng đã có hàng triệu máy chủ với hàng nghìn loại nội dung từ các dịch vụ cơ bản như các trang web tĩnh, web động, dịch vụ email, dịch vụ lưu trữ tới các dịch vụ gia tăng như đàm thoại trên internet, xem phim theo yêu cầu, các dịch vụ về ngân hàng Chính sự bùng nổ các nội dung trên mạng đồng thời với sự gia tăng cấp số nhân của người dùng và số lượng truy cập nên năng lực đáp ứng của mạng, chất lượng dịch vụ ngày càng đi xuống trong khi đòi hỏi của người dùng lại gia tăng mãnh liệt

Về phía các nhà cung cấp dịch vụ việc phải đáp ứng sự gia tăng nhu cầu thông tin và chất lượng dịch vụ trên một cơ sở hạ tầng phát triển không tương xứng đòi hỏi phải có các giải pháp kỹ thuật nhằm phân phối hiệu quả tài nguyên như định cỡ mạng, điều phối lưu lượng, cân bằng tải, quản lý chất lượng dịch vụ

CDN là một mạng thông minh, nó cung cấp một lớp thông minh ở trên cơ sở hạ tầng mạng IP, chuyển đổi mô hình web tập trung truyền thống thành mạng hướng nội dung và phân bố nội dung một cách có hiệu quả Cụ thể là các nhà cung cấp dịch vụ nội dung triển khai nhiều server đại diện (server thay thế) ra trên toàn mạng internet sao cho người sử dụng

có thể truy nhập dễ dàng đến một server đại diện gần nhất nhằm giảm đến mức tối đa thời gian truy nhập và tránh tăng lưu lượng mạng một cách đột ngột

Trong các mạng phân phối nội dung, định tuyến là công việc hết sức quan trọng nhằm định hướng yêu cầu của người sử dụng (client) tới các server đại diện gần nhất và khả dụng nhất thông qua bộ định tuyến yêu cầu Hiện nay có một số kỹ thuật định tuyến được áp dụng trong mạng phân phối nội dung như định tuyến yêu cầu dựa vào tên miền DNS, định tuyến yêu cầu theo lớp truyền tải, định tuyến yêu cầu lớp ứng dụng

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CDN

1.1 Động lực phát triển

Internet đã chứng minh trong quá trình triển khai và hoạt động là nó chỉ phù hợp cho việc phân phối, truy cập những trang Web tĩnh và thư điện tử đơn giản Tuy nhiên, Internet ngày nay và các kiến trúc Intranet kết hợp không có khả năng xử lý lượng truyền thống đa phương tiện và các dịch vụ nội dung đòi hỏi lưu lượng lớn mà các khách hàng trực tuyến tìm kiếm ở tốc độ mà họ mong muốn Các nút cổ chai mạng thường xuyên xảy ra giữa các nguồn tài nguyên nội dung và người sử dụng cuối Kể cả việc bổ sung các đường ống nhanh hơn, các server lớn hơn vẫn không giải quyết được vấn đề Kết quả là rất nhiều nhà cung cấp dịch vụ nội dung, các nhà kinh doanh điện tử thương mại, các tổ chức và các doanh nghiệp phải chịu đựng các server quá tải và truy nhập mạng với tốc độ chậm làm nản lòng khách hàng, nhân viên

Giải pháp mạng phân phối nội dung nhằm nâng cao năng lực của mạng Mục tiêu chính của CDN là để tránh các vùng tắc nghẽn trong mạng Nếu lưu lượng giữa người dùng

và máy chủ không đi qua phần mạng bị nghẽn thì có nhiều khả năng là tốc độ truyền dữ liệu

sẽ cao hơn

Hình 1.1: Mô hình mạng CDN

Trong mạng CDN có nhiều các server thay thế được đặt ở các vị trí khác nhau Các server thay thế thường có nội dung như nhau, tuy nhiên khách hàng chỉ có thể kết nối một

số server thay thế phù hợp theo chính sách của nhà cung cấp CDN

CDN là một mạng nội dung thông minh, nó cung cấp một lớp thông minh ở trên cơ sở hạ tầng mạng IP, chuyển đổi mô hình Web tập trung truyền thống thành mạng hướng nội dung

và phân bố nội dung một cách có hiệu quả Trong kỷ nguyên thông tin, một giải pháp mạng CDN cho phép các doanh nghiệp, các nhà cung cấp dịch vụ nội dung điều khiển nội dung của họ và quản lý nó Các mạng CDN cho phép các doanh nghiệp:

 Cải thiện chất lượng mạng và chất lượng dịch vụ thậm chí ngay cả khi lưu lượng tổng tăng lên

 Sử dụng truyền thông đa phương tiện tốc độ cao như video để tăng cường năng lực người dùng cuối mà không bị tắc nghẽn ở các mạng

 Đảm bảo cung cấp nội dung dữ liệu mới nhất cho người dùng cuối trong các môi trường phát triển nhanh

 Nâng cao năng lực của cơ sở hạ tầng sẵn có, điều khiển mạng tương lai, giảm chi phí băng thông

 Giảm phí tổn băng thông tổng mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ tới người dùng cuối

 Đo đạc các phân bố nội dung giúp căn chỉnh chi phí mang tốt hơn với các mục tiêu kinh doanh

 Phân phối các ứng dụng phân tán trên mạng sẵn có mà không phải chịu chi phí tiền vốn lớn

 Bắt kịp các dạng dữ liệu Internet hiện tại và tương lai

1.2 Môi trường ứng dụng của mạng phân phối nội dung

Có ba kiểu môi trường thường được quan tâm với CDN là môi trường mạng công ty, mạng nhà cung cấp dịch vụ (ISP) và mạng nhà cung cấp CDN Các mạng này dựa trên công nghệ IP và sự khác nhau cơ bản giữa chúng là phương thức quản lý của chúng

Các thành phần của mạng phân phối nội dung

Vì mục đích chính của mạng CDN là nâng cao khả năng đáp ứng và hoạt động của ứng dụng, các nút mạng CDN, bao gồm các nút thay thế và nút gốc, cần được thiết kế có tính mở rộng và mềm dẻo cao Như vậy thành phần đầu tiên của mạng CDN là thiết kế nút CDN có khả năng mở rộng Thành phần tiếp theo của CDN là kỹ thuật định tuyến yêu cầu của người sử dụng đến một nút thay thế

Nhằm đạt hiệu suất hoạt động tốt nhất, yêu cầu phải được chuyển tới nút thay thế gần nhất Để làm được điều này mỗi mạng CDN phải duy trì và cập nhật một bảng định tuyến gồm danh sách các nút mạng và danh sách các client cho từng nút mạng Nội dung của bảng

định tuyến phải được cập nhật sửa đổi cho phù hợp với mức độ tải hiện thời của mạng và của các nút mạng CDN Do vậy thành phần thứ ba của giải pháp CDN là việc đánh giá hoạt động mạng Ngoài ra còn có các thành phần khác như hệ thống tính cước, quản lý mạng phân phối nội dung sẽ được trình bày chi tiết các phần sau

1.3.1 Nút CDN

Mỗi mạng phân phối nội dung bao gồm một số các nút mạng CDN và mỗi nút mạng CDN lại bao gồm một hoặc nhiều thiết bị Các nút mạng CDN này bao gồm một nút gốc và một số nút thay thế Do mục tiêu cơ bản của CDN là hỗ trợ các ứng dụng truy cập bởi số lượng lớn khách hàng, nên mỗi nút CDN phải được thiết kế sao cho nó có độ tin cậy cao và khả năng mở rộng linh hoạt

1.3.2 Định tuyến yêu cầu của người sử dụng

Cấu trúc của hệ thống định tuyến yêu cầu được chỉ ra trong Hình 1.2 Hình 1.2 thể hiện khái niệm tổng quan về hệ thống định tuyến yêu cầu, nó bao gồm các thành phần: Trao đổi cấu hình nội dung CTE (Content Topology Exchang), cơ sở dữ liệu cấu hình nội dung CTD (Content Topology Database) và tính toán định tuyến (route computation)

Hình 1.2: Cấu trúc hệ thống định tuyến yêu cầu

Bước 1 Tính toán định tuyến: Tính toán để lựa chọn server sao lưu tốt nhất cho các client dựa trên các thông tin được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu cấu hình nội dung, thuật toán tính toán định tuyến và các cách được định sẵn

Bước 2 Cơ sở dữ liệu cấu hình nội dung: Dữ liệu cấu hình bao gồm thông tin thông báo chi tiết nhận được từ các CDN lân cận và các thông số liên quan

Bước 3 Trao đổi thông báo: Khối chức năng này chịu trách nhiệm về việc thực thi giao thức trao đổi thông tin định tuyến yêu cầu

Bước 4 Giao thức trao đổi thông tin định tuyến yêu cầu: Được sử dụng để trao đổi các thông báo nội dung và thông báo vùng nội dung

Ta đi xem xét về các kỹ thuật định tuyến yêu cầu sử dụng để định hướng yêu cầu của client tới các server sao lưu dựa trên một số phương pháp và một tập các tham số Thông thường, các kỹ thuật định tuyến yêu cầu có thể có các loại sau: định tuyến yêu cầu dựa vào

CSDL cấu hình

Tính toán

định tuyến

Trao đổi thông báo

Giao thức trao đổi thông tin định tuyến yêu cầu

vào hệ thống tên miền (DNS), định tuyến yêu cầu lớp truyền tải và định tuyến yêu cầu lớp ứng dụng Quá trình định hướng các yêu cầu của client tới các server sao lưu được gọi là định tuyến yêu cầu, định tuyến nội dung, hay đổi hướng nội dung

1.3.3 Sao lưu và nhớ đệm

Hai thành phần cơ sở hạ tầng nòng cốt được sử dụng trong mạng CDN là sao lưu và caching Trong rất nhiều trường hợp, cần có các bộ nhớ đệm và các dịch vụ sao lưu cùng tồn tại Client có thể thông tin với một hoặc nhiều bản sao server gốc, cũng như là với chính các server gốc đó (Trong trường hợp vắng mặt các server sao lưu thì client tương tác một cách trực tiếp với server gốc như trường hợp bình thường)

1.3.4 Hệ thống phân phối nội dung

Hệ thống phân phối bao gồm một tập các phần tử mạng thực hiện chung một quá trình phân phối nội dung của các nhà cung cấp nội dung từ server gốc tới một hoặc nhiều server sao lưu và phân phát nội dung từ các server sao lưu tới các client trong một mạng CDN Quá trình phân phối có thể xảy ra cả khi server sao lưu không nhận được yêu cầu từ các client, quá trình này được gọi là tìm nạp trước, hoặc có thể xảy ra khi server sao lưu nhận được yêu cầu của client mà không lưu giữ nội dung được yêu cầu đó, gọi là tìm nạp theo yêu cầu

Hình 1.3: Quá trình phân phối nội dung

Hình 1.4: Quá trình phân phát nội dung

Quá trình phân phối nội dung thực hiện di chuyển nội dung của các nhà cung cấp nội dung từ server gốc của nó tới một hoặc nhiều server sao lưu Hình 1.3 Cần chú ý rằng quá trình phân phối nội dung khác với phân phát nội dung Phân phát nội dung là quá trình chuyển nội dung của các nhà cung cấp nội dung tới các client như trong Hình 1.4

Hình 1.5: Phân phối nội dung trong một mạng CDN và giữa các mạng CDN ngang cấp

Hình 1.5 mô tả các bước phân phối nội dung trong một mạng CDN và phân phối giữa các mạng CDN ngang cấp Sau đây là các bước thực hiện phân phối:

Bước 1: Server gốc cho phép các CDN ngang cấp phân phối nội dung của nó và đặt nội dung vào hệ thống phân phối ngang cấp của một trong các CDN Tồn tại hai cách đặt nội dung:

Đẩy nội dung xuống trước: Nội dung sẽ được sử dụng trong các CDN được đẩy xuống một cách tích cực

Kéo nội dung theo yêu cầu: Nội dung được kéo theo yêu cầu từ OS khi có một bộ đệm bị lỗi tại server sao lưu tại cùng thời gian đối tượng được yêu cầu

Bước 4: Hệ thống phân phối ngang cấp di chuyển nội dung giữa các CDN ngang cấp Nó cung cấp thông tin về các vị trí nơi mà nội dung có mặt tới hệ thống định tuyến ngang cấp Hệ thống định tuyến ngang cấp thông báo thông tin này tới các mạng CDN ngang cấp

Bước 2, 5: Hệ thống phân phối ngang cấp truyền nội dung tới hệ thống phân phối

Bước 3, 6: Hệ thống phân phối sẽ phân phối nội dung giữa các server sao lưu trong cùng một mạng CDN

Có hai phương pháp để phân phối nội dung tới các server sao lưu đó là: Sử dụng mạng dành riêng hoặc sử dụng mạng internet công cộng

1.3.5 Hệ thống tính cước

Hệ thống tính cước đóng vai trò như thước đo và thực hiện ghi chép lại các thông tin

về phân phối nội dung cũng như các hoạt động vận chuyển nội dung Các thông tin này là nền tảng cho việc chuyển lợi nhuận, nội dung cũng như các quyền lợi qua lại giữa hai bên là nhà cung cấp dịch vụ mạng và nhà cung cấp nội dung và cũng được sử dụng để làm hóa đơn cho khách hàng Hệ thống tính cước chia ra làm nhiều hệ thống con phân phối trên toàn thế giới

1.3.6 Quản lý mạng phân phối nội dung

Một trong các vấn đề liên quan đến các mạng phân phối nội dung đó là có một số thiết bị được trải rộng trên một vùng diện rộng Mỗi thiết bị này lại được triển khai trong một mag CDN riêng, do đó chúng cần được quản lý Quản lý bao gồm quan tâm đến việc cài đặt, cấu hình, và cập nhật phần mềm của các thiết bị trong mạng CDN đó, cũng như là hợp nhất thông tin tính cước và thông tin thống kê khả dụng tại các vị trí được phân phối vào một thiết bị duy nhất Một khía cạnh khác của quản lý mạng CDN là đảm bảo rằng việc giao tiếp giữa các thiết bị trong một mạng CDN được bảo mật

1.3.7 Các vấn đề quản lý bảo mật trong các mạng CDN

Ba vấn đề bảo mật cần được xem xét trong thiết kế mạng CDN là:

1 Đảm bảo bảo mật của mỗi mạng CDN thành phần

2 Đảm bảo bảo mật giao tiếp giữa các mạng CDN thành phần

3 Đảm bảo bảo mật nội dung được lưu trữ hoặc sao lưu tại nút thay thế của mỗi mạng CDN thành phần

Bảo mật thông tin giữa các mạng CDN khác nhau có thể được đảm bảo theo một trong ba cách dưới đây:

1 Mạng riêng thứ cấp được biết đến như là mạng bảo mật có thể được thiết lập ở giữa các mạng CDN khác nhau và được sử dụng cho việc giao tiếp giữa các bên

2 Mạng riêng ảo (VPN) có thể được thiết lập giữa các bên CDN Mạng này có thể được thiết lập trên mạng chung sử dụng các công nghệ bảo mật như là IP-sec Tất cả các giao tiếp xảy ra giữa các mạng CDN trên mạng riêng ảo đều được mật mã và được bảo mật nhờ sử dụng các đường hầm IP-sec

3 Tất cả các giao tiếp giữa các mạng CDN có thể được mã hóa nhờ sử dụng một giao thức truyền tải bảo mật như là SSL Các kết nối được thiết lập giữa các mạng CDN đều được nhận thực Tất cả các chương trình giao tiếp giữa các mạng CDN phải sử dụng truyền tải bảo mật hoặc bảo mật dữ liệu bằng cách mã hóa lớp ứng dụng

1.4 Các nhà cung cấp CDN trên thế giới

1.5 Các mô hình kinh doanh CDN

1.5.1 Mô hình kinh doanh content-centric và access-centric truyền thống

1.5.2 Mô hình kinh doanh ghép cặp Hoster/CDN

1.5.3 Mô hình kinh doanh ngang cấp P2P

1.6 Các hoạt động chuẩn hoá liên quan đến CDN

1.6.1 Các hoạt động chuẩn hoá trong IETF

1.6.2 Các hoạt động chuẩn hoá ngoài IETF

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN THEO

TÊN MIỀN DỰA VÀO DNS TRONG MẠNG CDN

2.1 Giới thiệu

Kiến trúc chung của hệ thống CDN bao gồm server gốc và các server thay thế, một

hệ thống phân phối, hệ thống định tuyến yêu cầu, hệ thống tài khoản và các khách hàng

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống CDN

Hệ thống định tuyến yêu cầu sẽ chuyển tiếp yêu cầu của khách hàng tới server thay thế thích hợp có thể là server gần nhất hoặc có tải ít nhất Hệ thống phân phối sẽ sao chép nội dung từ server gốc tới các server thay thế Hệ thống tài khoản sẽ thu thập dữ liệu từ hệ thống định tuyến yêu cầu và hệ thống phân phối và lưu trữ từ việc đăng nhập và hoạt động của CDN

2.2 Các cách thức định tuyến yêu cầu trong CDN

2.2.1 Định tuyến bằng cách sử dụng bản ghi NS

DNS server có thể sử dụng các bản ghi NS để chuyển giao tiếp theo đến server định tuyến yêu cầu DNS khác.Quá trình này cho phép nhiều DNS server tham gia vào quá trình phân giải tên miền Chẳng hạn như khi phía client yêu cầu phân giải tên miền a.example.com, nó sẽ hỏi DNS của ISP, nếu như DNS của ISP không lưu thông tin về tên miền trên thì nó sẽ hỏi server DNS có quyền với example.com Server có quyền với tên miền này có thể là server NS định tuyến yêu cầu Khi đó DNS có quyền sẽ trả lại một tập các bản ghi A chứa thông tin về tên miền và IP tương ứng của chúng hoặc định hướng tới một DNS khác có quyền chuyển giao, phân giải đối với tên miền example.com

2.2.2 Định tuyến yêu cầu dựa vào NAT

Các tác giả của đề xuất kỹ thuật biên dịch địa chỉ mạng - NAT (Network Address Translation) dựa trên kỹ thuật định tuyến yêu cầu - TRIAD (Translating Relaying Internet Architecture integrating Active Directories) NAT được đưa vào để cho phép tái sử dụng địa chỉ IP Nó được dùng trong một hệ thống tự trị cho phép các doanh nghiệp tự cấp địa chỉ độc lập với các ISP Nó hỗ trợ các multi-homing và chuyển mạch ISP và ghép cặp số lượng các host với các số lượng địa chỉ được cấp bởi ISP Nhưng với NAT thì địa chỉ IP chỉ thực

sự có nghĩa với một dải địa chỉ nhất định Bộ định tuyến NAT yêu cầu có các proxy chuyên dụng lớp ứng dụng để thực hiện chức năng ứng dụng Internet một cách chính xác Nó cần điều chỉnh các đáp ứng DNS truyền qua bộ định tuyến NAT và cập nhật trường checksum của gói tin, hứa hẹn đảm bảo độ tin cậy và bảo mật xuyên suốt Tuy nhiên trong NAT, việc truyền thông giữa dải địa chỉ riêng biệt mà không cần đánh số lại là rất khó Kỹ thuật TRIAD rất thích hợp cho định tuyến yêu cầu CDN sử dụng NAT

2.2.3 Định tuyến yêu cầu lớp truyền tải

Định tuyến yêu cầu dựa trên lớp truyền tải được sử dụng để đạt được định tuyến yêu cầu mức cao hơn và tốt hơn sau khi mức đầu tiên được thực hiện, đó là mức định tuyến yêu cầu dựa trên DNS Nó sử dụng các thông tin như là địa chỉ IP của client và số cổng sẵn có trong gói tin đầu tiên từ client, trong quá trình định tuyến yêu cầu và chuyển phiên này tới server đại diện thích hợp hơn

2.2.4 Định tuyến yêu cầu dựa trên URL

Định tuyến yêu cầu dựa theo URL (URL based) sử dụng URL hoặc các tiền tố URL của nội dung yêu cầu để đưa ra quyết định định tuyến Định tuyến yêu cầu dựa theo URL có hai loại là sử dụng mã định hướng lại 302 và In-path Element (phần tử trong luồng)

Sử dụng mã định hướng lại 302: Mã 302 mang ý nghĩa là dịch chuyển tạm thời: Yêu cầu đối tượng được tạm thời chuyển sang vị trí mới và được đáp ứng tại đó Các yêu cầu trong tương lai của client nên vẫn là như cũ Theo phương pháp này, yêu cầu của client trước tiên được chuyển sang một Server đại diện “ảo” Sau đó server đại diện này sẽ gửi trả lại một mã ứng dụng cụ thể là 302 (đối với giao thức truyền tải là HTTP hoặc RTSP) để định hướng client tới nút phân phối thực

path Element: Kỹ thuật phần tử trong luồng (path Element), một phần tử path hiện diện trong mạng có các đường chuyển tiếp các yêu cầu của client Phần tử in-path