PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL FACULDADE DE INFORMÁTICA BACHARELADO EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO

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1 PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL FACULDADE DE INFORMÁTICA BACHARELADO EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO PAOLO CEMIM E ROGÉRIO DA SILVA VIEIRA VNETLAB Uma Ferramenta de Ensino de Redes de Computadores Utilizando Técnicas de Virtualização Porto Alegre, 28 de Junho de 2010

2 PAOLO CEMIM E ROGÉRIO DA SILVA VIEIRA VNETLAB: UMA FERRAMENTA DE ENSINO DE REDES DE COMPUTADORES UTILIZANDO TÉCNICAS DE VIRTUALIZAÇÃO Trabalho de conclusão de curso de bacharelado em Ciência da Computação da Faculdade de Informática da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, como requisito parcial para obtenção do grau. Orientador: Prof. Dr. Tiago Ferreto Porto Alegre, 28 de Junho de 2010.

3 AGRADECIMENTOS Aos agradecimentos de todos os familiares pela compreensão das horas afastadas para realizar todas as tarefas desse trabalho. Agradecer a Eduarda Alves Santos Cardoso pela compreensão, carinho e ajuda por todo o período do desenvolvimento desse trabalho. Agradecer a brilhante orientação do Profº Tiago Coelho Ferreto que foi um grande incentivador do trabalho, não nos deixou desanimar jamais e mostrou os caminhos corretos a tomar em toda a caminhada até a conclusão desse trabalho.

4 RESUMO O ensino de redes de computadores requer a utilização de aulas práticas, que possibilitem a exemplificação de seus conceitos. Laboratórios especializados são caros e de difícil manutenção. Ferramentas que auxiliem na execução destas aulas práticas são de grande valia, sendo uma alternativa de menor custo em comparação aos laboratórios especializados. A utilização de ferramentas baseadas em técnicas de virtualização garante aos alunos uma prática mais realista, através da interação com dispositivos virtuais que possuem comportamento semelhante aos reais, porém sem a necessidade de um laboratório especializado. O trabalho apresentado visa a construção de uma ferramenta de ensino para disciplinas de redes de computadores utilizando técnicas de virtualização. Esta ferramenta tem como principal objetivo auxiliar no processo de aprendizagem dos alunos e na organização das aulas laboratoriais pelos professores. Palavras-chave: ferramentas de ensino; virtualização; redes de computadores.

5 ABSTRACT The teaching of computer networks requires the use of practical classes, enabling the exemplification of its concepts. Specialized laboratories are expensive and difficult to maintain. Tools to assist in the implementation of these classes are of great value, being a lower cost alternative compared to specialized laboratories. The use of tools based on virtualization techniques ensures students a more realistic practice through interaction with virtual devices that have similar behavior to the real, but without the need for a specialized laboratory. The work presented aims at building a teaching tool for courses in computer networks using virtualization techniques. This tool is mainly intended to assist in the learning process of students and the organization of laboratory classes by teachers. Keywords: teaching tools, virtualization, computer networks.

6 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 2.1: Diagrama do monitor clássico Figura 2.2: Diagrama do monitor hospedado Figura 2.3: Arquitetura do Xen Figura 2.4: Arquitetura do KVM Figura 3.1: Interface gráfica do Velnet com um exemplo de rede Figura 3.2: Exemplo da configuração de um roteador via linha de comando no Packet Tracer Figura 3.3: Funcionamento do sistema de figuras com o VoiceOver Figura 3.4: Exemplo de console de um dos dispositivos Figura 3.5: A interface gráfica do GNS3 com um exemplo de rede Figura 4.1: Módulos do VNetLab e a comunicação entre eles Figura 4.2: A barra de menus Figura 4.3: A barra de ferramenta Figura 4.4: A palheta de elementos Figura 4.5: O painel de navegação Figura 4.6: O painel central Figura 4.7: O painel de dados de um elemento Figura 4.8: A interface gráfica do VNetLab Figura 4.9: O arquivo XML utilizado pelo VNetLab com a configuração do projeto da Figura Figura 4.10: Diagrama de pacotes e suas dependências Figura 4.11: Diagrama de atividades da criação de uma topologia Figura 4.12: Pacote Elements Figura 4.13: Pacote UI Figura 4.14: Sub-pacote Editor Figura 4.15: Pacote Manager Figura 4.16: Pacote VirtualBox Figura 4.17: Pacote XML Figura 5.1: Exemplo da configuração de um dos roteadores Gráfico 5.1: Uso de Memória RAM Gráfico 5.2: Uso de Espaço em Disco Gráfico 5.3: Tempo de Deploy e Restart... 56

7 LISTA DE TABELAS Tabela 2.1: Comparação entre as ferramentas de virtualização Tabela 3.1: Comparação entre as ferramentas apresentadas Tabela 5.1: Descrição dos casos do cenário de teste... 53

8 LISTA DE SIGLAS API Application Programming Interface ATM - Asynchronous Transfer Mode BMP - Bitmap CCNA - Cisco Certified Network Associate DTD - Document Type Definition GB GigaBytes GNS3 - Graphical Network Simulator 3 GPL - GNU General Public Licence GTNetS - The Georgia Tech Network Simulator GUI -Graphical User Interface IDE Integrated Drive Electronics IOS - Internetwork Operating System IP Internet protocol JPEG - Joint Pictures Expert Group KVM - Kernel-based Virtual Machine LAN - Local Area Network MB MegaBytes PNG - Portable Network Graphics RDP - Remote Desktop Protocol RAM - Random Access Memory SDL - Simple DirectMedia Layer USB Universal Serial Bus Velnet - Virtual Environment for Learning Networking VNUML - Virtual Network User Mode GNU/Linux XPM - X Pixmap www - World Wide Web

9 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Ferramenta de ensino de redes de computadores Simulação Virtualização Ferramentas de virtualização Xen VMWare VirtualBox Kernel-based Virtual Machine (KVM) Comparação entre as ferramentas de virtualização TRABALHOS RELACIONADOS Virtual Environment for Learning Networking (Velnet) Packet Tracer INetSim Virtual Network User Mode Linux (VNUML) The Georgia Tech Network Simulator (GTNetS) NetKit Graphical Network Simulator 3 (GNS3) Network Simulator (NS) Comparação entre as ferramentas DESCRIÇÃO DO VNETLAB Motivação Descrição Arquitetura Módulo de Interface com o Usuário Módulo de descrição da topologia Módulo de Controle das Máquinas Virtuais Elementos de redes de computadores Elemento de rede switch Computadores e servidores Elemento roteador... 44

10 4.4 Implementação Pacote Elements Pacote UI Sub-pacote Editor Sub-pacote Images Sub-pacote Resources Pacote Manager Pacote VirtualBox Pacote XML VALIDAÇÃO Cenário de teste: Roteamento utilizando RIPv Máquina utilizada para os testes e Requisitos Mínimos Análise de escalibilidade Comparação com outras ferramentas TRABALHOS FUTUROS CONCLUSÃO REFERÊNCIAS... 62

11 10 1 INTRODUÇÃO Assim como em outras áreas da computação, a área de redes de computadores exige a realização de aulas práticas para garantir uma maior assimilação pelos alunos dos conteúdos abordados [19]. Diferentes estratégias podem ser utilizadas para a realização das aulas práticas. Uma delas é utilizar um laboratório dedicado para aulas práticas de redes de computadores, onde o aluno pode realizar experimentos em um ambiente real. Outra abordagem é o uso de ferramentas que permitam a realização de experimentos em um ambiente simulado. O uso de um laboratório dedicado apresenta como vantagem principal a experiência com máquinas e dispositivos reais, os mesmos que são utilizados em qualquer infraestrutura de redes de computadores. Porém, essa abordagem também apresenta alguns problemas. Nesse laboratório os alunos devem possuir a senha de administrador para realizar configurações dos dispositivos de rede, o que não é viável em um laboratório normal em uma instituição de ensino. Além disso, é necessário também um isolamento da rede para que seja possível realizar alterações na rede e testes, como simulação de ataques, sem prejudicar a infraestrutura de rede da instituição. Isso acaba também limitando o uso do laboratório somente para aulas de redes de computadores, diminuindo a flexibilidade do uso do mesmo laboratório por outras disciplinas e tornando-se uma solução relativamente cara. Outra abordagem consiste no uso de ferramentas que tentam simular o funcionamento dos dispositivos de rede para a realização de experimentos. Esse tipo de ferramenta normalmente foca em algum tópico específico, limitando sua utilização de forma mais generalizada. Dessa forma, torna-se necessário utilizar diversas ferramentas para abordar os diversos assuntos da área de redes de computadores. No entanto, essas ferramentas funcionam sem a necessidade de acesso como administrador, podendo ser executadas em qualquer máquina, o que facilita sua utilização. Porém, devido a alta abstração utilizada pelas ferramentas, a aplicação direta do que foi aprendido com a ferramenta em um ambiente real nem sempre é possível. Uma forma de fazer com que o aluno pratique em um ambiente próximo do real, porém sem a necessidade de um laboratório dedicado é através da utilização de máquinas virtuais. As máquinas virtuais permitem a criação em nível de usuário

12 11 de topologias de rede virtuais bastante próximas dos ambientes reais. Além disso, a topologia de rede virtual pode ser completamente desvinculada da rede real garantindo uma maior segurança na execução de experimentos. O presente trabalho apresenta o VNetLab (Virtual Network Laboratory), uma ferramenta de auxílio ao ensino de redes de computadores. O VNetLab possui uma interface gráfica para facilitar a criação de topologias de rede e utiliza máquinas virtuais para representar cada elemento da rede. O sistema de virtualização utilizado é o VirtualBox [28] que apresenta como principais características o fato de ser multiplataforma e suportar a utilização de templates para criar máquinas virtuais com diversos sistemas operacionais. Na Seção 2 é apresentada uma análise das vantagens da utilização de ferramentas no ensino. Nesta seção também são apresentadas as principais técnicas que podem ser utilizadas no desenvolvimento de ferramentas para ensino de redes de computadores. A Seção 3 apresenta exemplos de trabalhos existentes, que têm como finalidade demonstrar conceitos relacionados a redes de computadores. Na Seção 4 é feita a descrição detalhada da ferramenta construída, demonstrando a motivação da criação desta ferramenta e detalhes da implementação da mesma. A Seção 4 apresenta também a estrutura e a modelagem feita para a ferramenta, esta seção contém desde a apresentação da estrutura em alto nível, com as escolhas realizadas durante a pesquisa, até modelagem detalhada através de diagramas UML (Unified Modeling Language). A validação e os resultados dos testes realizados com a ferramenta são descritos na Seção 5. A Seção 6 descreve melhorias a serem realizadas futuramente, ou seja, os trabalhos futuros. A Seção 7 apresenta as conclusões do trabalho.

13 12 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Nesta seção são apresentados os principais conceitos relacionados ao ensino de redes de computadores. É realizada uma análise das vantagens e desvantagens da utilização de laboratórios dedicados, solução comumente empregada pelas instituições de ensino. Outras abordagens, possíveis de serem utilizadas, estão descritas nesta seção. Primeiramente, esta seção enfatiza a importância de ferramentas para o ensino de redes de computadores. 2.1 FERRAMENTA DE ENSINO DE REDES DE COMPUTADORES É observado que a utilização de ferramentas no ensino de disciplinas de computação é benéfica aos alunos. Uma das áreas que apresenta claramente essas vantagens é a área de redes de computadores. Diversas pesquisas [7] comprovam o aumento da aprovação e da média dos alunos após a utilização destas ferramentas. Normalmente, as aulas laboratoriais destinadas ao ensino de redes são organizadas em duas partes distintas. A primeira parte visa a exploração da rede local (LAN Local Area Network) com interligação de computadores pessoais utilizadas pelos alunos para executar ambientes de programação, ferramentas de simulação, bem como aplicações típicas de internet, como o serviço de . A segunda parte visa a análise de uma rede experimental, composta por outros computadores da rede e equipamentos laboratoriais específicos, como: hubs, switches, roteadores, e servidores. Laboratórios especializados que permitam o desenvolvimento de tarefas como estas são de grande valia, pois permitem aos alunos terem uma total imersão no universo de conceitos relacionados. Porém, a implantação de um laboratório para o ensino de rede de computadores é, em geral, uma tarefa dispendiosa, tanto em termos de tempo, quanto em termos de recursos. Em primeiro lugar, o equipamento utilizado é relativamente caro, embora computadores pessoais e equipamentos básicos para construção de redes locais tenham atualmente preços acessíveis, o custo de equipamentos específicos de rede como roteadores, dentre outros equipamentos, têm um preço elevado.

14 13 A gestão dos laboratórios é muitas vezes uma atividade que consome muitos recursos. A instalação do software e sua configuração implicam que um considerável tempo de esforço tenha de ser investido. Um tempo semelhante a este será gasto na reconfiguração dos equipamentos, a fim de colocá-los em determinados estados, para serem utilizados em diferentes exercícios. Esta pode ser a tarefa que mais consumirá recursos se o laboratório não é cuidadosamente projetado, podendo implicar na reinstalação dos sistemas operacionais ou na reconfiguração da rede física de conexões. A desorganização da configuração dos recursos, devido ao fato que os mesmos são compartilhados por diversos alunos, que necessitam direitos de acesso como administrador das máquinas para realizar testes, caracteriza outro empecilho. Outro problema é a gerência de conflito no uso do laboratório por vários professores, não sendo viável a existência de diversos laboratórios de redes, desta maneira os professores terão de reconfigurar este laboratório ao iniciar suas atividades. Uma forma alternativa de ensino de redes de computadores é o uso de ferramentas que façam uma abstração dos recursos reais. Uma das principais vantagens é que não é mais necessário dispor de um ambiente específico, porém, pelo fato de realizar uma abstração do ambiente real, alguns testes podem ser limitados. As principais técnicas utilizadas neste tipo de ferramentas são: simulação e virtualização Simulação A simulação consiste, basicamente, no emprego de técnicas matemáticas com o propósito de estudar e analisar o comportamento de determinado sistema, ou operação, do mundo real. Desta forma, é necessário construir um modelo computacional que corresponda ao sistema que se deseja simular. Alguns fatores que tornam desejável o uso de técnicas de simulação aliadas aos benefícios computacionais, são [1]: Tempo: permite realizar experimentos que, se executados sobre o sistema real, poderiam consumir anos. Custo: apresenta um custo consideravelmente inferior se comparado à execução de experimentos sobre o sistema real.

15 14 Impossibilidade de experimentação direta: há situações em que experimentações diretas no sistema real não podem ser realizadas por questões de segurança, de tempo, de acesso, ou ainda de inexistência, ou seja, quando se trata de um sistema em construção. Visualização: os computadores oferecem recursos que facilitam a visualização dos resultados de uma simulação (gráficos, tabelas, entre outros), bem como o estado do sistema durante a execução de um modelo. Repetição: depois de construído, um modelo de representação pode ser executado diversas vezes a um custo muito baixo. Interferência: um modelo é extremamente mais flexível para a realização de mudanças se comparado a um sistema real. Esta é uma característica bastante desejável no estudo de sistemas com objetivos de geração de informações de apoio a tomada de decisões. Além disso, o uso da simulação é recomendado principalmente em dois casos [1]. Primeiro, quando a solução de problemas é muito cara ou mesmo difícil através de experimentos, e em segundo, quando os problemas são muito complexos para tratamento analítico. Com o uso da simulação, principalmente quando se observam características estocásticas, sistemas podem ter seu comportamento representado com maior fidelidade e realismo. Esta técnica não é recomendada para experimentos que dependam de variáveis inconstantes, em que seus valores são de difícil definição. Isto é devido ao fato de que por mais completo que seja a simulação, ela não conseguirá alcançar a totalidade de resultados que um sistema integral pode chegar. Na área de redes de computadores [4], com o desenvolvimento de novos protocolos e algoritmos para responder às atuais exigências operacionais, surge a necessidade de avaliações dos mesmos. Esta avaliação, muitas vezes, é feita através de simulação, permitindo assim uma análise inicial com baixos custos. Apesar de seu valor, simuladores personalizados possuem inconvenientes. Um exemplo desses inconvenientes é que experiências executadas em laboratórios de pequena escala conseguem capturar detalhes importantes que podem ser perdidos em uma simulação. Por outro lado, a construção de laboratórios para testes é cara. A reconfiguração e compartilhamento são difíceis e eles são relativamente inflexíveis.

16 Virtualização O conceito de virtualização não é novo. Suas origens remetem ao início da história dos computadores, no final dos anos de 1950 e início de Nos anos 80 o conceito perdeu força devido a sua pouca utilidade, mas nos anos 90 com o crescimento do poder computacional o conceito da virtualização retornou, como por exemplo, na consolidação de servidores. A virtualização consiste em prover uma camada de software, o monitor, para dar suporte às instâncias de máquinas virtuais. A máquina virtual possui todos os recursos de uma máquina real e a virtualização garante o isolamento total da máquina hospedeira, isto é, a máquina com os recursos reais do computador, onde o monitor é executado, e também em relação às outras máquinas virtuais. Ao construir o sistema de virtualização são utilizados dois tipos de abordagens: Monitor clássico (ou nativo): O monitor é inserido entre o hardware e as máquinas virtuais. Na Figura 2.1 é possível observar a organização tradicional dessa abordagem [24]. Figura 2.1: Diagrama do monitor clássico. Monitor hospedado: O monitor é implementado como um processo de um sistema operacional real subjacente, chamado de sistema hospedeiro. Na Figura 2.2 é possível observar a organização tradicional dessa abordagem [24].

17 16 Figura 2.2: Diagrama do monitor hospedado. Outro ponto a ser analisado é a interposição da máquina virtual em diversas camadas do sistema, possibilitando a divisão de recursos de um computador em múltiplos ambientes de execução. Em relação a essa interposição, a virtualização tem três diferentes formas: Virtualização de hardware: A virtualização exporta o sistema físico como uma abstração do hardware. Nesse modelo, qualquer software escrito para a arquitetura (x86, por exemplo) irá funcionar. Esse foi o modelo adotado na década de 1960 para o VM/370 nos mainframes IBM e é a tecnologia utilizada pelo VMWare [30] na plataforma X86. Virtualização de sistema operacional: A virtualização exporta um sistema operacional como abstração de um sistema operacional específico. A máquina virtual executa aplicações, ou um conjunto de aplicações, de um sistema operacional específico. Exemplos dessa tecnologia são FreeBSD Jail [25] e User Mode Linux [26]. Virtualização de linguagens de programação: A camada de virtualização cria uma aplicação no topo do sistema operacional. Na prática, as máquinas virtuais nessa categoria são desenvolvidas para computadores fictícios projetados para uma finalidade específica. A camada exporta uma abstração para a execução de programas escritos para essa virtualização. Java [12] e Smalltalk [22] são exemplos desse tipo de máquina virtual.

18 17 A implementação de máquinas virtuais de sistema ou monitores pode ser obtida através de duas técnicas: virtualização completa ou paravirtualização [5,6]. A virtualização completa consiste em prover uma estrutura virtual completa do hardware, para que as o máquina virtual execute suas operações como se fosse o hardware original. As desvantagens dessa técnica são: A diversidade de dispositivos existentes, assim implicando na complexidade do monitor. Para amenizar essa desvantagem foi criado um conjunto de dispositivos genéricos (mouse, teclado, controladores IDE (Integrated Drive Electronics) e outros). Por se tratar de um sistema operacional não modificado, o monitor necessita testar as instruções executadas pelo sistema convidado, causando custo de processamento. O monitor necessita contornar alguns problemas técnicos devido a como cada sistema operacional é implementado. Um exemplo é o que a gerência de memória precisa fazer para que cada sistema convidado "sinta" que está no hardware original. Tecnicamente, isto não é um problema, mas tem um gasto de processamento para isso. A outra técnica, a paravirtualização, tem como intuito contornar as desvantagens da virtualização completa. Para isso, ela utiliza sistemas operacionais modificados para "chamar" o monitor sempre que for necessário, assim eliminando o teste das instruções sensíveis. Além disso, na paravirtualização os dispositivos de hardware são acessados por drivers do monitor. Uma desvantagem é que devido à modificação do sistema operacional, a portabilidade de sistema é reduzida Ferramentas de virtualização Atualmente existem inúmeras soluções para virtualização. Algumas das soluções de virtualização mais utilizadas serão apresentadas a seguir Xen O Xen [31] é um monitor desenvolvido pela Citrix Tecnologies sob a licença GPL para arquitetura x86, onde é possível utilizar a paravirtualização e virtualização

19 18 completa. Porém, para prover a virtualização completa é necessário o hardware com suporte à virtualização (Intel-VT ou AMD-V). Utilizando o modelo de monitor clássico, ele permite que os recursos de hardware sejam distribuídos dinamicamente entre as máquinas virtuais. As máquinas virtuais são denominadas Domain U e o próprio sistema operacional nativo (que é utilizado para gerenciamento) é referenciado como um Domain 0. Na Figura 2.3 é possível ver essa arquitetura. Figura 2.3: Arquitetura do Xen. O Xen é executado no sistema operacional GNU/Linux e virtualiza sistemas operacionais GNU/Linux e Windows VMWare O VMWare [30] consiste em um software de virtualização produzido pela VMWare Inc. que tem versões gratuitas com recursos limitados e versões comercial onde a maioria dos recursos estão ativos. Existe versões que usam monitor clássico, VMWare ESX e VMWare ESXi, e monitor incorporado, VMWare Player e VMWare Workstation. As principais diferenças entre o VMWare Player e VMWare Workstation está no fato da versão Workstation ser uma ferramenta que provê as principais funcionalidades para um sistema de virtualização como criar, modificar e executar uma máquina virtual enquanto o Player é apenas um executor de máquinas virtuais não permitindo realizar nada mais que isso. Ambos executam em Windows, Linux e

20 19 existe uma versão similar ao VMWare Workstation chamado VMWare Fusion que foi desenvolvida para Mac OS. Os sistemas operacionais Windows e GNU/Linux podem ser utilizados em máquinas virtuais. As principais diferenças entre o VMWare ESX e o VMWare ESXi está na arquitetura e no gerenciamento operacional do VMWare ESXi, alem da versão ESXi ser gratuita. O VMWare ESX conta com um sistema operacional Linux, chamado de console de serviço, para desempenhar algumas funções de gerenciamento, inclusive a execução de scripts e a instalação de agentes de terceiros para monitoramento de hardware, backup ou gerenciamento de sistemas. O terminal de serviço foi removido do VMWare ESXi. Desta forma, o gerenciamento é realizado por ferramentas de gerenciamento remoto VirtualBox O VirtualBox [28] é um software de virtualização que é desenvolvido pela Oracle e possui duas versões, uma versão disponibilizada como software livre utilizando licença GPL (GNU General Public Licence) e outra versão comercial onde 3 funcionalidades principais são adicionadas: inclusão do padrão RDP (Remote Desktop Protocol), utilização de dispositivos USB (Universal Serial Bus) sem necessidade de instalação de drivers na máquina host e utilização de dispositivos USB através do RDP. O Virtualbox não necessita de hardware de virtualização para prover uma virtualização total, como é necessário, por exemplo, para outras soluções como o Xen. A virtualização feita pelo Virtualbox executa todas as instruções em nível de usuário nativamente no processador. Isto é, se houver compatibilidade binária entre o sistema hóspede e o hospedeiro. As instruções em nível de sistema são interceptadas e executadas no hospedeiro através da técnica de tradução binária dinâmica. O VirtualBox é executado nos sistemas operacionais Windows, GNU/Linux, Mac OS X e possibilita a virtualização dos sistemas operacionais Windows e GNU/Linux.

21 Kernel-based Virtual Machine (KVM) Desenvolvido pela Qumranet Inc, o KVM (Kernel-based Virtual Machine) [15] consiste em adicionar a capacidade de virtualização no kernel do Linux através do reaproveitamento do código já escrito e as extensões de virtualização (Intel-VT ou AMD-V). Como o monitor das máquinas virtuais é integrado ao kernel, cada máquina virtual é um processo normal do sistema operacional onde seu acesso é provido através do módulo do KVM que realiza o papel de monitor. O módulo do KVM já esta incluído no kernel a partir da versão O KVM necessita do auxilio do QEMU para emular o processador das maquinas virtuais. Essa arquitetura pode ser visualizada na Figura 2.4. Figura 2.4: Arquitetura do KVM. O KVM é executado no sistema operacional Linux e virtualiza os sistemas operacionais Linux, Windows e FreeBSD e Solaris Comparação entre as ferramentas de virtualização A Tabela 2.1 apresenta uma comparação das soluções de virtualização. É possível identificar que todas as soluções apresentam pelo menus uma versão gratuita. Todas as ferramentas executam em sistema GNU/Linux e algumas em Windows ou Mac OS X, sendo que apenas o VirtualBox permite executar em Mac OS X gratuitamente.

22 21 Todos apresentam a virtualização completa como uma ou única técnica de virtualização utilizadas. A paravirtualização devido à necessidade de executar em um sistema operacional modificado só é encontrada em sistemas que executem em sistemas operacionais GNU/Linux. Tabela 2.1: Comparação entre as ferramentas de virtualização. Ferramenta Técnicas de Virtualização Características VirtualBox VmWare Player e Vmware WorkStation VmWare ESX e Vmware ESXi Xen KVM Monitor hospedado Virtualização completa Monitor hospedado Virtualização completa Monitor clássico Paravirtualização Virtualização completa Monitor clássico Paravirtualização Virtualização completa Monitor clássico Paravirtualização Virtualização completa Versão: Gratuito e pago. Executa em Windows, GNU/Linux, Mac OS X. Suporta máquinas virtuais com GNU/Linux e Windows. Versão: Gratuita (Vmware Player) e pago (Vmware Workstation) Executa em Windows, GNU/Linux e Mac OS X. Suporta máquinas virtuais com GNU/Linux e Windows. Versão: Gratuito (VmWare ESX) e pago (VmWare ESXi). Executa em GNU/Linux. Suporta máquinas virtuais com GNU/Linux e Windows. Versão: Gratuito e pago. Executa em GNU/Linux. Suporta máquinas virtuais com GNU/Linux e Windows. Versão: Gratuito. Executa em GNU/Linux. Suporta máquinas virtuais com GNU/Linux.

23 22 3 TRABALHOS RELACIONADOS Nesta seção são apresentadas algumas ferramentas utilizadas no ensino de redes de computadores. As ferramentas utilizam técnicas variadas, incluindo simulação e virtualização. Cada ferramenta é analisada e suas principais vantagens e desvantagens são descritas. 3.1 Virtual Environment for Learning Networking (VELNET) O Velnet foi desenvolvido na Universidade de Tecnologia e Informação de Sydney [14]. A ferramenta utiliza o software de virtualização VMWare WorkStation para criar uma rede virtual entre as máquinas virtuais que utilizam Windows Server NT e Windows XP como sistemas operacionais. A ferramenta disponibiliza uma interface gráfica simples que utiliza a técnica de drag-and-drop, que consiste em arrastar um dispositivo de uma lista para a área de criação da rede, além de permitir uma visualização da topologia da rede. A interface gráfica pode ser observada na Figura 3.1. Para acessar um dos dispositivos da rede que está sendo montado é necessário utilizar o Remote Desktop Display. Figura 3.1: Interface gráfica do Velnet com um exemplo de rede. A ferramenta apresenta um alto custo embutido pelo fato de utilizar software proprietário, como o VMWare WorkStation para criação das máquinas virtuais e o sistema operacional Windows utilizado em cada máquina virtual. Outra desvantagem

24 23 refere-se a alta demanda de recursos decorrente do uso de máquinas virtuais com o Windows. Utilizando como exemplo a construção de uma rede constituída de cinco dispositivos. Cada dispositivo necessitará de aproximadamente 3 GB de espaço em disco, ou seja, será necessário um total de 15 GB de espaço em disco para criar apenas uma pequena rede. 3.2 Packet Tracer O Packet Tracer foi desenvolvido pela empresa Cisco Systems [10]. A ferramenta foi desenvolvida com o propósito de auxiliar no estudo para certificação de CCNA (Cisco Certified Network Associate). O assunto abordado na certificação é a construção de redes, diagnóstico e reparos de erros no ambiente de redes de computadores. Conseqüentemente, essas funcionalidades são disponibilizadas pela ferramenta. A ferramenta foi desenvolvida baseando-se em uma interface gráfica simples e completa, executada tanto no Windows ou Linux. O Packet Tracer é um software bem leve para a grande quantidade de funcionalidades que ele disponibiliza. O ambiente de configuração é fiel ao funcionamento de dispositivos reais, na Figura 3.2 pode ser visto como funciona a configuração de um roteador. Essa ferramenta tem inúmeras funcionalidades, mas sua maior desvantagem é a utilização ser restrita apenas aos alunos das Academias Cisco. Figura 3.2: Exemplo da configuração de um roteador via linha de comando no Packet Tracer.

25 INetSim O INetSim foi desenvolvido por Helen Armstrong e Iain Murray da Universidade de Tecnologia da Austrália [3]. A ferramenta é um simulador de redes de computadores baseado em imagens que tem o foco no público com deficiência visual. A ferramenta foi desenvolvida para o sistema operacional Mac OS X Tiger juntamente com o leitor de telas VoiceOver. Desenvolvida em parceria com a empresa Cisco Systems, ela visa suprir as deficiências do material e das ferramentas desenvolvidas por esta empresa para certificação em CCNA. A Figura 3.3 mostra um exemplo da interface do inetsim. O texto na caixa mais escura no campo inferior mostra o que vai ser lido pelo VoiceOver. Essa ferramenta foi desenvolvida e testada na Academia Cisco para deficientes visuais da Universidade de Tecnologia da Austrália. A aplicação de testes nesta instituição, após a utilização desta ferramenta, possibilitou a comprovação da melhora na compreensão do conteúdo de redes de computadores. Uma limitação encontrada é o fato de a ferramenta ser compatível apenas com o Mac OS X Tiger, não contemplando o quesito de a aplicação ser multiplataforma, uma característica que é fundamental para uma ferramenta educacional. Figura 3.3: Funcionamento do sistema de figuras com o VoiceOver.

26 Virtual Network User Mode Linux (VNUML) O VNUML foi desenvolvido pela empresa Euro61X IST [8], sendo utilizado nos laboratórios da Universidade de Tecnologia de Madri. Ele permite a simulação de redes de computadores GNU/Linux utilizando o módulo de virtualização do próprio sistema operacional, denominada UML (User Mode Linux). A criação de uma topologia de rede no VNUML inicia-se com a especificação do arquivo de texto em formato XML, contendo as informações relativas aos componentes da mesma. Dentre as vantagens dessa ferramenta está o grande desempenho alcançado, tendo em vista que se conseguiu realizar, sem dificuldades, a execução de uma rede de 50 dispositivos em uma máquina com configuração simples (processador Pentium IV 2.8 GHz e com 1 GB de memória RAM). Outra vantagem relevante é o fato da ferramenta utilizar uma licença de software livre, permitindo sua instalação e utilização em larga escala. O fato da montagem e configuração de informações iniciais da rede ser feita através de um arquivo em texto em formato XML implica em uma maior abstração, dificultando a visualização da rede que está sendo executada. Outro problema é que o VNUML permite somente a utilização de imagens do sistema operacional GNU/Linux, não permitindo, por exemplo, utilizar imagens de roteadores comerciais. 3.5 The Georgia Tech Network Simulator (GTNETS) O GTNetS foi desenvolvido por George F. Riley [21] do Instituto de Tecnologia da Georgia. O trabalho consiste em uma biblioteca para linguagem C++ para simular redes de larga escala. A criação de uma rede é similar a criação de um programa, utilizando o paradigma de orientação a objetos, através da criação de instâncias de objetos a partir das classes contidas nesta biblioteca. Este trabalho não visa competir com outras ferramentas similares, mas simplificar a tarefa de simular redes de larga escala que podem ser muito complicado em outras ferramentas. A principal finalidade desta biblioteca é o teste de protocolos em fase experimental. Esta biblioteca possui suporte para simulações distribuídas em uma rede de estações de trabalho, permitindo uma alta escalabilidade. Dentre as classes que

27 26 compõem esta biblioteca, existem diversos elementos de redes de computadores reais pré-definidos. Para sua utilização é necessário o conhecimento, em um nível intermediário, dos conceitos e sintaxe da linguagem de programação C++. Após a implementação do código necessário para a criação da topologia da rede existe uma grande dificuldade de visualizar a topologia, não sendo muito intuitivo. Para simular redes de computadores em grandes escalas são necessários poderosos computadores. 3.6 NetKit O NetKit foi desenvolvido por Maurizio Pizzonia e Massimo Rimondini [19] do Departamento de Ciência da Computação e Automação da Universidade da Roma. A ferramenta possui a finalidade de criar e realizar experimentos de rede de computadores com baixo custo e pouco esforço. Utilizando o UML (User Mode Linux) é possível criar redes de milhares de dispositivos em um único computador. Para a construção das redes virtuais é utilizado uma linguagem baseada no XML, chamada de NetML. A facilidade de construção de redes de computadores em larga escala é uma de suas principais vantagens. Outra vantagem é a resolução de muitas das dificuldades técnicas que o usuário pode ter na utilização de UML para a criação de uma rede de computadores. Seu pacote de instalação é de fácil utilização e a ferramenta possui a capacidade de configuração dos dispositivos através de terminais que simulam os equipamentos reais, como pode ser observado na Figura 3.4. A ferramenta utiliza arquivos de configuração que são idênticos aos utilizados por ferramentas de rede reais. Figura 3.4: Exemplo de console de um dos dispositivos.

28 27 A criação do arquivo que descreve a topologia é de difícil manutenção e entendimento após sua definição. Não é possível de maneira clara a visualização da rede criada, a não ser com a utilização de ferramentas auxiliares para a criação de imagens que definem a topologia implementada. 3.7 Graphical Network Simulator 3 (GNS3) O GNS3 [2,9] é um simulador gráfico de redes de computadores que permite simular topologias complexas. Para realizar a simulação ele utiliza três módulos: Dynamips: permite a emulação dos sistemas operacionais dos roteadores Cisco. Dynagen: Front-end para o Dynamips. Qemu: uma máquina virtual de licença livre. O GNS3 propõe a integração destas diferentes ferramentas em uma interface gráfica amigável, como é demonstrado na Figura 3.5. Ele é uma ferramenta completa que permite administradores de rede ou iniciantes aprofundarem seus estudos e conquistar as certificações Cisco. Ele pode ser usado como laboratório para testar as configurações antes de aplicá-las em um ambiente de produção real. Ele é disponibilizado para diversas plataformas, como Windows, GNU/Linux e Mac OS. Ele permite as emulações de roteadores e firewall PIX Cisco, e simula de forma simples redes Ethernet e ATM (Asynchronous Transfer Mode). Ele possibilita salvar e recuperar as informações a partir de arquivos no formato Dynagen e exportar imagens, da captura de tela, nos formatos: JPEG (Joint Pictures Expert Group), PNG (Portable Network Graphics), BMP (Bitmap) E XPM (X Pixmap). Figura 3.5: A interface gráfica do GNS3 com um exemplo de rede.

29 28 A principal desvantagem desta ferramenta é a alta quantidade de recursos computacionais que ela consome como tempo de processamento e espaço da memória RAM. Esta ferramenta necessita de máquinas bem equipadas, e conseqüentemente mais caras, para ser utilizada de maneira satisfatória. 3.8 Network Simulator (NS) O Network Simulator (NS) [16,17] é um simulador de eventos discretos orientado para a simulação de redes de computadores, que pode ser executado em Windows, Linux ou Mac OS. Alguns recursos fornecidos são: simulação de TCP, roteamento e protocolos multicast sobre redes wired (com fio) e wireless (sem fio). Construído e mantido por diversos grupos de pesquisadores foi desenvolvido em C++ e OTcl [18], linguagem de script TCL orientada a objetos, assim sendo um software orientado a objetos. O usuário descreve uma topologia de rede, escrevendo scripts OTcl, e então o NS simula a topologia com os parâmetros especificados. A versão 3 do NS (NS3) é a terceira geração dos simuladores NS onde muitas deficiências da versão 2 (NS2) foram corrigidas e adicionado o suporte à linguagem de programação Python. 3.9 Comparação entre as ferramentas A Tabela 3.1 apresenta uma comparação das ferramentas estudadas em relação à técnica utilizada e principais características. Acreditando que uma ferramenta ideal para a utilização por alunos deveria possuir uma interface que possibilite a visualização da topologia a ser utilizada em uma aula de laboratório, tanto para facilitar o entendimento na hora de explicações, como para relembrar futuramente. A falta dessa possibilidade de visualização gráfica é o principal problema nos trabalhos VNUML, GTNetS, NetKit e NS. Além disso, também é importante que a ferramenta possa ser utilizada em diversos tipos de ambiente, sem depender de uma configuração específica. O VNUML e o NetKit requerem a execução em um sistema Linux com o módulo UML (User Mode Linux) habilitado. Isso acaba impedindo a sua utilização em outros sistemas operacionais.

30 29 Para ser utilizada em universidades e outras instituições de ensino, a ferramenta deve preferencialmente utilizar uma licença livre, possibilitando a instalação da mesma tanto em laboratórios da própria instituição, quanto nos computadores pessoais dos alunos. Ferramentas como o Packet Tracer, Velnet e INetSim não satisfazem este requisito. O GNS3 possui um empecilho semelhante que está ligado a sua dependência por uma imagem de roteador proprietário. Isto é, a sua necessidade de utilização de uma IOS (Internetwork Operating System) da Cisco. Tabela 3.1: Comparação entre as ferramentas apresentadas. Ferramenta Técnica abordada Características Velnet Virtualização Pago. Executa em Windows. Interação via interface gráfica. Implementa redes de baixa escala. Foco: Ensino de redes de computadores. Packet Tracer Simulação Uso restrito. Executa em Windows e Linux. Interação via interface gráfica. Implementa rede de grande escala. Foco: Ensino de redes de computadores. INETSim Simulação Uso restrito. Executa em MacOS. Interação via interface gráfica. Implementa redes de grande escala. Foco: Ensino de redes de computadores para deficientes visuais. VNUML Virtualização Livre. Executa em Linux. Interação através de arquivo. Implementa redes de grande escala. Foco: Pesquisa de redes de computadores. GTNetS Simulação Livre. Não foram identificados possíveis sistemas operacionais. Interação através de programação em C++. Implementa redes de grande escala. Foco: Pesquisa em rede de computadores. NetKit Virtualização Livre. Executa em Linux. Interação através de arquivo. Implementa redes de até grande escala. Foco: Pesquisa em rede de computadores. GNS3 Virtualização Livre. Executa em Windows, Linux e MacOS. Interação via interface gráfica. Implementa redes de média escala. Foco: Ensino de redes de computadores.

31 30 Network Simulator (NS) Simulação Livre. Executa em Windows, Linux e MacOS. Interação através de programação em C++ ou Python. Implementa redes de grande escala. Foco: Pesquisa em rede de computadores. Logo, algumas das funcionalidades que direcionaram a implementação do VNetLab são: interface gráfica para interação com o usuário, flexibilidade para criação de diversos tipos de cenários, suporte a topologias de até médio porte e possibilidade de ser utilizado em múltiplas plataformas. A próxima seção descreve a arquitetura, implementação e funcionamento do VNetLab.

32 31 4. DESCRIÇÃO DO VNETLAB Esta seção destina-se a apresentação da ferramenta VNetLab. Serão apresentadas informações que englobam desde a idealização da ferramenta até a sua implementação. A seção visa também apresentar os outros sistemas e bibliotecas utilizados para compor o VNetLab. As informações relativas às definições e escolhas realizadas durante o processo de pesquisa serão apresentadas detalhadamente. 4.1 MOTIVAÇÃO As disciplinas relacionadas a redes de computadores geralmente utilizam aulas práticas, que são complementares as aulas teóricas. Estas aulas práticas possibilitam aos alunos um melhor entendimento dos conceitos abordados em sala de aula. As aulas práticas são geralmente realizadas em laboratórios dedicados, onde o aluno tem direitos de administrador. A criação e a manutenção de laboratórios de redes de computadores exigem um grande esforço por parte dos envolvidos. Esta característica está ligada ao fato de um laboratório de redes requerem algumas particularidades que não são iguais as de um laboratório de computadores comum. Exemplos destas particularidades são: acesso como administrador, possibilidade de reconfiguração da rede e disponibilidade de mais de uma máquina para cada aluno. Logo, torna-se necessário um laboratório dedicado para redes de computadores. Entretanto, a criação de um laboratório requer uma nova demanda de espaço físico e a compra ou realocação de máquinas para este local. Estes fatos acabam muitas vezes impossibilitando a construção de laboratórios dedicados a redes de computadores. Conforme apresentado em pesquisa realizada com a ferramenta Packet Tracer da Cisco [10] é comprovada a melhoria no aprendizado do aluno de até 12% em suas notas. O estudo indica que a ferramenta facilita o ensino e demonstração dos fundamentos de rede de computadores, bem como a rapidez da montagem de cenários para testes e experimentos.

33 DESCRIÇÃO O VNetLab é uma ferramenta de apoio para o ensino de redes de computadores que através da virtualização permite criar, executar e analisar os mais diversos tipos de cenários que podem se encontrados em uma rede de computadores. A ferramenta utiliza o software VirtualBox e a linguagem Java, que por serem multiplataforma, permitem o uso da ferramenta em diversos sistemas operacionais como: GNU/Linux, Windows e Mac OS. A arquitetura do VNetLab é composta por 3 módulos. Estes módulos são: módulo de interface com o usuário, módulo de descrição da topologia e módulo de controle de máquinas virtuais. 4.3 ARQUITETURA Com o intuito de facilitar a construção do sistema, planejou-se diferentes módulos a serem implementados. Cada módulo é responsável por funcionalidades específicas. Esta modularização tem como objetivo permitir, futuramente, uma possível substituição dos módulos existente para o acréscimo de funcionalidades ou mudança nos processos de cada funcionalidade. Cada módulo é responsável por uma funcionalidade específica e, portanto, possui características próprias. Os seguintes módulos foram definidos: Módulo de interface com o usuário: responsável por interagir graficamente com o usuário, possibilitando inserir e remover objetos na topologia. Estes objetos são representados pelas figuras dispostas no painel de componentes e estão vinculados a determinado template que representa esta figura. Com este módulo também é possível a configuração dos elementos inseridos na topologia. Módulo de descrição da topologia: responsável por salvar e abrir os arquivos de projetos criados pelo usuário através do módulo gráfico, com dados relativos à topologia e seus elementos. Módulo de controle das máquinas virtuais: tem como principal funcionalidade o controle e monitoramento das máquinas virtuais criadas na topologia. Outra funcionalidade é a criação fisicamente da

34 33 topologia, com a ocupação de memória em disco, assim como o início das mesmas e visualização do console da máquina. A Figura 4.1 apresenta graficamente estes módulos. As setas representam as trocas de informações entre eles. Figura 4.1: Módulos do VNetLab e a comunicação entre eles. As próximas subseções descrevem com maiores detalhes os módulos apresentados. Para todos os módulos serão demonstradas as escolhas realizadas no processo de pesquisa para implementar as características pertencentes a cada um Módulo de Interface com o Usuário O módulo de interface com o usuário pode ser considerado como um dos principais do sistema, pois através dele que o usuário consegue interagir e criar suas topologias. As ações do usuário na construção destas topologias serão basicamente o processo de clicar e arrastar os elementos de rede. Estes elementos estão disponíveis no painel de componentes e podem ser inseridos no painel da topologia. No painel da topologia poderão ser definidas as ligações através de cabos de rede entre os componentes adicionados na topologia. Através da interface é possível realizar as seguintes operações:

35 34 Manipulação de projetos: a interface permite criar novos projetos, salvar os dados do projeto atual e abrir um projeto salvo anteriormente. Em cada projeto constam dados relativos a topologia criada e as configurações de cada elemento de rede. Este arquivo inclui também os diretórios onde foram criadas as máquinas virtuais correspondentes a topologia. Manipulação de elementos de uma topologia: a manipulação dos elementos da topologia é realizada através do mecanismo de dragand-drop. Os elementos de rede, presentes em uma paleta de opções, são arrastados para a imagem da topologia. Posteriormente, estes componentes podem ser ligados através de linhas que representam conexões de rede. Controle da simulação: a interface permite controlar a execução da simulação através de operações que permitem inicializar ou parar cada elemento da topologia. Também é possível realizar o salvamento da execução corrente dos elementos para posterior restauração. Interação com os elementos da topologia: após realizar a inicialização de um elemento de rede, é possível interagir com o mesmo através de uma janela que representa a interface da máquina virtual que representa o elemento. O desenvolvimento deste módulo foi realizado através da linguagem de programação orientada a objetos Java. A escolha desta linguagem é dada pela sua característica principal de ser independente de arquitetura ou sistema operacional. A linguagem fornece uma grande quantidade de componentes de interface gráfica e diversas bibliotecas que facilitam o processo de desenvolvimento. Após uma pesquisa por bibliotecas que possibilitassem a construção da interface pretendida, encontrou-se a biblioteca JGraph [13]. A biblioteca JGraph possui uma versão de licença livre chamada JGraphX. Esta biblioteca utilizada os elementos já existentes no pacote swing do Java para permitir a criação de grafos editáveis. A utilização da biblioteca é bastante intuitiva, principalmente quando utiliza-se os exemplos disponibilizados junto com seu código fonte. Durante a análise destes exemplos, verificou-se que um deles apresentava algumas das operações a serem

36 35 executadas pelo VNetLab. Este exemplo representava um editor gráfico, onde era possível incluir imagens em um painel a partir de uma palheta de imagens prédefinidas. A inserção destas imagens era feita pelo processo de clicar e arrastar as imagens para o painel central. Este exemplo de editor gráfico serviu como base para construção da ferramenta. Muitas das funcionalidades deste editor foram retiradas, e muitas outras foram inseridas. As funcionalidades inseridas são relacionadas com o controle dos elementos da topologia. A interface gráfica é composta de diversos componentes. Cada componente tem suas características e funcionalidades específicas. A barra de menus no topo da janela permite operações básicas sobre os projetos criados com a ferramenta. O menu Configure permite configurar pastas importantes para a execução da ferramenta, como por exemplo a pasta de instalação do VirtualBox. A Figura 4.2 apresenta esta barra de menus. Figura 4.2: A barra de menus. A barra de ferramentas, apresentada na Figura 4.3, localiza-se logo a baixo da barra de menus, permite acesso rápido as funções mais utilizadas da ferramenta como abrir e salvar projetos. Entretanto, os botões mais importantes nesta barra são os botões de Execute e Stop. O botão de Execute é responsável pela criação e execução das máquinas virtuais. Já o botão Stop é responsável por parar a execução de todas as máquinas criadas. Figura 4.3: A barra de ferramenta. Cada imagem na palheta Elements, localizada bem a esquerda na janela, representa um dos elementos que podem ser criados pelo VNetLab. Para adicionar estes elementos, basta clicar em cima da figura do elemento pretendido e arrastá-lo para o painel central. A Figura 4.4 apresenta esta palheta de elementos. Figura 4.4: A palheta de elementos.

37 36 O painel abaixo da palheta de elementos permite uma navegação rápida, onde o usuário pode escolher o local que quer visualizar da topologia criada. Esta navegação é interessante, principalmente, quando se cria uma topologia muito extensa. A Figura 4.5 apresenta este painel de navegação. Figura 4.5: O painel de navegação. O painel central, ilustrado na Figura 4.6, representa a topologia criada no projeto. Todos os elementos que nele estão podem ser movidos, ou excluídos. Ao clicar-se sobre um elemento, aparecerá um pequeno quadrado. Este quadrado permite criar uma conexão através de cabo de rede para outros elementos da topologia. Ao estabelecer uma conexão, é necessário escolher as interfaces de rede utilizadas nesta conexão. Figura 4.6: O painel central. Ao clicar sobre um elemento, seus dados são apresentados no painel localizado a direita na janela. Neste painel, apresentado na Figura 4.7 é possível ver informações relativas a máquina virtual criada e suas configurações. O painel exibe também a conexão de cada interface de rede que os elementos possuem. Figura 4.7: O painel de dados de um elemento.

38 37 Outras operações possíveis sobre um elemento são disponibilizadas ao clicarse sobre o elemento com o botão direito do mouse. Ao executar este clique sobre o elemento um pequeno menu é apresentado. Este menu possibilita parar ou continuar a execução de um elemento específico e mostrar ou esconder o terminal de controle deste elemento. A Figura 4.2 apresenta a interface gráfica do VNetLab completa, com a junção de todos os seus componentes. Figura 4.8: A interface gráfica do VNetLab Módulo de descrição da topologia O módulo de descrição da topologia é responsável por salvar e abrir os arquivos de cenários criados pelo usuário através do módulo gráfico, com dados relativos a topologia e seus elementos. As informações são salvas em um arquivo XML guardando informações a respeito da topologia, incluindo a posição na tela dos elementos, imagens de máquina virtual vinculadas a cada elemento e configuração das máquinas virtuais. Após a criação gráfica da topologia é desejável possibilitar o salvamento das informações criadas, para posteriormente editá-la novamente. Este módulo tem justamente a função de executar as ações de salvar e recuperar as informações da topologia configurada.

39 38 Todas as configurações dos elementos criados são salvas conjuntamente, inclusive o posicionamento dos mesmos no painel da topologia. Outra informação salva é a identificação de qual template está vinculado a determinado elemento. Este template é um modelo de máquina virtual com determinadas configurações préestabelecidas. Mais detalhes serão apresentados na descrição do módulo de controle de máquinas virtuais, na Seção O arquivo a ser criado deve conter, também, se a topologia já foi construída fisicamente, em disco, e em que diretório encontram-se as máquinas virtuais correspondentes. Uma conhecida forma de criar arquivos de configuração é através de arquivos XML (extensible Markup Language, ou Linguagem Extensível de Marcação) sendo utilizada por diversas aplicações. A XML [32] permite que se defina a estrutura lógica para diferentes documentos. Uma das características do padrão XML é que a estrutura do documento, seu conteúdo e sua forma de apresentação são independentes, sendo que cada um destes pode ser definido pelo usuário. Desta forma o mesmo oferece maior flexibilidade para desenvolver páginas e personalizá-las. A estrutura de um documento XML é definida através de um DTD (Document Type Definition). No DTD são declarados quais tipos de elementos podem existir no documento, que atributos cada um desses tipos de elementos pode ter, e como instâncias destes tipos de elementos podem ser relacionadas hierarquicamente. Um DTD é uma linguagem específica, que define uma classe de documentos de modo que várias instâncias de documentos podem compartilhar um DTD. Este é um padrão utilizado mundialmente e por esta razão foi definido como o formato a serem salvos os dados relativos às topologias, assim como as configurações do sistema. O formato possibilita que usuários alterem dados simplesmente alterando algumas linhas no arquivo XML, se desejarem e conhecerem a arquitetura do arquivo. Inicialmente seria definida uma biblioteca Java para manipular arquivos XML. Entretanto, durante o processo de aprendizado da biblioteca JGraph percebeu-se que a mesma salva os dados em um arquivo XML próprio. Neste XML são salvos os dados relativos as imagens adicionadas. Para cada imagem são armazenadas a figura que a representa, as dimensões dessa figura e seu posicionamento no painel de edição. Logo, como metade dos dados planejados para serem salvos já se encontrava no arquivo XML do JGraph, decidiu-se pela utilização deste arquivo.

40 39 O próximo passo foi encontrar a maneira de inserir os dados referentes aos elementos da topologia, como template e interfaces de redes utilizadas, neste arquivo XML. Partindo do princípio de que todos os elementos manipulados pelo JGraph são encapsulados em um objeto da classe mxcell. Cada mxcell possui internamente um objeto da classe mxgeometry que armazena o posicionamento do objeto no painel de exibição. Novamente, examinando os exemplos descobriu-se a existência do atributo value na classe mxcell, onde inicialmente era armazenado somente um texto com o nome do objeto. Para salvar os objetos que representam os elementos da topologia é necessário apenas registrar a classe a qual ele está vinculado no JGraph. O processo de vincular essas classes é simples, basta fazer uma chamada para um método estático da classe Registry do JGraph. Após este registro, o JGraph já sabe como salvar as classes criadas em formato XML. A Figura 4.9 representa o arquivo XML referente a topologia apresentada na Figura 4.8. Na primeira linha está identificado o objeto do JGraph onde são armazenados os objetos da classe mxcell, o mxgraphmodel. Logo em seguida, na segunda linha, aparece o elemento tido como a raiz do arquivo. Os dois primeiros elementos da classe mxcell são elementos reservados do JGraph para salvar configurações especificas que no caso não são utilizadas pelo VNetLab. O terceiro elemento da classe mxcell, na quinta linha representa o elemento roteador com o nome de Router_2. Internamente ao mxcell pode-se ver uma nova tag com o nome de Router que representa classe Router. A classe Router possui um vetor contendo as interfaces de rede do elemento. Essas interfaces de rede são representadas pela tag Interface. Essas interfaces de rede são representadas pela tag Interface. Na linha 17, inicia a representação do segundo roteador, denominado Router_3, com sua respectiva configuração. O último elemento da classe mxcell, apresentado na linha 29, representa a ligação entre os dois roteadores. Percebe-se a existência dos atributos source e target, que indicam respectivamente a origem e o destino da conexão.

41 40 Figura 4.9: O arquivo XML utilizado pelo VNetLab com a configuração do projeto da Figura Módulo de Controle das Máquinas Virtuais O módulo de controle das máquinas virtuais é responsável pelo gerenciamento das máquinas virtuais correspondentes aos elementos criados na topologia. Ele possibilita a criação de novas instâncias de máquinas virtuais, assim como o monitoramente das mesmas. A visualização e acesso ao terminal das máquinas virtuais também é função deste módulo. O sistema de virtualização VirtualBox foi escolhido para implementação desse módulo. O principal ponto forte do VirtualBox está vinculado a seu tipo de licença, possuindo uma distribuição livre que está disponível para múltiplas plataformas e múltiplos sistemas operacionais. O sistema a ser desenvolvido também tem como objetivo ser de distribuição livre e executado em diversas plataformas. Outro ponto

42 41 importante, para essa escolha da ferramenta, foi o tipo de instalação utilizado pelo VirtualBox. Ele pode ser instalado em nível de usuário, sem a necessidade de mudanças na máquina destino. O VirtualBox possibilita a configuração de redes internas de maneira facilitada, o que é interessante para a ferramenta a ser criada. Ele, também, possibilita operações básicas de manipulação das máquinas virtuais como: criar, executar, parar e reiniciar máquinas virtuais de maneira simples. Essas características foram determinantes na escolha do VirtualBox. A comunicação com VirtualBox e possível de diferentes formas, tais como Web Services e utilização de API na linguagem de programação Python. Existe ainda a ferramenta VBoxManage que fica no diretório de execução do VirtualBox. Esta ferramenta possibilita a criação e manutenção de máquinas virtuais de maneira simples e eficiente. As instruções para o controle do VirtualBox são feitas através linha de comando, informando parâmetros para o programa de acordo com a operação executada. O VBoxManage [29] chama atenção pela simplicidade de seus comandos e pela facilidade no controle das máquinas virtuais. Ele está incorporado em todas as versões do VirtualBox, com a mesma sintaxe. O VirtualBox permite a criação de máquinas virtuais a partir de uma imagem de instalação de sistema operacional ou através de imagens com sistema operacional e aplicações pré-configuradas. Estas imagens são chamadas de templates. Estes templates permitem a criação mais rápida das máquinas que compõem uma topologia, pois não é necessário a criação passo a passo de uma máquina virtual. Não sendo necessária uma nova instalação do sistema operacional e configuração da máquina virtual. Cada elemento disponibilizado para criação da topologia na ferramenta será vinculado a um template, para ter sua criação pelo VirtualBox Elementos de redes de computadores Uma das funcionalidades previstas pela ferramenta é a criação de elementos tipicamente encontrados em topologias de redes de computadores. Os elementos suportados atualmente pelo VNetLab são: computadores, servidores, switches e roteadores. Alguns destes elementos são criados a partir de templates, enquanto outros utilizam recursos disponíveis no sistema de virtualização.

43 42 Um template é uma imagem contendo um sistema operacional instalado e aplicações pré-configuradas. Os templates permitem a criação rápida das máquinas virtuais que compõem uma topologia com uma configuração pronta, evitando a instalação manual da máquina virtual. Desta maneira, os templates do VNetLab são máquinas virtuais pré-definidas com sistema operacional e programas específicos, de acordo com a finalidade desta máquina virtual. Eles são utilizados durante o processo de criação, em disco, da topologia, tornando mais rápido este processo. Ou seja, no momento que o usuário indicar que deseja construir fisicamente a topologia criada graficamente define-se quais máquinas virtuais deverão ser criadas e repassadas para o módulo de controle das máquinas virtuais. O VNetLab salva as máquinas virtuais criadas, no diretório onde está salvo o projeto utilizado Elemento de rede switch Os switches são criados logicamente, não fisicamente, pela ferramenta de gerenciamento de máquinas virtuais escolhida, o VirtualBox. Para definir-se um switch é necessário a criação de uma rede interna, definindo-se um nome para a mesma. Após definir o nome desta rede, basta que as máquinas virtuais estejam na mesma faixa de endereços IP para que eles consigam se comunicar como se estivessem conectadas por um switch lógico. O VNetLab não permite, atualmente, a conexão entre dois switches. Essa restrição deve-se justamente a característica do mesmo ser criado logicamente. Logo, para ligar dois switches seria necessária a criação de mais uma rede interna para estabelecer uma ligação ponto a ponto com os dois elementos Computadores e servidores Os computadores e servidores de serviços são representados através de máquinas virtuais com uma distribuição GNU/Linux instalada. A diferença entre estes dois elementos da rede são os programas instalados nas máquinas virtuais. Os servidores possuem determinados programas mais complexos do que um simples computador pessoal.

44 43 A distribuição GNU/Linux corresponde ao sistema operacional a ser utilizado dentro das máquinas virtuais e, conseqüentemente, nos templates das mesmas. Com o objetivo de permitir a criação de topologias de maior escala, decidiu-se fazer uma análise de mini-distribuições GNU/Linux. A utilização de uma mini-distribuição tem como objetivo central possibilitar uma menor utilização de memória RAM, mas garantindo uma interação satisfatória com os usuários. As mini-distribuições são versões minimalistas do GNU/Linux para serem utilizadas em máquinas com poucos recursos. Apesar da existência de diversas mini-distribuições, a grande maioria utiliza pacotes de software desatualizados e não possui suporte ativo. As características procuradas na mini-distribuição utilizada pela ferramenta são: utilização da menor quantidade de espaço em disco e memória RAM quanto possível, utilização de um kernel atualizado do GNU/Linux e existência de pacotes atualizados em seu repositório. Dentre as buscas realizadas encontrou-se uma distribuição que chamou bastante a atenção tanto por seus atributos e, como por sua comunidade ativa. O Projeto SliTaz GNU/Linux é uma distribuição leve e fácil de usar que traz aplicativos para as tarefas mais comuns. Como pontos fortes, podem ser citadas sua leveza e funcionalidade de sua interface e a facilidade de sua personalização, com a inserção de pacotes, além da existência de documentação nativa em português. O SliTaz [23] é uma distribuição minimalista e extensível. Ela foi desenvolvida a partir do zero para trabalhar completamente em RAM em modo Live CD/USB. Contudo, pode ser instalada em um disco rígido como qualquer outra distribuição. A versão atual desta distribuição possui um kernel GNU/Linux novo, a versão A imagem da versão atual possui 30 MB, sendo necessário cerca de 100MB de RAM para a execução do livecd, porém esta quantidade cai para cerca de 64 MB de RAM quando instalada. Existem ainda outras versões disponíveis no repositório do projeto, como por exemplo, a que contém apenas a base do projeto, sem ambiente gráfico. Esta versão possui apenas 8MB de tamanho e utiliza cerca de 32MB de RAM. Embora o SliTaz seja desenvolvido para computadores com hardware de baixo desempenho, ele tem um nível de suporte a hardware semelhante ao de outras distribuições maiores. O SliTaz oferece em torno de pacotes de software.

45 44 O template, construído utilizando o Slitaz, que representa o elemento computador pessoal ocupa atualmente 40 MB de disco. Entretanto, quando instalado na máquina do usuário seu tamanho aumenta para 133 MB de disco. O template que representa o elemento servidor ocupa aproximadamente 100 MB de espaço em disco. E quando instalado, este espaço passa para 250 MB de espaço em disco. Para todos os templates criados, a quantidade de memória RAM utilizada é a mesma. O valor de 64 MB de RAM se mostrou satisfatório para todos os elementos de rede Elemento roteador A melhor maneira de representar o elemento roteador seria a instalação nas máquinas virtuais da imagem real de um roteador. Contudo, não foram encontradas imagens de roteadores disponíveis gratuitamente para serem executados em máquinas virtuais. Desta maneira, torna-se necessária a utilização de um sistema que permita a simulação de um roteador. Este sistema deverá ser instalado dentro de uma máquina virtual que esteja executando a micro-distribuição escolhida. A máquina virtual terá instalado o SliTaz com o mínimo de recursos instalados quanto o possível. Para simular o elemento roteador, é utilizado um sistema de licença livre bastante conhecido, chamado Quagga. O Quagga [20] é uma suíte de software de roteamento, que fornece a implementações de protocolos como: OSPFv2, OSPFv3, RIP v1 e v2, e RIPv3 BGPv4 para plataformas Unix. Ele é uma versão do GNU/Zebra. A escolha pelo Quagga se deve ao fato dele possuir módulos que possibilitam uma ótima simulação de um roteador real, com a execução de comandos específicos que se assemelham aos comandos realizados para a configuração de roteadores reais. A instalação do Quagga no Slitaz exigiu a instalação de outros módulos que o mesmo dependente. Estas dependências causaram o aumento significativo no tamanho do template do elemento roteador. O template do elemento roteador ocupa 250 MB em disco. Contudo, após a sua utilização para criar uma máquina virtual este valor passa para cerca de 500 MB. Essa imagem pode ter o seu tamanho

46 45 diminuído com a desinstalação de módulos do Slitaz desnecessários para este elemento. 4.4 IMPLEMENTAÇÃO O VNetLab foi desenvolvido utilizando o paradigma de programação orientado a objetos, permitindo a consolidação de conceitos estudados durante o curso de Ciência da Computação. Desta maneira, a modelagem apresenta, também, diagramas UML para explicitar os requisitos necessários no processo de desenvolvimento do sistema. Os diagramas apresentados a seguir são os seguintes: diagrama de pacotes, diagrama de classes e diagrama de atividades. Com o diagrama de pacotes é possível verificar dependências entre os mesmos e possivelmente o que deve ser desenvolvido prioritariamente O diagrama de classes possibilita uma melhor visualização da estrutura a ser utilizada no sistema. O diagrama de atividades permite ver de maneira detalhada a interação entre os módulos do sistema. A hierarquia de pacotes criados segue o mesmo principio de implementar o sistema em módulos. Basicamente, cada pacote criado corresponde a um dos módulos do VNetLab. Outros pacotes também foram criados com o intuito de separar as classes por suas funcionalidades. A Figura 4.10 apresenta o diagrama de pacotes e as dependências entre os pacotes, representadas pelas setas tracejadas. Figura 4.10: Diagrama de pacotes e suas dependências. O diagrama de atividades apresentado na Figura 4.11 demonstra o fluxo de interação entre os módulos do VNetLab. O fluxo apresentado refere-se ao processo de abrir o programa, incluir elementos na topologia criada, executar esta topologia, abrir o terminal de um dos elementos, parar a topologia e fechar o programa. As

47 46 raias representam o usuário e os diferentes módulos do sistema. As pequenas caixas são ações realizadas. As setas representam o fluxo entre estas atividades. Os círculos representam o ponto de início e de fim do fluxo. Os losangos representam pontos de decisão, onde um dos caminhos pode ser tomado de acordo com a decisão tomada no momento. Figura 4.11: Diagrama de atividades da criação de uma topologia.

48 Pacote Elements As classes que compõem o pacote Elements caracterizam os elementos de rede que podem ser criados na topologia, como roteadores. Todos estes elementos partem de uma classe base que agrupa as principais características existentes nestes elementos. Todos os elementos herdam as características da classe Element. Existe ainda a classe Interface, que representa uma interface de rede que está ligada a uma determinada rede. A Figura 4.12 apresenta as classes que compõem este pacote. Figura 4.12: Pacote Elements Pacote UI O pacote UI contém as classes responsáveis pelo gerenciamento da interface com o usuário do sistema, possibilitando a inserção e manipulação gráfica dos elementos da rede. Este pacote representa o módulo de interface com o usuário. O pacote UI possui dois sub-pacotes que agrupam imagens e arquivos de configuração.

49 48 A origem deste pacote está fortemente ligada a biblioteca JGraph, pois boa parte das classes foram reaproveitadas de exemplos desta biblioteca. Os subpacotes Images e Resources já existiam nos exemplos analisados da biblioteca. A Figura 4.13 apresenta o pacote UI. Figura 4.13: Pacote UI Sub-pacote Editor Este sub-pacote é composto de classes que em sua grande maioria representam componentes gráficos do Java customizados. A maioria das classes são painéis. Estes painéis são incluídos dentro da janela principal do VNetLab. A janela principal é composta por três painéis. O painel de paleta apresenta os ícones dos elementos que podem ser inseridos na topologia. O painel de configurações possibilita a configuração de determinado elemento da rede. O painel de topologia é o local onde os ícones da topologia estão apresentados graficamente. Existe ainda a janela de configuração onde é possível configurar os diretórios utilizados pelo sistema. Todas as classes são controladas por uma classe principal que tem a funcionalidade de um gerenciador. O pacote e as classes que o compõem estão apresentados na Figura 4.14.

50 49 Figura 4.14: Sub-pacote Editor Sub-pacote Images O sub-pacote Images possui todas as imagens utilizadas no VNetLab. As imagens são utilizadas em menus, botões e até mesmo nos objetos que representam os elementos da topologia Sub-pacote Resources No sub-pacote Resources estão localizados arquivos de configurações da biblioteca JGraph. Estes arquivos já existiam nos exemplos fornecidos pela

51 50 biblioteca. Os arquivos são responsáveis por armazenarem configurações estabelecidas, previamente, para a execução da biblioteca de maneira que permita a manipulação de objetos nos formato de imagens Pacote Manager As classes que compõem este pacote são responsáveis pelo gerenciamento e controle das classes dos outros pacotes, incluindo a configuração do próprio sistema, como os diretórios utilizados pelo mesmo. A classe gerenciadora faz a união do que foi implementado nos outros pacotes. A Figura 4.15 apresenta este pacote. Figura 4.15: Pacote Manager Pacote VirtualBox A classe que constitui o pacote VirtualBox, representada na Figura 4.16, é responsável pela comunicação com o VirtualBox. A classe possibilita a criação e

52 51 gerenciamento das máquinas virtuais. Essas ações são executadas através de comandos em linha de comando do VBoxManage. Figura 4.16: Pacote VirtualBox Pacote XML Inicialmente, planejou-se a criação de classes para manipular os arquivos XML. Essas classes de manipulação comporiam o pacote XML. Entretanto, como o XML utilizado para o salvamento das configurações foi baseado quase em sua totalidade na biblioteca JGraph, este pacote ficou sem muita utilização. A única classe existente no mesmo foi criada para executar funções sobre o arquivo XML existente. Com essa classe é possível, por exemplo, endentar o código XML. A Figura 4.17 apresenta o pacote XML e a classe que o compõe. Figura 4.17: Pacote XML.

53 52 5. VALIDAÇÃO A validação do VNetLab sustenta-se na execução de um cenário de teste. O cenário de teste baseia-se em uma atividade comumente apresentado nas cadeiras de redes de computadores, utilizando-se um laboratório físico dedicado. Através do VNetLab, o mesmo cenário foi reproduzido. Nesta seção é descrita a máquina utilizada para executar os testes, o cenário de teste, a configuração do cenário e o desempenho da ferramenta em cada caso. 5.1 CENÁRIO DE TESTE: ROTEAMENTO UTILIZANDO RIPV2 O cenário de teste consiste em redes distintas interligadas através de roteadores. Para realizar o roteamento de pacotes entre as redes foi utilizado o protocolo RIPv2. Esse é um cenário clássico apresentado nas aulas de rede de computadores. A configuração foi realizada em duas fases: Primeiramente, os elementos que representam os computadores foram configurados através do comando ifconfig, informando o endereço IP por parâmetro. Logo em seguida foi utilizado o comando route add default gateway. Este último comando é responsável por configurar o gateway do computador. Em seguida os elementos que representam os roteadores foram configurados utilizando o comando telnet localhost ripd. Este comando acessa o daemon do Quagga, onde é feita a configuração, como se fosse um roteador comum. A Figura 5.1 demonstra um exemplo de configuração de um roteador através do Quagga. Após a configuração foi gerado tráfego entre as redes através do comando ping. A troca de pacotes foi monitorada através do comando tcpdump. Os comandos foram executados em todas as máquinas virtuais instanciadas no cenário.

54 53 Figura 5.1: Exemplo da configuração de um dos roteadores. Deste cenário de teste inicial foram originados outros oito novos casos de teste. A Tabela 5.1 apresenta detalhes sobre estes novos testes, mostrando quais elementos do VNetLab foram utilizados para construir os casos e quantas máquinas virtuais são necessários para realizar o respectivo caso de teste. O grau de complexidade aumenta a cada teste, com o acréscimo de novos elementos na topologia do cenário. Para cada teste foram feitas as seguintes medições: uso de CPU, uso de memória RAM com todas as máquinas virtuais, uso de HD, tempo para o deploy do cenário e tempo de restart. A operação de deploy difere-se da operação de restart pelo fato das máquinas virtuais já terem sido criadas fisicamente. O uso de memória RAM foi analisado em dois momentos. O primeiro quando todas as máquinas não estão mostrando seus terminais de controle. O segundo quando estes terminais estão sendo mostrados. Os terminais apresentam a imagem que seria exibida em um monitor, só que através da interface gráfica do VirtualBox. Tabela 5.1: Descrição dos casos do cenário de teste Caso Configuração da topologia Número de máquinas virtuais 1 1 Computador Roteador Computadores Roteadores 2

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