DOCUMENTAÇÃO: Emulação do tráfego da rede. Ulisses Cotta Cavalca Caio Mário Mesquita

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1 DOCUMENTAÇÃO: Emulação do tráfego da rede Descreve procedimentos para realizar a emulação de carga, captura e análise de tráfego de rede em ambiente controlado. Scripts testbed e qos-tools Ulisses Cotta Cavalca Caio Mário Mesquita Sumário 1. Estrutura dos arquivos/agentes testbed qosg qosd qosc qosr Planejamento do experimento Configuração do ambiente Agendamento/Inicialização das instância Paralisação da emulação Coleta de dados Análise/processamento dos dados... 4

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3 HISTÓRICO DE ATUALIZAÇÕES

4 1. CONFIGURAÇÃO DO AMBIENTE DE EMULAÇÃO Especificação de hardware: Para o nosso ambiente de emulação foi utilizada uma máquina da Intel com processador Core Quad 2,66Ghz, 4GB de memória RAM, espaço de armazenamento de disco de 160GB e o sistema operacional GNU/Linux Debian de 32 bits. No nosso ambiente é utilizada uma brigde que será responsável por interligar as máquinas virtuais e também para a implementação do Qos. As máquinas virtuais são criadas a partir do programa VirtualBox. A seguir estão mostrados os arquivos para brigde e VirtualBox e os respectivos comandos para instalação deles: #-- Arquivos necessários para construção das interfaces de rede em bridge apt-get install bridge-utils uml-utilities #-- Arquivos necessários para virtualização apt-get install virtualbox-ose virtualbox-ose-dkms virtualbox-ose-guest-utils Na máquina virtual é necessário modificar o arquivo /root/bridge-testbed.sh para poder criar todas as interfaces de rede necessárias. Esse script irá criar as interfaces virtuais na máquina real e para isso é necessário modificar as variáveis USUARIO, IP e GW para os valores adequados da configuração. A seguir é mostrado o script. #!/bin/bash USUARIO=<usuario_host> IP=<IP>/<CIDR> GW=<IP> echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward echo -n "Criando interfaces virtuais..." tunctl -t tap0 -u $USUARIO tunctl -t tap1 -u $USUARIO tunctl -t tap2 -u $USUARIO tunctl -t tap3 -u $USUARIO tunctl -t tap4 -u $USUARIO echo " feito!" echo -n "Habilitando interfaces virtuais..." ifconfig tap0 up ifconfig tap1 up ifconfig tap2 up ifconfig tap3 up ifconfig tap4 up echo " feito!" echo -n "Habilitando interfaces físicas..."

5 ifconfig eth0 up ifconfig eth echo " feito!" echo -n "Configurando bridge..." brctl addbr br1 brctl addif br1 tap2 brctl addif br1 tap3 brctl addif br1 tap4 brctl addif br1 eth0 echo " feito!" echo -n "Configurando IP para bridge..." ifconfig br1 up ifconfig br1 $IP route add default gw $GW echo " feito!" echo -n "Carregando módulos..." modprobe vboxnetflt modprobe vboxdrv echo " feito!" echo "" echo "Concluído!" Para o ambiente de emulação é usada uma máquina real e implementada dentro dela 3 máquinas virtuais (VM-1, VM-2, VM-3) da seguinte forma:

6 Figura 1: Estrutura do ambiente de emulação de tráfego Para essa configuração é usada a interface de rede física eth0 da máquina real, uma bridge br1, e as interfaces de rede virtuais para cada máquina virtual: tap0, tap1, tap2, tap3, tap4. Em cada máquina virtual é implementada tambem uma interface de rede para a comunicação entre essas máquinas, sem interferência de trafego externo da Internet: tap0: eth0 (VM-1); eth0 (VM-2); tap1: eth1 (VM-2); eth0 (VM-3); br0: eth0 (VM-2); eth1 (VM-2). O funcionamento do ambiente de emulação foi homolagado com o VirtualBox como ferramenta de virtualização. A utilização de outros virtualizadores, tais como Vmwarem Xen, e Qemu, as configurações devem ser adaptadas pelo usuário. Para cada máquina virtual é necessário configurar as interfaces de rede e outras configurações de sistema conforme os passos a seguir, conforme opções do VirtualBox. 1. Criar uma máquina virtual Debian 1.1. Alocar 512MB de memória RAM 1.2. Informar os discos virtuais de cada VM, obtidos no link xxxxx. 2. Após criada a máquina, ir em Configurações Rede

7 3. Ajustar as interfaces de rede de acordo com o ambiente ilustrado na Figura 1. Máqunia virtual Interface virtualizada Interface máquina real Finalidade VM-1 Adaptador 1 tap2 eth0: Adaptador 2 tap0 IP 2 para gerência VM-2 Adaptador 1 Adaptador 2 tap0 tap1 Bridge br0 (eth0 eth1): Adaptador 3 tap2 IP 3 para gerência VM-1 Adaptador 1 tap3 eth0: Adaptador 2 tap1 IP 4 para gerência 4. Iniciar as máquinas virtuais 5. Cada máquina virtual criada irá possuir uma interface de rede com um valor default quando é iniciada. É necessário então limpar essas interfaces para poder configurar as novas de acordo com o ambiente de emulação. Para isso é usado um comando para eliminar as interfaces de rede existentes, esse comando é mostrado a seguir: #-- Comando necessário para limpar as interfaces de rede automáticas da máquina virtual: rm /etc/udev/rules.d/70-persistent-net.rules 6. Em cada máquina virtual é necessário modificar o arquivo correspondente ao hostname para a máquina possuir o hostname correto. Para isso é usado o editor de texto VI para essa modificação no arquivo. A seguir é ilustrado um exemplo: #-- Comando para modificar o arquivo hostname : vi /etc/hostname Em seguida apaga o nome que estiver(se estiver algum) e então é colocado o nome desejado: MV1 7. Em seguida é necessário modificar no arquivo interfaces a interface de rede para a interface de rede adequada conforme o ambiente. Para isso é usado o editor de texto VI para essa modificação no arquivo. A seguir é ilustrado um exemplo na VM1: #-- Comando para modificar o arquivo hostname : vi /etc/network/interfaces # This file describes the network interfaces available on your system # and how to activate them. For more information, see interfaces(5). # The loopback network interface auto lo iface lo inet loopback # The primary network interface

8 allow-hotplug eth0 auto eth0 iface eth0 inet static address netmask network broadcast allow-hotplug eth1 auto eth1 iface eth1 inet static address netmask network broadcast Para a VM2: #-- Comando para modificar o arquivo hostname : vi /etc/network/interfaces # This file describes the network interfaces available on your system # and how to activate them. For more information, see interfaces(5). # The loopback network interface auto lo iface lo inet loopback # The primary network interface allow-hotplug eth0 auto eth0 #iface eth0 inet static # address # netmask # network # broadcast # bridge_ports eth0 eth1 allow-hotplug eth1 auto eth1 #iface eth1 inet static # address # netmask # network # broadcast # bridge_ports eth0 eth1 auto br0

9 iface br0 inet static address netmask network broadcast bridge_ports eth0 eth1 auto eth2 iface eth2 inet static address netmask network Para a VM3: #-- Comando para modificar o arquivo hostname : vi /etc/network/interfaces # This file describes the network interfaces available on your system # and how to activate them. For more information, see interfaces(5). # The loopback network interface auto lo iface lo inet loopback # The primary network interface allow-hotplug eth0 auto eth0 #iface eth0 inet dhcp iface eth0 inet static address netmask network broadcast allow-hotplug eth1 auto eth1 iface eth1 inet static address netmask network broadcast gateway Como último passo é necessário reiniciar as máquinas virtuais para que as modificações sejam aplicadas.

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11 2. ESTRUTURA DOS AGENTES A emulação possui a seguinte estrutura O ambiente de simulação possui basicamente dois elementos. testbed: responsável pela geração de carga cliente/servidor, em ambos os lados, a ser emulada qos-tools: conjunto de ferramentas responsável pela geração de configuração aleatória de asured rate, configuração de QoS, captura de dados, análise/processamento dos dados. qosg: Gera valores de configuração do QoS conforme simulação de Monte Carlo; qosd: Script para obtenção de variáveis descritivas do funcionamento do QoS (HTB); qosc: Script para configuração, inicialização e paralisação da emulação qosr: Script que realiza o processamento e reporta, de forma amigável, variáveis descritivas capturadas. qosr-data: Script que realiza o tratamento dos dados (arredondamento de casa decimais) obtidos por (qosd). qosx: Script que realiza o tratamento dos dados(cada linha em um arquivo diferente) obtidos por arquivo.txt qos-gnu: Script que automatiza a geração dos gráficos passando por parâmetro título, data de inicio e o intervalo em segundos. Em todas as máquinas, os scripts estão armazenados no diretório /usr/local/bin, com link simbólico no diretório /home/ulisses para que o mesmo possa ser editado 2.1. testbed Para configurar o testbed (gerador de carga), basta setar as seguintes variáveis no script

12 testbed. $ vi /home/ulisses/testbed #-- ID das classes que serão emuladas clients=' ' #-- Portas que serão instanciadas os servidores a partir do iperf ports=' ' # Porta que serão instanciados os servidores #-- IP do host remoto ip= Arquivo clients.cfg. Arquivo responsável por configurar os valores de carga para cada classe. A carga corresponde a terceira coluna no arquivo(sendo a primeira coluna a classe, e segunda coluna a porta). Esse arquivo se encontra tanto na VM1, sendo utilizado para download, quanto na VM2, sendo utilizado para upload. É necessário configurar ambos os arquivos antes de iniciar a emulação. Para a modificação é utilizado o editor de texto VI. A seguir é ilustrado um exemplo na VM1: #-- Comando para modificar o arquivo clients.cfg na MV1 : vi /home/ulisses/clients.cfg K K K K K K Arquivo crontab Antes de iniciar a emulação é necessário retirar o comentário da última linha do arquivo crontab responsável por recomeçar a emulação*. Para essa modificação é utilizado o editor de texto VI. A seguir é ilustrado um exemplo na VM1: #-- Comando para modificar o arquivo crontab na MV1 : vi /etc/crontab # /etc/crontab: system-wide crontab # Unlike any other crontab you don't have to run the `crontab' # command to install the new version when you edit this file # and files in /etc/cron.d. These files also have username fields, # that none of the other crontabs do. SHELL=/bin/sh

13 PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin # m h dom mon dow user command 17 * * * * root cd / && run-parts --report /etc/cron.hourly 25 6 * * * root test -x /usr/sbin/anacron ( cd / && run-parts --report /etc/cron.daily ) 47 6 * * 7 root test -x /usr/sbin/anacron ( cd / && run-parts --report /etc/cron.weekly ) * * root test -x /usr/sbin/anacron ( cd / && run-parts --report /etc/cron.monthly ) # */2 * * * * root testbed restart Depois de fazer as modificações nos arquivos clients.cfg e crontab em ambas as máquinas virtuais, pode-se começar a geração de tráfego (download e upload) através do script testbed. Esse script possui as opções de : start, stop, restart, list, init e help. A seguir é mostrado o comando para começar a geração de trafego a partir da VM1. #-- Comando para iniciar a realização de tráfego da VM1 para VM2 (upload) : testbed start Inicializando servers: Server listening on UDP port 6010 Receiving 1470 byte datagrams UDP buffer size: 110 KByte (default) Running Iperf Server as a daemon The Iperf daemon process ID : Server listening on UDP port 6020 Receiving 1470 byte datagrams UDP buffer size: 110 KByte (default) Running Iperf Server as a daemon The Iperf daemon process ID : Server listening on UDP port 6030 Receiving 1470 byte datagrams UDP buffer size: 110 KByte (default) Running Iperf Server as a daemon The Iperf daemon process ID : Server listening on UDP port 6040 Receiving 1470 byte datagrams UDP buffer size: 110 KByte (default)

14 Running Iperf Server as a daemon The Iperf daemon process ID : Running Iperf Server as a daemon The Iperf daemon process ID : Running Iperf Server as a daemon The Iperf daemon process ID : feito! Inicializando clients:... Gerando clients:... feito! warning: commands will be executed using /bin/sh job at Fri Dec 28 00:26: warning: commands will be executed using /bin/sh job at Fri Dec 28 00:26: warning: commands will be executed using /bin/sh job at Fri Dec 28 00:26: warning: commands will be executed using /bin/sh job at Fri Dec 28 00:26: warning: commands will be executed using /bin/sh job at Fri Dec 28 00:26: warning: commands will be executed using /bin/sh job at Fri Dec 28 00:26: qosg Gerar valores de assured rate, necessário para o HTB (configuração via qosc), para que as instâncias sejam executadas. Para executar: qosg <ARQUIVO> <NUM_CLASSES> qosg qosg-down.cfg 4 O script necessita do arquivo qosg-down.cfg, com a configuração a seguir. O arquivo para upload ( qosg-up.cfg ) CLASSE DEVICE PAI RATE CEIL PRIO SFQ_PERTUB RATE_BASE EPSILON 20 eth qosd Configurar o arquivo, alterando as seguintes linhas 10 e 11: = `tc -s qdisc show dev eth1`; = `tc -s qdisc show dev eth0`; onde se lê eth0 e eth1, substituir pelas interfaces de interesse. Indicar o número de classes na variáveis n na linha 57:

15 my $n=4; #-- número de classes Chamar o arquivo por: $ qosd <GRANULARIDADE> <WORKDIR> $ qosd 05 /tmp onde 05 é a granularidade da captura (em segundos) e /tmp é o diretório que os dados serão salvos 2.4. qosc Arquivo instance : Indica qual instância está sendo executada Arquivo qosg-down.init : Realiza a configuração do 'cabeçalho' do QoS, possuindo a seguinte estrutura DEVICE PAI CLASSE_PADRÃO CLASS_ID CEIL eth Kbit Arquivo qosg-down.cfg : Armazena informações de configuração do QoS (HTB), ao qual é gerado pelo agente qosg. Possui a seguinte estrutura Configurar as seguintes variáveis no script classe=' ' num_classes=4 Possui as opções de: start: Inicializa o processo de emulação (configuração + captura de dados) stop: Paralisa o processo de emulação (configuração + captura de dados) restart: Reinicializa o processo de emulação (configuração + captura de dados) status1: Devolve as estatísticas de 'qdisc' do tc status2: Devolve as estatísticas de 'class' do tc init: Reinicializa todo o ambiente para realizar nova emulação A seguir é mostrado o comando para iniciar a emulação #-- Comando para iniciar emulação : qosc start

16 2.5. qosr O script necessita apenas que os paths dos arquivos estejam bem definidos. Possui as seguintes opções: emulacao: Reune em um único arquivos as informações relevantes de cada emulação, alocados em /home/ulisses/tc-data, e salva no diretório /home/ulisses/tc-report qosr-data Realiza o tratamento de casas decimais dos arquivos obtidos por qosd. tr -s "\t" " " < qos.dat > qos.txt onde qos.dat: 25/06/ :15: Executar o script:./qosr-data <ARQUIVO> <NUMERO_CLASSES>./qosr-data qos.txt qosx Realiza o tratamento dos dados(cada linha em um arquivo diferente) obtidos por arquivo.txt. Para a execução do script o arquivo de leitura tem que se chamar arquivo.txt e deve estar na mesma pasta do script. Para cada linha do arquivo.txt será criado um novo arquivo com o nome clienti.txt, sendo i correspondente a númeração da linha. A formatação de cada arquivo clienti.txt será da forma: //#CLASSE PORTA THROUGHPUT_CLASSE TEMPO_TRANSFERÊNCIA[s] THROUGHPUT_CLASSE (BASE) DESVIO PADRAO DE THROUGHPUT_CLASSE (BASE) exemplo: arquivo client0.txt k k k k k k k k k qos-gnu Realiza a geração dos gráficos de forma automática. Para execução do script deverá estar na mesma pasta o arquivo qos-testbed-down.dat. Quando executado deve-se passar por linha de terminal três parâmetros nesta ordem:

17 _uma string entre aspas duplas que será o título do gráfico, _uma string entre aspas duplas que será o início da coleta. Essa string deve ser da forma dd/mm/aaaa-hh:mm:ss _um número inteiro que irá representar o intervalo em segundos exemplo:./qos-gnu titulo 23/07/ :56: para criar um gráfico com o título titulo, a da início sendo 23/07/ :56:26 e um intervalo de 300 segundos (5 minutos) 3. PLANEJAMENTO DO EXPERIMENTO Sequência de passos: i. Definir janela de tempo que será analisado (janela = 5minutos); ii. Definir as classes de tráfego do ambiente de emulação e a respectivas prioridades; iii. Caracterizar as demandas (carga) de cada e vazão de dados (throughput), tanto para

18 download e upload; iv. Definir os valores de rate_base e percentual de variação; v. Definir demais variáveis do QoS: ceil e prio; vi. Configurar ambiente; 3.1. Configuração do ambiente Configurar o arquivo clients.cfg na VM-1 e VM-3, confome planejamento das classes observadas Configurar as classes na variáve clients em /home/ulisses/testbed Na VM-2, configurar o arquivo qosg-down.init e qosh-up.init Na VM-2, configurar o arquivo qosg-down.cfg e qosg-up.cfg Na VM-2, no script qosc, configurar as variáveis classe e num_classe 4. AGENDAMENTO/INICIALIZAÇÃO DAS INSTÂNCIA Agendar as instâncias de emulação significa inicializar a execução de cada iteração. Na MV-1 e VM-3 editar o arquivo /etc/crontab (no caso, 3 indica o tempo correspondente ao ciclo de emulação) */3 * * * * root testbed restart Limpar o ambiente de emulação na VM-2, e depois inicializar manualmente a execução $ qosc stop $ qosc init $ qosc start Na VM-2 editar o arquivo /etc/crontab */3 * * * * root qosc restart

19 5. PARALISAÇÃO DA EMULAÇÃO Comentar, as linhas incluídas no arquivo /etc/crontab nas 3 máquinas virtuais $ testbed stop Na VM-1 e VM-3: Na VM-2: $ qosc stop 6. COLETA DE DADOS Após realizar o número de instâncias desejado, na máquina VM-2: Opção 1 (manual): Copiar os arquivo do diretório tc-config e tc-data ; Opção 2 (automático): Após para a execução da emulação, executado comando qosc init, copiar o arquivo simula*.tar.gz no diretório backup/. 7. ANÁLISE/PROCESSAMENTO DOS DADOS Consiste basicamente em utilizar o script qosr, conforme descrito no item GERAÇÃO DE GRÁFICOS Obter o arquivo.dat com os valores, podendo este estar tratado ou não pelo qosr-data. Nos arquivos *.dem: Configurar o título: set title "QoS CEFET-MG Campus II (Download)\n15 segundos" Configurar o intervalo de x : set xrange ["27/06/ :06:20":"27/06/ :13:35"] Configurar o número de classes (se necessário) Rodar o comando gnuplot para gerar gráficos: gnuplot gnuplot-cefet-up.dem

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