Research on the effectiveness of the load-balancing methods in Software-Defined Networks based on the OpenFlow protocol for the purposes of Smart City

У дипломній роботі досліджено ефективність методів балансування навантаженням в програмно-конфігурованих мережах SDN на основі протоколу OpenFlow для цілей «Розумного міста». У першому розділі проведено огляд відомих рішень інформаційно-комунікаційної взаємодії для реалізації концепції «Розумного міста». У другому розділі розглянуто принцип функціонування програмно-конфігурованих мережі (ПКМ) на основі протоколу OpenFlow. У третьому розділі розроблено прототип ПКМ. Створено програмну реалізацію методів балансування навантаженням і оцінено ефективність їх роботи. Запропоновано метод балансування навантаженням, який працює на основі показників щодо поточного стану мережі. Метою дипломної роботи магістра є дослідження ефективності методів балансування навантаженням в програмно-конфігурованих мережах SDN на основі протоколу OpenFlow для цілей «Розумного міста». Об’єктом дослідження є процеси балансування потоків трафіку у програмно-конфігурованих мережах. Предметом дослідження є методи балансування навантаженням у ПКМ як складова архітектури «Розумного міста».Вступ...............................................................................................................13 1 Огляд відомих рішень інформаційно-комунікаційної взаємодії для реалізації концепції «Розумного міста»..................................................................18 1.1 Аналіз терміну «Розумне місто»..........................................................18 1.2 Складові «Розумного міста»................................................................22 1.2.1 Міські технології……..........................................................................22 1.2.2 Інтелектуальні системи «Розумного міста» ......................................25 1.3 Аналіз підходів до побудови архітектури «Розумного міста»..……27 1.3.1 Модульна архітектура «Розумного міста» ........................................27 1.3.2 Сервіс-орієнтована архітектура «Розумного міста»…………….…28 1.3.3 Подійно-орієнтована архітектура «Розумного міста» ......................29 1.3.4 Архітектура «Розумного міста» з використанням Інтернету речей………………………………………………………………………………...30 1.3.5 Комбінована архітектура «Розумного міста» ...................................33 1.4 Проблеми впровадження концепції «Розумного міста» ...................34 1.4.1 Проблеми нетехнічного характеру ....................................................34 1.4.2 Проблеми технічного характеру.........................................................38 1.5 Висновок до першого розділу................................................................45 2 Програмно-конфігуровані мережі (SDN) на основі протоколу OpenFlow....................................................................................................................47 2.1 Застосування технології SDN для вирішення проблем впровадження концепції «Розумне місто».......................................................................................47 2.2 Ключові принципи програмного-конфігурованих мереж……...……50 2.2.1 Відокремлення пересилання і обробки трафіку від управління..…50 2.2.2 Логічно централізоване управління....................................................52 2.2.3 Програмованість мережевих сервісів………………………….........53 2.2.4 Відкритість інтерфейсів…………………………………………...…54 2.3 Архітектура програмного-конфігурованих мереж………………...…54 2.3.1 Рівень передачі даних (Data plane)……………………………….…54 2.3.2 Рівень управління (Control Plane)………………………………...…56 2.3.2.1 Функції рівня управління і роль контролера у ньому……………56 2.3.2.2 Основні характеристики SDN-контролерів………………………58 2.3.2.3 Принцип роботи контролера…………………………..…………..61 2.3.2.4 Компоненти SDN-контролера…………................................……..64 2.3.3 Прикладний рівень (Application Plane)……………………………69 2.4 Висновки до другого розділу…………………………………………72 3 Дослідження ефективності методів балансування навантаженням в програмно-конфігурованих мережах SDN на основі протоколу OpenFlow для цілей «Розумного міста» …………………………………………………………..74 3.1 Аналіз задачі балансування навантаженням…………………………74 3.2 Принцип роботи сервісу балансування навантаженням у програмно-конфігурованих мережах (SDN) ………………………………………………..…78 3.3 Підбір та розробка методів для вирішення задачі балансування навантаженням у мережах SDN…………………………………………………...82 3.4 Засоби для програмної реалізації методів балансування навантаженням……………………………………………………………………...87 3.5 Створення прототипу програмно-конфігурованої мережі з підтримкою сервісу балансування навантаженням………………………………88 3.6 Перевірка роботи прототипу…………………………………………92 3.7 Експериментальне дослідження ефективності методів балансування навантаженням у програмно-конфігурованих мережах…………………………97 3.8 Висновок до третього розділу ………………………………………101 4 Спеціальна частина……………………………………………………103 4.1 Принцип роботи комутатора OpenFlow……………………………103 4.2 Протокол OpenFlow………………………………………………...…114 4.3 Протокол OF-Config як засіб конфігурації і управління OpenFlow-комутатором……………………………………………………………………….116 4.4 Висновок до четвертого розділу……………………………………..119 5 Обґрунтування економічної ефективності……………………………120 5.1 Розрахунок норм часу на дослідження ефективності методів балансування навантаженням в програмно-конфігурованих мережах………..120 5.2 Визначення витрат на оплату праці та відрахувань на соціальні заходи………………………………………………………………………………121 5.3 Розрахунок матеріальних витрат………………………………….…123 5.4 Розрахунок витрат на електроенергію……………………………....124 5.5 Розрахунок суми амортизаційних відрахувань………………….….125 5.6 Обчислення накладних витрат……………………………………….126 5.7 Складання кошторису витрат та визначення собівартості науково-дослідницької роботи……………………………………………………………..126 5.8 Розрахунок ціни програмного продукту…………………………….127 5.9 Визначення економічної ефективності і терміну окупності капітальних вкладень………………………………………………………….….128 5.10 Висновки до п’ятого розділу…………………………………….….130 6 Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях………………...131 6.1 Електромагнітні випромінювання комп'ютера……………………...131 6.2 Дія електромагнітного випромінювання на організм людини, його нормування……………………………………………………………………….134 6.3 Засоби захисту людини від електромагнітного випромінювання…138 6.4 Електробезпека користувача персонального комп’ютера………….139 6.5 Висновки до шостого розділу………………………………………..142 7 Екологія…………….……………………………………………...…….143 7.1 Класифікація показників екологічності виробництва……………...143 7.2 Радіоактивне забруднення довкілля та його моніторинг…………..145 7.3 Висновки до сьомого розділу………………………………………...147 Висновки…………………………………………………………………..148 Список використаних джерел та літератури…………………………….150 Додатк