REPARTITION AUTOMATIQUE DE SURCHARGE RESEAU

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1 Master 2 Informatique Année universitaire 2009/2010 REPARTITION AUTOMATIQUE DE SURCHARGE RESEAU Etudiants : Nicolas FINESTRA, Julien COSMAO & Paul LE LANN

2 Sommaire Introduction... 3 I Présentation du projet Intérêts et contraintes Objectifs à remplir... 4 A) Diffusion d'un flux vidéo... 4 B) Analyse de charge réseau... 4 C) Mise en place de la répartition réseau Matériels et configuration... 5 A) Matériel à disposition... 5 B) Architecture réseau... 5 II Etude théorique Streaming... 6 A) Principe... 6 B) Logiciels Haute disponibilité... 8 A) Principe théorique... 8 B) Architectures possibles... 8 III Mise en place des solutions et problèmes rencontrées Configuration de VLC Heartbeat A) Présentation d Hearbeat et de Mon B) Problèmes Iptables A) Fonctionnement d Iptables B) Utilisation des Iptables C) Problèmes rencontrés IV Futur du projet Conclusion Annexes Page 2

3 Introduction L'évolution d'internet ayant entrainé la création de sites Web particulièrement sollicités, l'utilisation de serveur solitaire est rapidement devenue impossible pour certains hébergeurs, les machines ou les liens réseaux se trouvant surchargé. La notion de réparation de charge a alors fait son apparition, dans le but d'optimiser les ressources disponibles et permettre l'utilisation de ferme de PCs. En effet ces répartitions permettent dans un premier temps de lisser le réseau en répartissant la charge globale vers différents équipements, il va aussi assurer la disponibilité des équipements, en n'envoyant des données qu'aux machines en mesure de répondre, voire à ceux offrant le meilleur temps de réponse. Dans le cadre de notre projet, le but est d'assurer la mise en place d'un flux vidéo à partir de deux serveurs en direction de différents clients. La répartition de charge doit permettre d'assurer la continuité de la transmission, y compris en cas de perturbation ou de coupure d'un lien. Ce projet qui s'inscrit dans notre formation de Master Informatique va nous permettre d'aborder différents aspect du réseau tel que la gestion de serveurs, la configuration d'un routeur virtuel ou bien la mise en place de surveillance de charge réseau. Page 3

4 I Présentation du projet Répartition automatique de surcharge réseau 1 - Intérêts et contraintes Ce projet qui s'inscrit dans notre formation de Master 2, doit nous permettre à la fois d'approfondir nos connaissances dans des sujets étudiés au cours de notre formation, mais aussi d'acquérir de nouvelles compétences et de découvrir des solutions réseaux que nous pourrions être amenés à mettre en place dans notre future vie professionnelle. En effet, ce projet aborde des notions de réseaux concrètes, telles que la mise en place de règles de routage ou l'utilisation de script, ce qui correspond à notre domaine de prédilection. Il aborde également des notions de multimédia, qui est un module que nous avons tous les trois choisies en début d'année et qui nous à permis d'approfondir nos connaissances concernant certaines notions vue en cours ou en TP. Une des contraintes principale concerne le temps imparti pour le projet. En effet celui-ci ce déroulant sur six mois, il nous est nécessaire de passer rapidement de l'analyse théorique à la pratique afin de pourvoir présenter un résultat fonctionnel, à la fin du semestre. Il nous a donc fallu étudier plusieurs solutions, puis retenir celle qui nous paraissait la plus appropriée en tenant compte de cette contrainte. 2 Objectifs à remplir A) Diffusion d'un flux vidéo Le premier objectif consiste à mettre en place le flux vidéo, il s'agit d'un fichier qui est transmis au réseau grâce à un script de lancement préalablement configuré. Chaque client correctement paramétré va alors être à même de le recevoir grâce à un lecteur comme VLC. La principale difficulté provient de la synchronisation nécessaire entre les deux serveurs, en effet si le lien du primaire n'est plus à même de diffuser correctement la vidéo, le secondaire doit pouvoir prendre le relai et communiquer le flux de manière transparente pour les utilisateurs. Une fois la diffusion vidéo fonctionnelle il sera possible de passer au cœur du projet. B) Analyse de charge réseau Le second objectif va consister à la mise en place de l'analyse de charge réseau. Les deux serveurs ayant chacun une connexion différente il faut surveiller à la fois le lien Wifi et le lien Ethernet. Différents paramètres vont devoir être défini, notamment que le seuil de charge à partir duquel il est préférable de basculer d'un serveur à l'autre, et la détection de coupure de lien. Page 4

5 C) Mise en place de la répartition réseau Une fois le réseau bien en place, il est possible de s'attaquer à l'objectif principal, la répartition réseau. Cette dernière doit être mise en place sur la passerelle afin de permettre une continuité de la diffusion des vidéos. Pour cela il est nécessaire de configurer la machine de telle sorte que qu'elle permette le routage du flux vers le client depuis l'un ou l'autre des serveurs, en fonction des paramètres que nous allons mettre en place (chute d'un serveur, surcharge ou coupure d'un lien). 3 Matériels et configuration A) Matériel à disposition Pour gérer ce projet nous avons accès au matériel suivant, disponible dans la salle d'électronique : Deux serveurs, un primaire et un secondaire qui vont permettre de diffuser le flux vidéo Une machine qui va jouer le rôle de passerelle Des ordinateurs portables qui vont jouer le rôle de clients recevant le flux vidéo Un Switch afin de pouvoir connecter plusieurs clients à la passerelle B) Architecture réseau Nous avons installés une version de Xunbuntu sur les trois machines, puis nous en avons sélectionnés une pour jouer le rôle de passerelle. Une liaison est mise en place entre les deux serveurs pour permettre la synchronisation, ils sont aussi connectés à la passerelle, le primaire en Wifi et le secondaire en Ethernet. Le Switch va permettre de connecter plusieurs clients selon les besoins pour les tests. primaire Switch secondaire Passerelle Clients Page 5

6 La configuration de la passerelle est une configuration de base qui permet le routage entre les différents réseaux. Nous avons mis aussi le NAT en place sur une interface reliée au réseau de l université afin de donner l accès à Internet aux serveurs pour pouvoir ajouter les différents paquets nécessaires à l accomplissement de nôtre projet. Le terme d adresse IP publique représentera l interface auquel seront connectés les clients (adresses réseau privé dans notre cas). Le script de configuration est disponible en annexe. II Etude théorique Dans un premier temps nous nous sommes repartis le travail, pendant que l un de nous se renseignait sur les différentes possibilités de serveur streaming, les deux autres recherchaient des solutions réseaux ou logicielles pour permettre la répartition de charge. Etant donné le temps relativement cours dont nous disposions, nous avons préférés axer nos recherches sur des architectures déjà existantes à adapter à notre projet. De nombreuses solutions existent déjà sur internet, dans le cadre de load-balancing ou de mise en place de haute disponibilité. 1 Streaming A) Principe Le streaming consiste à diffuser une vidéo d un serveur vers un client à travers un réseau IP. Le serveur segmente la vidéo en paquets susceptibles d être diffusés sur le réseau. Ces paquets sont ensuite assemblés par le client afin de reconstituer la vidéo. A la différence d un simple transfert de fichier, la vidéo est jouée au fur et à mesure que les paquets arrivent. Ces paquets sont ensuite détruits. Le troisième protocole, RTP (Real Time Protocol) permet de faire à proprement parler du streaming, c est à dire de la diffusion de contenu en temps réel. Page 6

7 Le protocole RTP (Real Time Protocol) Le principe du protocole RTP consiste à envoyer les paquets en temps réel sur le réseau. Les paquets sont marqués temporellement de manière à être réordonnancés par le client afin d afficher la vidéo de manière cohérente. Grâce à ce protocole, on peut aussi bien diffuser des vidéos préenregistrées que des images en direct. Il permet des services de type unicast ou multicast sans garanties de qualité de service (QoS). Les données sont augmentées de l ajout du protocole de contrôle RTCP. Par opposition à HTTP et FTP qui fonctionnent au-dessus de TCP (mode connecté), RTP fonctionne au-dessus d UDP (mode non connecté). Pour améliorer les performances de RTP, un protocole spécifique au streaming permet de contrôler la diffusion du contenu, il s agit de RTSP (Real Time Streaming Protocol). Le protocole RTSP (Real Time Streaming Protocol) RTSP est un protocole de niveau applicatif qui sert à contrôle les propriétés temps réel du contenu à délivrer. Il est adapté aussi bien à la diffusion de données préenregistrées que de données diffusées en direct. Il s agit d un protocole au-dessus de TCP. B) Logiciels VLC Le lecteur VLC possède un module appelé VLM. VideoLAN Manager est un petit outil de gestion de médias conçu pour contrôler plusieurs flux avec une seule instance de VLC. Cela permet de la diffusion multiple et la vidéo à la demande (VoD). C est la solution que nous avons choisis, car elle est développée depuis de nombreuses années, et donc très documentée sur Internet. Helix media server C'est une solution de diffusion de contenu multimédia très puissante développée par RealNetwork. Plutôt adaptée aux grosses structures, nous avons préférés laissez cette solution de côté au profit de VLC. Page 7

8 2 Haute disponibilité A) Principe théorique La haute disponibilité consiste à offrir un taux d accès convenable pour les utilisateurs à des services informatiques. C est aujourd'hui un enjeu important pour les entreprises, particulièrement dans le domaine de l'industrie où l'arrêt d'une chaîne de production peut avoir un effet dévastateur. Concrètement, cela se traduit par la mise en place d'une infrastructure matérielle dédiée, généralement en se basant sur de la redondance matérielle. Dans notre cas, la haute disponibilité consiste en un deuxième serveur qui doit prendre le relai en cas de chute ou saturation du premier. Il s agit donc de mettre en place une architecture qui va pouvoir gérer la diffusion d une vidéo en streaming à des clients à partir du serveur primaire, tout en étant capable de basculer sur le secondaire si le lien Wifi reliant le premier serveur au routeur vient à être saturé, et plus généralement si l accès au serveur VLC ne peut plus être assuré. B) Architectures possibles Virtualisation d'un serveur Une des premières solutions que nous avons envisagée est la mise en place d'un serveur virtuel, qui aurait permis de diffuser le flux vidéo à partir des deux serveurs physique. En cas de chute d'un de ces derniers ou de saturation d'un lien, la diffusion pourrait alors être assurée par le serveur virtuel à partir de la deuxième machine. primaire virtuel Adresse IP virtuelle secondaire Plusieurs solutions libres sont accessible depuis Internet, notamment les logiciel XEN, Linux- VServer ou Virtual Box. Cependant cette solution n'a pas été retenue, complexe à mettre en place et nécessitant la pris en charge de l'adresse virtuelle par la passerelle, elle nous a semblée difficile à rendre fonctionnelle en un seul semestre. Page 8

9 Utilisation d'heartbeat Une deuxième solution envisagée fut l'utilisation d'hearbeat, un logiciel utilisé pour la mise en place de haute disponibilité dans un cluster. Les deux serveurs vont mutuellement se surveiller par un trafic UDP, et en cas de défaillance d'une des machines, Heartbeat va transférer les ressources vers la seconde grâce à des scripts spécifiques. Il est également possible de surveiller un service en particulier à partir du logiciel Mon, qui va provoquer le basculement des ressources en simulant un arrêt du serveur au niveau d'heartbeat. primaire Trafic UDP Adresse IP virtuelle secondaire Cette solution apporte de nombreux avantages, notamment la gestion de différents services informatiques. Cependant la mise en place de l architecture étant longue et complexe, et à cause d un problème avec l'adresse virtuelle, elle n a pas installée pour les tests. Mise en place d'iptables La solution qui nous a apparue la plus évidente à mettre en place dans le temps imparti est basée sur la redirection de paquets à partir de règles Iptables configurées sur la machine utilisée comme passerelle. primaire secondaire Iptables Relativement simple à mettre en place et bien documentées, elles nous permettent une gestion complète de notre architecture. Page 9

10 III Mise en place des solutions et problèmes rencontrées 1 Configuration de VLC VLC est installé sur le serveur primaire ainsi que sur le secondaire. On accède à la configuration du serveur de streaming par telnet sur le port On a alors plusieurs solutions : Multicast Le problème pour le multicast est que les flux diffusés sur chaque serveur doivent être synchronisés entre eux. Même si on lance le multicast au même instant sur les serveurs, il subsistera toujours un décalage temporel sur les vidéos lors du basculement. Le second problème est que la bande passante entre le serveur primaire/secondaire et la passerelle est consommée même si aucun client n'est connecté. VoD (Video on demand) Nous avons donc choisi d'utilisé la VoD. Plusieurs vidéo de taille différentes ont été mises à disposition sur chaque serveur. Chaque client y accède avec un client VLC en créant une connexion RTSP. Vlc rtsp://adresse_de_le_passerelle/channel : 1234 Afin de garantir la haute disponibilité du service, les 2 serveurs vlc doivent être lancés et doivent contenir les mêmes vidéos. A chaque nouvelle demande d'un client, une nouvelle connexion est créée. La bande passante arrive très rapidement à saturation. Lancement du serveur VLC vlc --ttl 15 -vvv --color -I telnet --rtsp-host :1234 On configure les flux par l'interface telnet new channel1 vod enabled setup channel1 input "/var/www/video.avi" Page 10

11 2 Heartbeat A) Présentation d Hearbeat et de Mon Heartbeat est un système de gestion de la haute disponibilité sous Linux distribué sous licence GPL. Il met en place un système classique de clustering en haute disponibilité basé sur des "battements de cœur". Il exécute des scripts d'initialisations lorsque une machine tombe (plus d'entente du battement de cœur) ou est à nouveau disponible (battement de cœur retrouvé). Un trafic UDP est mis en place entre les deux serveurs (Heartbeat est limité à deux machines), en cas de non réponse de l un d entre eux, ce dernier va être considéré comme mort est les ressources sont basculées sur l autre serveur grâce à une IP virtuelle partagée entre les deux machines. Si on souhaite contrôler certains services en particulier, il faut installer Mon sur les deux serveurs. En cas de défaillance de l un des services surveillé, Mon va envoyer un argument stop à Heartbeat, ce qui va provoquer un basculement sur l autre serveur. B) Problèmes Cependant cette solution n'a pas été retenue pour diverses raisons, notamment car nous n'avons pas trouvé de script spécifique à VLC, par manque de temps, la mise en place de cette solution étant longue et complexe, et enfin à cause du problème de l'adresse virtuelle à prendre en charge par la passerelle. 3 Iptables A) Fonctionnement d Iptables Iptables est une interface en ligne de commande qui permet de configurer le module du noyau Netfilter afin de contrôler, modifier, filtrer les paquets IP et aussi de suivre les connexions. Chaque paquet entrant va traverser une chaîne de règles, ce qui va permettre de router les échanges de données selon nos besoins. Ces règles ont au nombre de cinq, répartie dans trois tables. FILTER : permet le filtrage IP NAT : permet la translation d adresse MANGLE : permet le marquage des paquets entrant Page 11

12 Dans notre cas, nous avons uniquement besoin de la table NAT, qui va nous permettre de rediriger les paquets arrivant sur l interface d entrée du routeur (Ip publique) vers les serveurs. Les chaînes de la table Nat : La chaîne PREROUTING : permet de faire de la translation d'adresse de destination (Chaîne utilisée dans notre cas pour rediriger) La chaîne POSTROUTING : permet de faire de la translation d'adresse de la source La chaîne OUTPUT : permet de modifier la destination de paquets générés localement (par la passerelle elle-même) B) Utilisation des Iptables Ce que nous avons fait dans cette partie, c'est utiliser une règle dans la table NAT afin de rediriger la connexion du client VLC sur l'adresse IP publique du routeur vers le serveur multimédia primaire situé dans la partie réseau local. Une fois la connexion établie et la vidéo en cours de lecture, on a changé la règle Iptables manuellement afin de rediriger vers le serveur secondaire puis stoppé le service et la connexion wifi sur le primaire. Règles NAT : Basculement vers serveur secondaire #!/bin/sh #Efface la règle qui redirige vers le serveur primaire. iptables -t nat -D PREROUTING 1 #Nouvelle règle qui redirige vers le serveur secondaire. iptables -t nat -A PREROUTING -p tcp -d dport j DNAT --to-destination :1234 Page 12

13 Schéma explicatif : 2 1 Primaire 3 Secondaire Voici les différentes étapes lors d une connexion client pour lire une vidéo : Flèche 1 : Le client se connecte sur l adresse IP dite «publique» (dans notre cas adresse IP privé utilisé) Flèche 2 : Le routeur par défaut va rediriger la requête du client lui arrivant sur l interface correspondante à celle d Internet vers le serveur primaire Flèche 3 : Si jamais le lien Wifi (la flèche 2) est tombé, le routeur par le biais d un script va changer la règle NAT afin de rediriger la requête du client vers le serveur secondaire C) Problèmes rencontrés Le problème rencontré avec cette solution est dû au protocole RSTP. En effet, ce protocole lorsque le client demande une vidéo, établit une session entre celui-ci et le serveur. Lorsque la redirection est changée et que le service du serveur primaire est arrêté, la vidéo se stoppe et le client est obligé de relancer la vidéo manuellement et de repartir du début. Une solution pour rendre cette partie possible à réaliser, serait de modifier le code du lecteur du client afin de pouvoir mémoriser le temps au moment de la coupure et de le retransmettre lors de l'établissement d'une nouvelle session RTSP avec le serveur secondaire. Page 13

14 IV Futur du projet Répartition automatique de surcharge réseau Le projet s étalant sur un unique semestre, notre travail c est principalement axé sur la partie théorique. Nous avons cherché une solution répondant aux besoins exprimés tout en étant suffisamment documentée et accessible pour être mise en place dans le temps imparti. L architecture que nous avons finalement tentée de faire fonctionner à partir d Iptables n a pas abouti suite à des complications du au protocole RTSP. Cependant il était tout à fait possible d accéder aux vidéos en streaming à partir des clients en passant par le routeur. Pour un groupe qui disposerait de suffisamment de temps, la solution la plus élaborée consisterais probablement à mettre en place de la haute disponibilité à partir d un logiciel comme Heartbeat qui permet, couplé à Mon, de surveiller l état des serveurs, des liens, mais aussi des applications que l ont souhaite. Il est donc possible de mettre différents services en activité, par exemple un serveur FTP, Apache, etc Page 14

15 Conclusion Ce projet s étalant sur un semestre nous a permis d acquérir de nouvelles compétences, notamment en ce qui concerne la haute disponibilité, l'utilisation des Iptables et la gestion d'un flux vidéo à travers un réseau. Ces connaissances, qui concerne à la fois les domaines réseau et multimédia, et qui pour certaines avaient été abordées de manière théorique en cours, on pu être étudiées de façon plus concrètes grâce à ce projet. Nous avons par exemple pu mieux comprendre les interactions entre les différentes couches réseaux, et les problèmes qui en résultent. Un autre aspect important concerne la gestion d'un projet dans un temps relativement cours. La période de recherche et d'analyse théorique étant limité, il a rapidement fallu choisir une solution à mettre en place, puis se répartir les tâches de façon optimale afin de parvenir à d essayer de présenter une architecture fonctionnelle à l'expiration du délai. Le travail sous pression risquant d'être un quotidien dans nos futurs emplois, ce genre d expérience est donc formateur. Page 15

16 Annexes Script de configuration de la passerelle #!/bin/sh killall NetworkManager echo "Service Networkmanager desactive" #Interface Wifi vers RZO serveur primaire ifconfig eth5 down iwconfig eth5 mode ad-hoc iwconfig eth5 channel 1 iwconfig eth5 essid projet ifconfig eth5 up ifconfig eth /24 #Interface vers RZO client, correspond au RZO public ifconfig eth4 up ifconfig eth /24 #Interface Ethernet vers serveur backup ifconfig eth3 up ifconfig eth /24 #Interface vers RZO université pour effectuer l installation des #paquets etc. ifconfig eth /16 echo "Configuration des interfaces ok" route add -net /24 gw route add -net /24 gw route add -net /24 gw route add default gw echo "Ajout des routes" echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward /etc/init.d/networking restart echo "Configuration routage OK" iptables -t nat -F iptables -t nat -X iptables -t nat -P PREROUTING ACCEPT iptables -t nat -P POSTROUTING ACCEPT iptables -t nat -P OUTPUT ACCEPT iptables -t nat -A POSTROUTING -o eth0 -j MASQUERADE echo " NAT activé" Page 16

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