УДК 004.725.5
DOI: 10.17586/0021-3454-2018-61-12-1092-1099
ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ ВИРТУАЛЬНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ ПРИ ПОСТРОЕНИИ ЛАБОРАТОРНОГО КОМПЛЕКСА В УЧЕБНОМ ЗАВЕДЕНИИ
А. Ю. Филимонов, Д. А. Медведев, А. С. Климова, А. А. Муравьев
Уральский федеральный университет, 620002, Екатеринбург, Россия E-mail: [email protected]
Построение и поддержка лабораторных комплексов в образовательном учреждении является сложной задачей, решение которой требует значительных ресурсов. Технологии виртуализации компонентов сетевой инфраструктуры позволяют более полно использовать имеющееся оборудование лабораторного комплекса, интенсифицировать процесс обучения и прививать учащимся практические навыки построения современных систем передачи данных. Предложен подход к модернизации лабораторного комплекса учебного заведения путем распределения вычислительных ресурсов маршрутизаторов и сервера реальной несущей сети между виртуальными маршрутизаторами и виртуальными рабочими станциями, а коммуникационных ресурсов физических каналов — между соответствующими виртуальными каналами. Для имитации рабочих станций в лабораторном комплексе используется типовое решение виртуализации рабочих станций (Virtual Desktop Infrastructure, VDI).
Ключевые слова: лабораторный комплекс, технологии виртуализации, виртуальное разделение сетевой инфраструктуры, виртуальные маршрутизаторы, виртуальные рабочие станции
Введение. Изучение сетевых технологий предполагает активное взаимодействие слушателя с коммуникационным оборудованием. Формирование и закрепление у студентов навыков управления сетевыми устройствами обеспечивают лабораторные занятия. Построение и поддержка лабораторных комплексов в образовательном учреждении является сложной задачей, решение которой требует значительных ресурсов. Например, для выполнения одной лабораторной работы по любой из тем раздела „Маршрутизация" нужен комплект из трех маршрутизаторов для каждой из лабораторных бригад, что при стандартном размере группы 15—20 студентов требует применения 15—18 устройств данного типа на занятии. Приобретение, размещение, электропитание и поддержка функционирования такого количества современных телекоммуникационных устройств под силу далеко не каждому образовательному заведению. Именно по этой причине в сфере образования возрастает интерес к разнообразным технологиям сетевой виртуализации, которые обеспечивают формирование и закрепление у студентов навыков управления сетевыми устройствами [1].
Последние 5—8 лет активно развиваются разнообразные программные приложения — платформы сетевой эмуляции, которые позволяют создавать достаточно сложные сетевые топологии с использованием моделей телекоммуникационных устройств (маршрутизаторы, коммутаторы, межсетевые экраны, и т. д.) и имитировать их функционирование в реальном масштабе времени [2]. Дополнительная привлекательность таких платформ эмуляции, как Cisco Packet Tracer [3], Graphical Network Simulator (GNS3) [4], UNetLab/EVE-NGB [5], состоит в том, что имитируемые сетевые устройства управляются тем же интерфейсом командной строки (Command Line Interface, CLI), что и их реальные аналоги. В системах GNS3 и EVE-NGB такая возможность обеспечивается путем применения дополнительных уровней виртуализации с использованием вспомогательных подсистем эмуляции, таких как Dynamips [6] или
QEMU [7]. В этом случае подсистема эмуляции выполняет функции программного гиперви-зора, предназначенного для размещения виртуальных сетевых компонентов, например маршрутизаторов или коммутаторов Cisco Systems, и обеспечивает возможность загрузки на них адаптированных версий тех операционных систем (в данном случае — Cisco IOS), которые выполняются на их реальных прототипах. Аутентичность эмуляции определяется близостью адаптированных версий операционных систем к реальным (следует отметить, что по мере развития подсистем эмуляции эти различия становятся все менее заметными).
Очевидным достоинством такого подхода к комплектованию лабораторного комплекса, по сравнению с чисто аппаратным, является меньшее количество используемых материальных ресурсов [8]. Однако программный подход даже с использованием свободно распространяемых программ моделирования сетевых компонентов (вследствие применения многослойной эмуляции) существенно ужесточает требования к характеристикам и комплектации рабочих станций учебного класса. Кроме того, поскольку операционные системы современных телекоммуникационных устройств обычно защищены авторскими правами производителей, использование в официальном учебном процессе даже адаптированных версий этих систем не всегда возможно.
Представленный в настоящей статье подход предлагает сбалансированное применение виртуальных и реальных компонентов при построении лабораторного стенда, что позволяет повысить эффективность использования имеющегося оборудования, интенсифицировать процесс обучения.
Виртуализация сетевой инфраструктуры. Базовым принципом виртуализации является разделение физического ресурса между независимыми виртуальными объектами. В системах телекоммуникаций этот принцип применяется при формировании виртуальных оверлейных сетей (overlay network) [9] для создания виртуальных сетевых слоев (network slices) [10] поверх реальной (несущей) сетевой инфраструктуры. По классификации Network Functions Virtualisation (NFV) ETSI Industry Specification Group (ISG) подобный подход называется „виртуальное расслоение сетевой инфраструктуры" (Virtual Partitioning) [11]. Этот подход может быть использован для модернизации лабораторного комплекса учебного заведения путем распределения вычислительных ресурсов маршрутизаторов и сервера реальной несущей сети (underlay network) между виртуальными маршрутизаторами и виртуальными рабочими станциями (РС), а коммуникационных ресурсов физических каналов — между соответствующими виртуальными каналами (рис. 1).
RB
Srv
vM2[i]
топология
Рис. 1
Для организации последовательных соединений между маршрутизаторами лабораторного комплекса используются дробные (fractional) цифровые потоки, сформированные в интерфейсе E1, параметры которых определены в рекомендации ITU-T G.704 [12]. Распределяемым ресурсом в данном случае является пропускная способность (информационная скорость) канала, ресурсы выделяются по схеме временного разделения (Time Division Multiplexing, TDM). Это позволяет создать в одном физическом канале до 30 виртуальных каналов (интерфейсов), которые могут быть использованы для выполнения лабораторных работ по теме „Маршрутизация". Поскольку эти каналы имеют фиксированную пропускную способность, они могут быть также использованы при выполнении работ по управлению и мониторингу качества обслуживания (Service Level Agreement, SLA; Quality of Service, QoS).
Для организации виртуальных IEEE 802.3 (Ethernet) соединений в лабораторном комплексе традиционно [1, 8] используется технология Virtual Local Area Network (VLAN). В этом случае распределяемым ресурсом является коммутация кадров Ethernet по MAC адресам, которая в данном случае выполняется коммутатором только в пределах виртуальной сети, а кадры, которые передаются через общие для нескольких VLAN магистральные каналы, снабжаются специальной меткой [13].
Для организации виртуальных IP (Internet Protocol) соединений в лабораторном комплексе целесообразно применить технологию Virtual Routing and Forwarding (VRF), которая поддерживается ведущими производителями коммуникационного оборудования [14, 15]. Разделение выполняется на сетевом уровне информационного взаимодействия, а распределяемым ресурсом является маршрутизация пакетов IP, которая выполняется только в пределах виртуальной инстанции VRF [15].
Для имитации рабочих станций в лабораторном комплексе используется типовое решение виртуализации рабочих станций (Virtual Desktop Infrastructure, VDI). В этом случае между виртуальными рабочими станциями разделяются ресурсы систем обработки и хранения данных сервера виртуализации. Современные гипервизоры позволяют даже на серверах с очень „скромными" характеристиками создавать достаточное для проведения лабораторных работ количество виртуальных РС и обеспечивают возможность их подключения к инфраструктуре лабораторного комплекса через виртуальные коммутаторы [16]. Применение комплекса описанных выше технологий позволит создавать многослойные сетевые инфраструктуры из виртуальных компонентов.
Построение и эксплуатация лабораторного комплекса. Для построения лабораторного комплекса были использованы маршрутизаторы RA, RB и RC, коммутатор SW и сервер Srv, основные характеристики которых приведены в табл. 1. На Srv были созданы виртуальные РС, которые имитировали абонентские подключения, на RA, RB и RC — организованы виртуальные инстанции VRF, которые имитировали маршрутизаторы, коммутатор SW использовался для управления виртуальной инфраструктурой комплекса при выполнении лабораторных работ.
Таблица 1
Компонент Модель Тип ОС Версия ОС RAM
RA Cisco 7206VXR C7200ADVIPSERVICESK9-M 15.1(4)M2 256MB
RB Cisco 2811 C2800NM-ADVENTERPRISEK9-IVS-LI-M 15.1(4)M7 256MB
RC Cisco 2801 C2801-AD VIPSERVICESK9-M 15.1(2)T2 384MB
SW WS-C2960-24TC-L C2960-LANBASE-MZ. 122-25 12.2 32MB
Srv HP Proliant DL160 G6 VMware ESXi 5.5.0 5.5.0 8192MB
Для организации последовательных соединений в маршрутизаторы были установлены интерфейсные модули, основные характеристики которых приведены в табл. 2. Для подключения ITU-T G.704 FE1 использовались кабели UTP cat 5e. с соединителями RJ-48C, изготовленные по схеме cross-over E1-G.703/G.704 в соответствии с требованиями Cisco Systems [17].
В качестве операционной системы для пользовательских виртуальных машин была выбрана Debian v.4.9.82-1, распространяемая по лицензии GNU GPLv3.
_Таблица 2
Компонент Модель Наименование Число модулей Число портов Число виртуальных потоков / порт
RA Cisco 7206VXR PA-MCX-8TE1 1 8 30
RB Cisco 2811 NM-2CE1T1-PRI 1 2 30
RC Cisco 2801 VWIC-2MFT-E1 -DI 2 2 2
Схема лабораторного комплекса представлена на рис. 2.
Рис. 2
Для опытной эксплуатации комплекса были адаптированы методические указания к выполнению лабораторных работ "CCNA Routing and Switching. Scaling Networks". Адаптированные методики включают дополнительные указания по использованию виртуальных маршрутизаторов и виртуальных рабочих станций. В виртуальный слой входили две или три виртуальные РС и виртуальные маршрутизаторы (инстанции VRF) на маршрутизаторах RA, RB и RC. Компоненты виртуального слоя управлялись с рабочих станций РСа1 и РСа2, одна из которых использовалась для настройки виртуальных маршрутизаторов, другая — для настройки виртуальных РС.
В общей сложности выполнено 16 лабораторных работ, во время которых на виртуальном оборудовании лабораторного комплекса одновременно работали по две бригады учащихся, и еще две бригады учащихся выполняли такие же лабораторные работы на реальном оборудовании (каждая на своем комплекте из трех маршрутизаторов). Несмотря на некоторое усложнение методик выполнения лабораторных работ, учащиеся, которые работали с виртуальным оборудованием, не испытывали дополнительных трудностей и успешно справились с заданиями в отведенное время. Таким образом, в процессе выполнения лабораторных работ в дополнение к необходимым для успешного прохождения курса "CCNA Routing and Switching. Scaling Networks" навыкам управления коммуникационным оборудованием учащиеся получили навыки управления виртуальными маршрутизаторами и виртуальными рабочими станциями. Испытания показали полную работоспособность лабораторного комплекса и подтвердили правильность решений, которые были выбраны для его построения.
Измерения характеристик лабораторного комплекса. Для оценки перспектив дальнейшего использования лабораторного комплекса и определения направлений его модернизации были проведены дополнительные испытания и измерения.
Первая группа испытаний производилась для оценки влияния пропускной способности последовательных каналов на характеристики информационного взаимодействия станций в пределах одного виртуального слоя и оценки возможного взаимного влияния виртуальных
слоев — через опорную инфраструктуру. В ходе испытаний на первом виртуальном слое информационная скорость цифрового потока линейно увеличивалась — с 2 до 28 канальных интервалов ББО Е1 с шагом 2. На втором (контрольном) виртуальном слое информационная скорость цифрового потока оставалась неизменной. В каждом измерении определялась средняя величина задержки при циклической передаче 4000-байтовых 1СМР пакетов между виртуальными РС для каждого слоя. Полученные результаты показывают, что в случае линейного увеличения числа ББО в потоке первого слоя задержка при передаче пакетов между виртуальными РС этого слоя уменьшалась экспоненциально, а временные задержки во втором (контрольном) виртуальном слое оставались практически неизменными.
На основании полученных в первой группе испытаний данных рассчитаны оценки изменения пропускной способности виртуальных каналов BW первого и второго виртуальных слоев в зависимости от количества канальных интервалов ББО в цифровом потоке первого слоя. Результаты показали линейное увеличение пропускной способности виртуального канала первого слоя и постоянную пропускную способность виртуального канала второго слоя при линейном увеличении информационной скорости соответствующего цифрового потока первого слоя. Таким образом, при измерениях и последующей обработке их результатов подтверждены возможность управления пропускной способностью виртуального канала одного виртуального слоя, а также отсутствие взаимного влияния виртуальных каналов, организованных в одном физическом интерфейсе.
Цель второй группы испытаний — оценка устойчивости функционирования и "нагрузочной способности" всего лабораторного комплекса в целом. Оценивалась работоспособность несущей сетевой инфраструктуры лабораторного комплекса при линейном увеличении числа размещенных на ней слоев виртуальной инфраструктуры с 1 до 15. Работоспособность комплекса определялась возможностью выполнения функций и процессов маршрутизации, необходимых для проведения лабораторных работ. В процессе испытаний на маршрутизаторах и сервере лабораторного комплекса определялось процентное соотношение использованного и максимально доступного объемов оперативных запоминающих устройств (ОЗУ).
2 4 6 8 10 12 VR 2 4 6 8 10 12 VR
Рис. 3
Полученные результаты показывают, что загрузка (N) ОЗУ маршрутизаторов RA и RB при увеличении числа размещенных на них виртуальных маршрутизаторов (virtual router, VR) возрастала незначительно — не более чем на 0,2 % (рис. 3, а — сплошная кривая и пунктир соответственно). RA и RB функционировали нормально, загрузка процессоров на несущих маршрутизаторах не превышала 1 %. В то же время испытания показали, что загрузка ОЗУ сервера Srv увеличивалась в среднем на 2,5 % при включении каждой новой виртуальной машины (VM), что увеличивало загрузку на 5 % при включении каждого нового виртуального слоя, в котором использовались по две VM (рис. 3, б). Поэтому при организации более 14 виртуальных слоев (28 активных VM) сервер Srv, вследствие 90 % загрузки ОЗУ, начинал функционировать неустойчиво. Сбои функционирования сервера проявлялись во временных
потерях управления активными VM, что указывает на необходимость замены именно этого компонента в случае возможной модернизации данного лабораторного комплекса.
Заключение. Применение описанных технологий виртуализации и подхода „Виртуальное расслоение сетевой инфраструктуры" (Virtual Partitioning) обеспечивает возможность построения полнофункциональных многослойных сетевых инфраструктур из виртуальных компонентов на коммуникационном оборудовании таких производителей, как Cisco Systems, Juniper и Huawei. В работе показано, как эти технологии при построении лабораторного комплекса позволили использовать дополнительные возможности оборудования Cisco Systems. Лабораторные испытания показали работоспособность комплекса и подтвердили правильность технических решений, выбранных для его построения. Дополнительные контрольные испытания позволили уточнить эксплуатационные характеристики комплекса и определить возможные направления его дальнейшего использования и модернизации.
Авторы выражают благодарность Игорю Олеговичу и Илье Игоревичу Ситниковым за методическую поддержку и материальную помощь, которая была оказана в процессе создания лабораторного стенда.
список литературы
1. Плужник Е. В., Никульчев Е. В., Паяин С. В. Лабораторный экспериментальный стенд облачных и сетевых технологий // Cloud of Science. 2014. Т. 1, № 1. С. 78—87.
2. Сорокин А. А., Дмитриев В. Н., Лосев Н. Н. Виртуальная лаборатория для моделирования и изучения телекоммуникационных систем на основе на основе программного пакета NetWork Simulator // Вестн. АГТУ. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2010. № 1. С. 103—108.
3. Packet Tracer: Бесплатный инструмент визуализации и моделирования сети и Интернета вещей [Электронный ресурс]: <https://www.netacad.com/ru/courses/packettracer-download/>.
4. GNS3 — The software that empowers network professionals [Электронный ресурс]: < https://www.gns3.com/>.
5. EVE — The Emulated Virtual Environment for Network, Security and DevOps professionals [Электронный ресурс]: <http://www.eve-ng.net/>.
6. Dynamips development [Электронный ресурс]: <https://github.com/GNS3/dynamips>.
7. QEMU generic and open source machine emulator and virtualizer [Электронный ресурс]: <https ://www. qemu. org>.
8. Wang A., Iyer M., Dutta R., Rouskas G. N., Baldine I. Network Virtualization: Technologies, Perspectives, and Frontiers // J. of Lightwave Technology. 2013. Vol. 31, is. 4. P. 523—537.
9. Galán-Jiménez J. and Gazo-Cervero A. Overview and challenges of overlay networks. A survey // Intern. J. of Computer Science & Engineering Survey (IJCSES). 2011. Vol. 2, N 1. DOI: 10.5121/ijcses.2011.2102.
10. Gutz S., Story A., Schlesinger C., Foster N. Splendid isolation: A slice abstraction for software-defined networks // Proc. of the 1st workshop on Hot topics in software defined networks ACM. 2012. P. 79—84.
11. ETSI GS NFV-INF 005 V1.1.1 (2014-12) — Network Functions Virtualisation (NFV); Infrastructure; Network Domain [Электронный ресурс]: <http://www.etsi.org/deliver/etsi_gs/NFV-INF/001_099/010/01.01.01_60/gs_NFV-INF010v010101p.pdf>.
12. ITU-T Rec.G.704 (10/98) Synchronous frame structures used at 1544, 6312, 2048, 8448 and 44 736 kbit/s hierarchical levels [Электронный ресурс]: <https://www.itu.int/rec/T-REC-G.704-199810-I/en>.
13. IEEE Std 802.1Q (2012). IEEE Standard for Local and metropolitan area networks Media Access Control (MAC) Bridges and Virtual Bridges [Электронный ресурс]: <https://ieeexplore.ieee.org/document/6606799/>.
14. Sonderegger J., Blomberg O., Milne K., and Palislamovic S. Virtualization for high availability // Junos High Availability: Best Practices for High Network Uptime (Animal Guide). O'Reilly Media, August 2009. Ch. 5. 119 p.
15. Victor M. and Kumar R. A virtualization technologies primer: Theory // Network Virtualization. Cisco Press, July 2006. Ch. 4
16. Анфалов К. В., Салауров Д. А., Тимофеев И. В. Организация подключения лабораторного сетевого стенда к серверу виртуализации // Информационно-технологический вестник. 2015. Т. 04, № 2. С. 65—72.
17. MIX-Multichannel T1/E1 Port Adapter Installation and Configuration [Электронный ресурс]: <https://www.cisco.com/c/en/us/td/docs/interfaces_modules/port_adapters/install_upgrade/voice/MIX-mc_t1-e1_install_config/pa_mcx.pdf>.
Сведения об авторах
Александр Юрьевич Филимонов — Уральский федеральный университет, департамент информационных
технологий и автоматики; доцент; E-mail: [email protected] Денис Андреевич Медведев — аспирант; Уральский федеральный университет, департамент инфор-
мационных технологий и автоматики; E-mail: [email protected] Алина Сергеевна Климова — студентка; Уральский федеральный университет, департамент инфор-
мационных технологий и автоматики; E-mail: [email protected] Артем Андреевич Муравьев — студент; Уральский федеральный университет, департамент информа-
ционных технологий и автоматики; E-mail: [email protected]
Поступила в редакцию 23.04.18 г.
Ссылка для цитирования: Филимонов А. Ю., Медведев Д. А., Климова А. С., Муравьев А. А. Применение компонентов виртуальной инфраструктуры при построении лабораторного комплекса в учебном заведении // Изв. вузов. Приборостроение. 2018. Т. 61, № 12. С. 1092—1099.
APPLICATION OF VIRTUAL INFRASTRUCTURE COMPONENTS IN CONSTRUCTION OF A LABORATORY COMPLEX IN AN EDUCATIONAL INSTITUTION
A. Yu. Filimonov, D. A. Medvedev, A. S. Klimova, A. A. Muravyov
Ural Federal University, 620002, Ekaterinburg, Russia E-mail: [email protected]
It is noted that construction and support of laboratory facilities in an educational institution is a complex task, the solution of which requires significant resources. It is shown how the use of virtualization technologies of network infrastructure components allows more complete use of the available equipment of the laboratory complex, to intensify the learning process and to instill in students the practical skills of building modern data transmission systems. The approach is used to modernize the laboratory complex of the educational institution by distributing the computing resources of routers and the server of the real carrier network between virtual routers and virtual workstations, and communication resources of physical channels between the corresponding virtual channels. To simulate workstations in the laboratory complex, a typical workstation virtualization solution (Virtual Desktop Infrastructure, VDI) is used.
Keywords: laboratory complex, virtualization technologies, virtual distributing of network infrastructure, virtual routers, virtual workstations
REFERENCES
1. Pluzhnik E.V., Nikul'chev E.V., Payain S.V. Cloud of Science, 2014, no. 1(1), pp. 78-87. (in Russ.)
2. Sorokin A.A., Dmitriyev V.N., Losev N.N. Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Management, Computer Science and Informatics, 2010, no. 1, pp. 103-108. (in Russ.)
3. https://www.netacad.com/ru/courses/packettracer-download/.
4. GNS3 - The software that empowers network professionals, https://www.gns3.com/.
5. EVE - The Emulated Virtual Environment for Network, Security and DevOps professionals, http://www.eve-ng.net/.
6. Dynamips development, https://github.com/GNS3/dynamips.
7. QEMU generic and open source machine emulator and virtualizer, https://www.qemu.org.
8. Wang Anjing, Iyer Mohan, Dutta R., Rouskas G.N., Baldine I. Journal of Lightwave Technology, 2013, no. 4(31), pp. 523-537.
9. Galán-Jiménez J. and Gazo-Cervero A. International Journal of Computer Science & Engineering Survey (IJCSES), 2011, no. 1(2). DOI: 10.5121/ijcses.2011.2102.
10. Gutz S., Story A., Schlesinger C., Foster N. Proc. of the 1st workshop on Hot topics in software defined networks ACM, 2012, pp. 79-84.
11. ETSI GS NFV-INF 005 V1.1.1 (2014-12) - Network Functions Virtualisation (NFV); Infrastructure; Network Domain, http://www.etsi.org/deliver/etsi_gs/NFV-INF/001_099/010/01.01.01_60/gs_NFV-INF010v010101p.pdf.
12. ITU-T Rec.G. 704 (10/98) Synchronous frame structures used at 1544, 6312, 2048, 8448 and 44 736 kbit/s hierarchical levels, https://www.itu.int/rec/T-REC-G.704-199810-I/en.
13. IEEE Std 802.1Q (2012): "IEEE Standard for Local and metropolitan area networks Media Access Control (MAC) Bridges and Virtual Bridges", https://ieeexplore.ieee.org/document/6606799/.
14. Sonderegger J., Blomberg O., Milne K., and Palislamovic S. Junos High Availability: Best Practices for High Network Uptime (Animal Guide), ch. 5, O'Reilly Media, 1 ed., August 2009, 119 p.
15. Victor M. and Kumar R. Network Virtualization, ch. 4, Cisco Press, 1 ed., July 2006.
16. Anfalov K.V., Salaurov D.A., Timofeyev I.V. Information Technology Bulletin, 2015, no. 2(4), pp. 65-72. (in Russ.)
17. MIX-Multichannel T1/E1 Port Adapter Installation and Configuration, https://www.cisco.com/c/en/us/td/docs/interfaces_modules/port_adapters/install_upgrade/voice/MIX-mc_t1-e1_install_config/pa_mcx.pdf.
Data on authors
Alexander Yu. Filimonov — Ural Federal University, Department of Information Technologies
and Automation; Associate Professor; E-mail: [email protected] Denis A. Medvedev — Post-Graduate Student; Ural Federal University, Department of
Information Technologies and Automation; E-mail: [email protected] Alina S. Klimova — Student; Ural Federal University, Department of Information Tech-
nologies and Automation; E-mail: [email protected] Artyom A. Muravyov — Student; Ural Federal University, Department of Information Tech-
nologies and Automation; E-mail: [email protected]
For citation: Filimonov А. Yu., Medvedev D. A., Klimova A. S., Muravyov A. A. Application of virtual infrastructure components in construction of a laboratory complex in an educational institution. Journal of Instrument Engineering. 2018. Vol. 61, N 12. P. 1092—1099 (in Russian).
DOI: 10.17586/0021-3454-2018-61-12-1092-1099