Report: Added intro and DSL

README.md

@@ -282,7 +282,6 @@ The generated Python is the only executable Mininet backend.
 a raw dictionary.
 `topology_parser.py` provides `parse_topology(raw)`, which converts that dictionary
 into a typed `Topology`.
-The loader's convenience API, `load(path)`, performs both operations.
 Neither stage depends on Mininet.
 
 The semantic model uses dataclasses for `Topology`, `Node`, `Interface`, `Link`,

report/.gitignore

@@ -0,0 +1,8 @@
+# LaTeX auxiliary files
+*.aux
+*.log
+*.out
+*.synctex.gz
+_minted*/*
+
+

report/report.tex

@@ -0,0 +1,324 @@
+% !TEX TS-program = xelatex
+% !TEX encoding   = UTF-8 Unicode
+% !TEX spellcheck = el-GR
+%
+% Compiter Networks II report
+%
+% Requires compilation with pdfLaTeX or XeLaTeX
+%
+% authors:
+%   Χρήστος Χουτουρίδης ΑΕΜ 8997
+%   cchoutou@ece.auth.gr
+
+%
+% Options:
+%
+% 1) mainlang=<language>
+%    Default:  english
+%    Set the default language of the document which affects hyphenations,
+%    localization (section, dates, etc...)
+%
+%    example: \documentclass[mainlang=greek]{AUThReport}
+%
+% 2) <language>
+%    Add hyphenation and typesetting support for other languages
+%    Currently supports: english, greek, german, frenc
+%
+%    example: \documentclass[english, greek]{AUThReport}
+%
+% 3) short: Requests a shorter title for the document
+%    Default: no short
+%
+%    example: \documentclass[short]{AUThReport}
+%
+\documentclass[a4paper, 11pt, mainlang=greek, english]{AUThReport/AUThReport}
+
+\CurrentDate{\today}
+
+% Document setup
+%---------------------------------
+
+% \WorkGroup{Ομάδα Χ}
+
+\AuthorName{Χρήστος Χουτουρίδης}
+\AuthorMail{cchoutou@ece.auth.gr}
+\AuthorAEM{8997}
+
+%\CoAuthorName{Όνομα Επίθετο}
+%\CoAuthorAEM{AEM}
+%\CoAuthorMail{xxx@ece.auth.gr}
+
+\DocTitle{Αυτοματοποιημένη Ανάπτυξη Τοπολογίας και Ανάλυση Πρωτοκόλλων στο Mininet}
+%\DocSubTitle{Ανάλυση και υλοποίηση του αλγόριθμου bitonic sort για υποσύστημα γραφικών με χρήση CUDA}
+
+\Department{Τμήμα ΗΜΜΥ. Τομέας Ηλεκτρονικής}
+\ClassName{Δίκτυα Υπολογιστών ΙΙ}
+%
+\InstructorName{Αναστάσιος Ντελόπουλος}
+\InstructorMail{antelopo@ece.auth.gr}
+
+\CoInstructorName{Εμανουήλ Τσαρδουλιάς}
+\CoInstructorMail{etsardou@ece.auth.gr}
+
+
+% Local package requirements
+%---------------------------------
+
+\usepackage{enumitem}
+\usepackage{tabularx}
+\usepackage{array}
+\usepackage{multirow}
+\usepackage{float}
+\usepackage{xcolor}
+\usepackage{soul}
+\usepackage{amsmath}
+\usepackage{footnote}
+\usepackage{footmisc}
+
+
+%\definecolor{red-highlight}{rgb}{1.0, 0.11, 0.0}
+\definecolor{red-highlight}{rgb}{1.0, 0.31, 0.0}
+\definecolor{green-highlight}{rgb}{0.0, 0.62, 0.42}
+
+\newcommand{\bxrd}[1]{\colorbox{red-highlight}{#1}}
+\newcommand{\bxgr}[1]{\colorbox{green-highlight}{#1}}
+
+\newcommand{\trd}[1]{\textcolor{red-highlight}{\textbf{#1}}}
+\newcommand{\tgr}[1]{\textcolor{green-highlight}{\textbf{#1}}}
+
+% “virtual” cites
+% ----------------------------------------
+%\newcommand{\citeKnuthACM}{%
+%	Donald E. Knuth, \emph{Structured Programming with go to Statements}, ACM Computing Surveys, vol. 6, no. 4, 1974
+%}
+
+% Links
+% Repository links
+% ----------------------------------------
+\newcommand{\repoGithub}{https://github.com/hoo2/Computer-Networks-II}
+\newcommand{\repoGitea}{https://git.hoo2.net/hoo2/Computer-Networks-II}
+
+\newcommand{\topologyJsonUrl}{\repoGithub/blob/HEAD/exercise/topology.json}
+\newcommand{\buildNetworkUrl}{\repoGithub/blob/HEAD/source/build_network.py}
+\newcommand{\resultsUrl}{\repoGithub/tree/HEAD/exercise/results}
+
+\newcommand{\dslDesignUrl}{\repoGithub/blob/HEAD/Mininet_DSL_Design.md}
+
+\begin{document}
+	
+\InsertTitle
+	
+%\tableofcontents
+	
+	
+\section{Εισαγωγή}
+
+Η παρούσα εργασία έχει ως αντικείμενο την \textbf{αυτοματοποιημένη ανάπτυξη δικτυακών τοπολογιών στο περιβάλλον Mininet},
+με βάση μια δηλωτική περιγραφή σε αρχείο JSON.
+Στο πλαίσιο αυτό υλοποιείται εφαρμογή σε Python, η οποία διαβάζει περιγραφές της τοπολογίας σε μια πρότυπη \textbf{Domain-Specific
+Language -- DSL}, και δημιουργεί δυναμικά τους αντίστοιχους hosts, μεταγωγείς, συνδέσμους και δρομολογητές και εφαρμόζει
+τις απαιτούμενες ρυθμίσεις δικτύου.
+Το Mininet χρησιμοποιείται ως περιβάλλον εξομοίωσης, ώστε η τοπολογία να μπορεί να κατασκευάζεται και να εξετάζεται
+με χρήση των ίδιων εργαλείων και πρωτοκόλλων που χρησιμοποιούνται σε ένα πραγματικό σύστημα Linux.
+
+Μετά την ανάπτυξη της τοπολογίας πραγματοποιούνται τρία πειράματα χαμηλού επιπέδου για τη μελέτη των πρωτοκόλλων
+\textbf{DHCP} και \textbf{ARP}, καθώς και της \textbf{δρομολόγησης μεταξύ διαφορετικών υποδικτύων}.
+Μέσω καταγραφών με το \texttt{tcpdump} εξετάζεται η διαδικασία D.O.R.A. του DHCP, η αντιστοίχιση διευθύνσεων IP σε
+διευθύνσεις MAC μέσω του ARP και η μεταβολή των Ethernet διευθύνσεων και του TTL κατά τη διέλευση ενός IP πακέτου
+από τον δρομολογητή.
+Στόχος των πειραμάτων είναι η σύνδεση της θεωρητικής λειτουργίας των πρωτοκόλλων με την πραγματική μορφή των
+πακέτων που ανταλλάσσονται στα διαφορετικά επίπεδα του δικτύου.
+
+
+\subsection{Παραδοτέα}
+
+Τα παραδοτέα της εργασίας αποτελούνται από:
+\begin{itemize}
+	\item Την παρούσα τεχνική αναφορά.
+	\item Το αρχείο	\href{\topologyJsonUrl}{\texttt{exercise/topology.json}}, το οποίο περιγράφει δηλωτικά την τοπολογία δικτύου που χρησιμοποιείται στην εργασία.
+	\item Τον κατάλογο \texttt{source/}, ο οποίος περιέχει το αρχείο \href{\buildNetworkUrl}{\texttt{build\_network.py}}, καθώς και τα υπόλοιπα αρχεία
+	Python που υλοποιούν την εφαρμογή.
+	\item Τον κατάλογο \href{\resultsUrl}{\texttt{exercise/results/}}, ο οποίος περιέχει τις μετρήσεις και τα παραγόμενα αρχεία των πειραμάτων της εργασίας.
+	\item Τους συνδέσμους προς τα αποθετήρια στο \href{\repoGithub}{GitHub} και στον \href{\repoGitea}{προσωπικό μου server}, τα οποία περιέχουν τον πηγαίο κώδικα,
+	τον κώδικα παραγωγής της αναφοράς και τα αποτελέσματα των πειραμάτων.
+\end{itemize}
+
+
+\section{Υλοποίηση του Builder}
+
+\subsection{Δηλωτική γλώσσα περιγραφής τοπολογίας}
+
+Για την περιγραφή των δικτυακών τοπολογιών σχεδιάστηκε μία μικρή \textbf{δηλωτική γλώσσα ειδικού σκοπού}
+(Domain-Specific Language -- DSL), η οποία χρησιμοποιεί το JSON ως μορφή αναπαράστασης.
+Στόχος της γλώσσας είναι να περιγράφει την \emph{επιθυμητή κατάσταση του δικτύου} και όχι τη σειρά των εντολών
+που απαιτούνται για την κατασκευή του στο Mininet.
+Με αυτόν τον τρόπο η περιγραφή της τοπολογίας παραμένει ανεξάρτητη από λεπτομέρειες της υλοποίησης, όπως τα
+ονόματα των εικονικών διεπαφών ή η ακριβής ακολουθία κλήσεων προς το Mininet API.
+Η αναλυτική σχεδίαση και η γραμματική της γλώσσας τεκμηριώνονται επίσης στο αρχείο
+\href{\dslDesignUrl}{\texttt{Mininet\_DSL\_Design.md}} του αποθετηρίου.
+
+\subsubsection{Σχεδιαστική προσέγγιση}
+
+Ο σχεδιασμός της γλώσσας πραγματοποιήθηκε \textbf{από πάνω προς τα κάτω}, ξεκινώντας από τις έννοιες που είναι
+φυσικό να χρησιμοποιούνται για την περιγραφή ενός δικτύου, όπως οι \emph{κόμβοι}, οι \emph{διεπαφές}, οι \emph{σύνδεσμοι} και οι
+\emph{υπηρεσίες}.
+Παράλληλα, κάθε αφηρημένη έννοια επιλέχθηκε έχοντας υπόψη τις διαθέσιμες πρωτογενείς λειτουργίες του Mininet και
+του δικτυακού υποσυστήματος του Linux.
+Η προσέγγιση αυτή επιτρέπει στη γλώσσα να παραμένει υψηλού επιπέδου, χωρίς να εισάγει κατασκευές που δεν μπορούν
+να μεταφραστούν με σαφή και συστηματικό τρόπο στο υποκείμενο περιβάλλον εκτέλεσης.
+
+Οι βασικές λειτουργίες που απαιτούνται από την εργασία μπορούν να αναχθούν σε ένα σχετικά μικρό σύνολο
+\emph{πρωτογενών κατασκευών} του Mininet και του Linux.
+Η δημιουργία hosts και switches, η σύνδεσή τους μέσω links και η εκτέλεση εντολών μέσα στους αντίστοιχους
+network namespaces επαρκούν για την κατασκευή της απαιτούμενης τοπολογίας.
+Ένας δρομολογητής μπορεί αντίστοιχα να μοντελοποιηθεί ως host με περισσότερες από μία διεπαφές, κατάλληλη
+Layer-3 διευθυνσιοδότηση και ενεργοποιημένη προώθηση IP.
+Ο DHCP server μπορεί να θεωρηθεί ως υπηρεσία που εκτελείται σε έναν κόμβο και συνδέεται με συγκεκριμένη διεπαφή.
+
+Πριν οριστικοποιηθούν οι οντότητες της DSL, εξετάστηκαν οι βασικές λειτουργίες που παρέχει το Mininet και το
+δικτυακό υποσύστημα του Linux για την κατασκευή και παραμετροποίηση μιας τοπολογίας.
+Οι κύριες λειτουργίες που χρησιμοποιήθηκαν ως βάση είναι οι \texttt{addHost()}, \texttt{addSwitch()} και
+\texttt{addLink()}, καθώς και η δυνατότητα εκτέλεσης εντολών μέσα σε κάθε network namespace μέσω του
+\texttt{node.cmd()}.
+Στις λειτουργίες αυτές προστίθενται η παραμετροποίηση διεπαφών και δρομολόγησης μέσω εργαλείων του Linux και η
+εκκίνηση διεργασιών, όπως ο \texttt{dnsmasq}, μέσα στον αντίστοιχο κόμβο.
+Η ανάλυση αυτή χρησιμοποιήθηκε για να \textbf{σταθεροποιηθεί το σύνολο των αφαιρέσεων της DSL}, έτσι ώστε κάθε
+υψηλού επιπέδου κατασκευή να έχει σαφή δρόμο μετάφρασης προς τις διαθέσιμες λειτουργίες του backend.
+
+Με βάση τις παρατηρήσεις αυτές επιλέχθηκε ένα σύνολο οντοτήτων ώστε η DSL να \textbf{καλύπτει τον χώρο των
+	κατασκευών που απαιτούνται από την εργασία}.
+Αντίστοιχα, το σύνολο των primitives του Mininet και του Linux που χρησιμοποιείται είναι επαρκές ώστε κάθε
+κατασκευή της DSL να μπορεί να μεταφραστεί σε συγκεκριμένες λειτουργίες του backend.
+Με αυτή την έννοια, τόσο η γλώσσα ως προς τον χώρο του προβλήματος όσο και τα χρησιμοποιούμενα primitives ως
+προς τον χώρο της υλοποίησης λειτουργούν \emph{«επί»}.
+Δηλαδή, δεν παραμένει απαίτηση της εργασίας χωρίς αναπαράσταση στη DSL ούτε κατασκευή της DSL χωρίς αντίστοιχη
+υλοποίηση στο Mininet και στο Linux.
+Οι βασικές οντότητες της γλώσσας είναι οι \emph{κόμβοι}, οι \emph{διεπαφές}, οι \emph{σύνδεσμοι}, οι
+\emph{ρυθμίσεις κόμβων} και οι \emph{υπηρεσίες}.
+
+\subsubsection{Βασική γραμματική}
+
+Η τοπολογία περιγράφεται από τρεις κύριες κατηγορίες αντικειμένων: \texttt{nodes}, \texttt{links} και
+\texttt{services}.
+Η βασική δομή της γλώσσας μπορεί να συνοψιστεί ως εξής:
+
+\begin{verbatim}
+	Network
+	|-- Nodes
+	|   |-- name
+	|   |-- type
+	|   |-- interfaces
+	|   `-- settings
+	|
+	|-- Links
+	|   |-- name
+	|   |-- endpoints
+	|   |   |-- node
+	|   |   `-- interface
+	|   `-- settings
+	|
+	`-- Services
+	|-- type
+	|-- node
+	|-- interface
+	`-- settings
+\end{verbatim}
+
+Κάθε κατηγορία έχει \textbf{διαφορετική σημασιολογική ευθύνη}.
+Ένας κόμβος(node) αναπαριστά έναν συμμετέχοντα του δικτύου, μία διεπαφή(interface) ένα σημείο σύνδεσης που ανήκει σε έναν κόμβο
+και ένας σύνδεσμος(link) συνδέει δύο τέτοια σημεία.
+Οι ρυθμίσεις(settings) κόμβου περιγράφουν ιδιότητες του ίδιου του δικτυακού namespace, ενώ οι υπηρεσίες(services) αναπαριστούν
+ανεξάρτητες διεργασίες που εκτελούνται μέσα σε αυτό.
+
+\subsubsection{Κόμβοι και διεπαφές}
+
+Οι κόμβοι δηλώνονται με ένα μοναδικό λογικό όνομα και έναν τύπο.
+Οι τύποι που υποστηρίζονται στην παρούσα υλοποίηση είναι \texttt{host}, \texttt{switch} και \texttt{router}.
+Ο τύπος εκφράζει τη \emph{σημασιολογία του κόμβου} και όχι απαραίτητα το συγκεκριμένο αντικείμενο του Mininet που
+θα χρησιμοποιηθεί για την υλοποίησή του.
+
+Οι διεπαφές \textbf{ανήκουν στους κόμβους} και προσδιορίζονται από λογικά ονόματα, τα οποία δεν απαιτείται να
+ταυτίζονται με τα ονόματα που θα δημιουργηθούν τελικά στο Linux.
+Για παράδειγμα, μία διεπαφή με λογικό όνομα \texttt{lan} μπορεί κατά την υλοποίηση να αντιστοιχιστεί στη φυσική
+διεπαφή \texttt{r0-eth0}.
+Η επιλογή αυτή επιτρέπει στο αρχείο JSON να χρησιμοποιεί ονόματα που εκφράζουν τον ρόλο μιας διεπαφής και όχι
+λεπτομέρειες της διαδικασίας δημιουργίας της.
+
+Μία διεπαφή μπορεί να χρησιμοποιεί στατική διευθυνσιοδότηση, DHCP ή να μην διαθέτει καθόλου Layer-3
+παραμετροποίηση.
+Στην περίπτωση στατικής διευθυνσιοδότησης δηλώνεται η διεύθυνση μαζί με το prefix και, προαιρετικά, μία
+προεπιλεγμένη πύλη.
+Επιπλέον μπορούν να δηλωθούν ιδιότητες όπως η διεύθυνση MAC και το MTU.
+
+Ιδιαίτερη σημασία έχει η διάκριση μεταξύ της \textbf{απουσίας} του πεδίου \texttt{interfaces} και της δήλωσης
+ενός κενού αντικειμένου \texttt{interfaces}.
+Όταν το πεδίο παραλείπεται, ο κόμβος θεωρείται ότι διαθέτει \emph{δυναμικό σύνολο διεπαφών} και νέες διεπαφές
+μπορούν να δημιουργηθούν κατά την επίλυση των συνδέσμων.
+Αντίθετα, όταν το πεδίο υπάρχει, ακόμη και αν είναι κενό, το σύνολο των διαθέσιμων διεπαφών θεωρείται
+\emph{σταθερό}.
+
+\subsubsection{Σύνδεσμοι και αυτόματη επιλογή διεπαφών}
+
+Κάθε σύνδεσμος αποτελεί αυτοτελή οντότητα και συνδέει ακριβώς δύο endpoints.
+Κάθε endpoint προσδιορίζει τον κόμβο στον οποίο ανήκει και τη λογική διεπαφή μέσω της οποίας πραγματοποιείται η
+σύνδεση.
+Η διεπαφή μπορεί να δηλωθεί ρητά ή να χρησιμοποιηθεί ο ειδικός επιλογέας \texttt{auto}.
+
+Όταν χρησιμοποιείται το \texttt{auto} σε κόμβο με σταθερό σύνολο διεπαφών, επιλέγεται μία από τις δηλωμένες
+διεπαφές που δεν έχει ήδη δεσμευτεί από άλλη σύνδεση.
+Αν δεν υπάρχει ελεύθερη διεπαφή, η τοπολογία θεωρείται μη έγκυρη και \textbf{δεν δημιουργείται επιπλέον θύρα
+	σιωπηρά}.
+Όταν αντίθετα το σύνολο διεπαφών έχει παραλειφθεί, το \texttt{auto} επιτρέπει τη δυναμική δημιουργία νέας λογικής
+διεπαφής για τις ανάγκες του συνδέσμου.
+
+Οι σύνδεσμοι μπορούν επίσης να περιλαμβάνουν παραμέτρους προσομοίωσης χαρακτηριστικών του φυσικού μέσου.
+Η τρέχουσα γλώσσα υποστηρίζει περιορισμό εύρους ζώνης, καθυστέρηση, απώλεια πακέτων και jitter μέσω των πεδίων
+\texttt{bandwidth\_mbps}, \texttt{delay\_ms}, \texttt{loss\_percent} και \texttt{jitter\_ms}.
+
+\subsubsection{Ρυθμίσεις κόμβων και υπηρεσίες}
+
+Οι ρυθμίσεις που αφορούν τη λειτουργία του ίδιου του κόμβου τοποθετούνται στο αντικείμενο \texttt{settings} του
+αντίστοιχου node.
+Για τον τύπο \texttt{router}, για παράδειγμα, υποστηρίζονται η ενεργοποίηση του IP forwarding και η
+απενεργοποίηση του reverse path filtering.
+Οι ιδιότητες αυτές αντιμετωπίζονται ως \emph{χαρακτηριστικά του network namespace} και όχι ως ανεξάρτητες
+υπηρεσίες.
+
+Οι υπηρεσίες μοντελοποιούνται ξεχωριστά επειδή αντιστοιχούν σε \textbf{διεργασίες που εκτελούνται πάνω σε έναν
+	κόμβο}.
+Στην παρούσα εργασία υποστηρίζεται η υπηρεσία \texttt{dhcp-server}, η οποία συνδέεται με έναν κόμβο και μία από
+τις διεπαφές του.
+Οι παράμετροι της υπηρεσίας περιλαμβάνουν το εύρος διευθύνσεων που μπορούν να εκχωρηθούν και την προεπιλεγμένη
+πύλη που διαφημίζεται στους DHCP clients.
+
+Η θέση εκτέλεσης μιας υπηρεσίας και η διεπαφή στην οποία συνδέεται αποτελούν μέρος της ίδιας της ταυτότητάς της
+και για τον λόγο αυτό δηλώνονται έξω από το αντικείμενο \texttt{settings}.
+Με αυτόν τον διαχωρισμό, το \texttt{settings} περιγράφει αποκλειστικά τη συμπεριφορά της υπηρεσίας και όχι το
+σημείο στο οποίο αυτή τοποθετείται μέσα στην τοπολογία.
+
+\subsubsection{Αυστηρότητα της γραμματικής}
+
+Η γραμματική σχεδιάστηκε ώστε να είναι \textbf{αυστηρή} και να μην αγνοεί άγνωστα πεδία ή μη υποστηριζόμενες
+τιμές.
+Ένα τυπογραφικό λάθος σε ένα όνομα ιδιότητας δεν αντιμετωπίζεται επομένως ως απουσία της ιδιότητας, αλλά ως
+σφάλμα της περιγραφής.
+Η επιλογή αυτή περιορίζει την πιθανότητα μία συντακτικά αποδεκτή αλλά διαφορετική από την επιθυμητή τοπολογία
+να δημιουργηθεί χωρίς εμφανή προειδοποίηση.
+
+Η γλώσσα διαχωρίζει επίσης τη \emph{δομική εγκυρότητα} μιας περιγραφής από τη \emph{σημασιολογική συνέπειά} της.
+Ένα αντικείμενο μπορεί να ακολουθεί σωστά τη γραμματική αλλά να περιγράφει, για παράδειγμα, έναν σύνδεσμο προς
+ανύπαρκτο κόμβο ή μία στατική πύλη εκτός του αντίστοιχου υποδικτύου.
+Η διάκριση αυτή αξιοποιείται στη συνέχεια από την αρχιτεκτονική του builder, όπου η ανάλυση της γραμματικής και
+ο σημασιολογικός έλεγχος πραγματοποιούνται σε \textbf{διαφορετικά στάδια}.
+
+
+
+
+\subsection{Συμπεράσματα}
+...
+
+\section{Σύνοψη}
+
+Τέλος, ...
+	
+\end{document}