Proposta e Validação de Nova Arquitetura de Redes de Data Center
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- Nelson Martins Leveck
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1 Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Departamento de Engenharia de Computação e Automação Industrial Área de concentração: Engenharia de Computação Proposta e Validação de Nova Arquitetura de Redes de Data Center Banca examinadora: Edmundo Roberto Mauro Madeira Marcos Rogério Salvador Autor: Carlos Macapuna Orientador: Maurício Magalhães Campinas, 29 de Abril de 2011 Coorientador: Christian Esteve
2 Agenda Introdução Tecnologias e Trabalhos Relacionados Proposta de Nova Arquitetura de Data Center Considerações Finais
3 Agenda Introdução Tecnologias e Trabalhos Relacionados Proposta de Nova Arquitetura de Data Center Considerações Finais
4 Introdução Guerra Fria, ARPANET Expansão pela comunidade acadêmica TCP/IP Limitações ARPANET, NSFNET, Empresas privadas ARPANET + NSFNET +TCP/IP... = Internet A partir da década de 90: WWW, popularização, redes sociais Escassez de IP, aumento na tabela BGP Demanda por processamento, armazenamento de dados e segurança: Datacenter 4/56
5 Introdução Cloud Computing Data center Soluções para aumentar a escala, desempenho, custo-eficiência Inovações Infraestrutura: Eficiência energética, fiação, acondicionamento Engenharia de rede: Roteamento, virtualização, monitoramento 5/56
6 Agenda Introdução Tecnologias e Trabalhos Relacionados Proposta de Nova Arquitetura de Data Center Considerações Finais
7 Tecnologias e Trabalhos Relacionados Programabilidade na Rede OpenFlow NOX Open vswitch 7/56
8 Tecnologias e Trabalhos Relacionados Programabilidade na Rede OpenFlow Tabela de Fluxos Canal Seguro Protocolo OpenFlow Ingress Port Ether src dst VLAN type id priority IP src dst proto TCP/UDP ToS bits src port dst port 8/56
9 Tecnologias e Trabalhos Relacionados Data center - Infraestrutura atual Fragmentação de recursos.. devido ao balanceamento de carga, subredes IP, mapeamento de VLAN, middleboxes... 9/56
10 Tecnologias e Trabalhos Relacionados Propostas de Arquitetura de Data center Monsoon - Comoditização - Valiant Load Balancing (VLB) - Roteamento Flat - Tunelamento MAC-in-MAC - Camada 2 - ARP desativado 10/56
11 Tecnologias e Trabalhos Relacionados Propostas de Arquitetura de Data center VL2 - Evolução do Monsoon - Camada 2 virtual - VLB e o ECMP - Sem broadcast (ARP) - Encapsulamento 11/56
12 Tecnologias e Trabalhos Relacionados Propostas de Arquitetura de Data center PortLand - Protocolo de descoberta de topologia - Pseudo endereços MAC (PMAC) - Serviço centralizado de gerenciamento - Sem broadcast (ARP) - ECMP 12/56
13 Tecnologias e Trabalhos Relacionados Motivação SiBF Melhores práticas adotadas das recentes propostas Contribuições da arquitetura - Equipamentos de prateleira - Estado único nos switches (ibf) - Balanceamento de carga - Sem modificações nos nós finais - Tolerância a falhas - Sem encapsulamento - Ethernet em grande escala (camada 2) - Tecnologia OpenFlow (Programabilidade) - Remoçao do ARP (flood) 13/56
14 Tecnologias e Trabalhos Relacionados Motivação SiBF Melhores práticas adotadas das recentes propostas Contribuições da arquitetura - Equipamentos de prateleira - Estado único nos switches (ibf) - Balanceamento de carga - Sem modificações nos nós finais - Tolerância a falhas - Sem encapsulamento - Ethernet em grande escala (camada 2) - Tecnologia OpenFlow (Programabilidade) - Remoçao do ARP (flood) 14/56
15 Agenda Introdução Tecnologias e Trabalhos Relacionados Proposta de Nova Arquitetura de Data Center Considerações Finais
16 Proposta de Nova Arquitetura de Data Center Requisitos de Redes de Data Center Recursos (virtualmente) Infinitos Escalabilidade Desempenho Resiliência a falhas Flexibilidade e capacidade de expansão Suporte a Middlebox Baixo custo 16/56
17 Proposta de Nova Arquitetura de Data Center Princípios da Arquitetura Separação identificador/localizador Funcionalidade plug & play Balanceamento de carga (VLB) Controle logicamente centralizado e fisicamente distribuído Tolerância ampla à ocorrência de falhas Rota na origem 17/56
18 Proposta de Nova Arquitetura de Data Center Princípios da Arquitetura Separação identificador/localizador Funcionalidade plug & play Balanceamento de carga (VLB) Controle logicamente centralizado e fisicamente distribuído Tolerância ampla à ocorrência de falhas Rota na origem 18/56
19 Proposta de Nova Arquitetura de Data Center Topologia - Fat-tree (3 camadas) - Diâmetro pequeno - Múltiplos caminhos entre qualquer par de servidores - Balanceamento de carga - Tolerância a falhas 19/56
20 Proposta de Nova Arquitetura de Data Center Filtro de Bloom Livre de Falsos Positivos Filtro de Bloom - Array de m bits - k funções hash independentes - n elementos inseridos 96 bits do Ethernet (src e dst) 7 3 endereços MAC (Core, aggr e ToR) 20/56
![Proposta de Nova Arquitetura de Data Center Filtro de Bloom Livre de Falsos Positivos Impacto de falsos positivos no encaminhamento p k =[1 (1 m1 )kn ]k](/docs-images/66/56160377/images/21-0.jpg "Probabilidade de falso positivo Remoção dos falsos positivos - Múltiplos caminhos - Múltiplas representações dos ibf (diferentes conjuntos de funções hash)")
21 Proposta de Nova Arquitetura de Data Center Filtro de Bloom Livre de Falsos Positivos Impacto de falsos positivos no encaminhamento p k =[1 (1 m1 )kn ]k Probabilidade de falso positivo Remoção dos falsos positivos - Múltiplos caminhos - Múltiplas representações dos ibf (diferentes conjuntos de funções hash) 21/56
22 Proposta de Nova Arquitetura de Data Center Serviços de Topologia e Diretório Protocolo de descoberta Tree and Role Discovery Protocol LLDP (Link Layer Discovery Protocol) TLV (Type-length-value) Base de dados não relacionais Serviço de topologia NoSQL (Not only SQL): <chave, valor> Topology Service (TS) Serviço de diretório Directory Service (DS) 22/56
23 Agenda Introdução Tecnologias e Trabalhos Relacionados Proposta de Nova Arquitetura de Data Center Considerações Finais
24 Implementação Protocolo OpenFlow Gerenciador de Rack - Rack Manager Core - Tree Discovery - Arp Replier - Topology Service - Directory Service 24/56
25 Implementação Protocolo OpenFlow Gerenciador de Rack - Rack Manager Core - Tree Discovery - Arp Replier - Topology Service - Directory Service 25/56
26 Implementação - Tree Discovery 26/56
27 Implementação NoSQL Keyspace - Base de dados não relacionais - Opção de implementação - Open Source - API em Python 27/56
28 Implementação Sequência de Mensagens 28/56
29 Implementação Sequência de Mensagens 29/56
30 Implementação Sequência de Mensagens 30/56
31 Implementação Sequência de Mensagens 31/56
32 Implementação Sequência de Mensagens 32/56
33 Implementação Sequência de Mensagens 33/56
34 Implementação Ambiente de testes - OpenFlowVMS+SSH+QEMU/VDE - 4 CORE - 8 ToR - 36 total - 8 AGGR - 16 nós finais 34/56
35 Implementação Ambiente de testes - OpenFlowVMS+SSH+QEMU/VDE - 4 CORE - 8 ToR - 36 total - 8 AGGR - 16 nós finais 35/56
36 Implementação Ambiente de testes - OpenFlowVMS+SSH+QEMU/VDE - 4 CORE - 8 ToR - 36 total - 8 AGGR - 16 nós finais 36/56
37 Implementação Ambiente de testes - OpenFlowVMS+SSH+QEMU/VDE - 4 CORE - 8 ToR - 36 total - 8 AGGR - 16 nós finais 37/56
38 Implementação Ambiente de testes - OpenFlowVMS+SSH+QEMU/VDE - 4 CORE - 8 ToR - 36 total - 8 AGGR - 16 nós finais 38/56
39 Implementação Ambiente de testes - OpenFlowVMS+SSH+QEMU/VDE - 4 CORE - 8 ToR - 36 total - 8 AGGR - 16 nós finais 39/56
40 Implementação Ambiente de testes - OpenFlowVMS+SSH+QEMU/VDE - 4 CORE - 8 ToR - 36 total - 8 AGGR - 16 nós finais 40/56
41 Implementação Ambiente de testes - OpenFlowVMS+SSH+QEMU/VDE - 4 CORE - 8 ToR - 36 total - 8 AGGR - 16 nós finais 41/56
42 Implementação Ambiente de testes - OpenFlowVMS+SSH+QEMU/VDE - 4 CORE - 8 ToR - 36 total - 8 AGGR - 16 nós finais 42/56
43 Validação e Resultados Análise do estado Falsos positivos Balanceamento de carga Tolerância a falhas e validação experimental 43/56
44 Validação e Resultados Análise do estado Número mínimo e constante de entradas nos switches COREs e AGGRs, apenas uma entrada por interface 44/56
45 Validação e Resultados Falsos positivos - n=3, m=96, k=7 - O(10 6) p k =[1 (1 m1 )kn ]k Probabilidade de falso positivo - <1% - Loop free 45/56
46 Validação e Resultados Balanceamento de carga Todos para todos Aleatório - Todos os links são utilizados - VLB no SiBF: Variação de apenas 20% sobre a utilização média do link 46/56
47 Validação e Resultados Tolerância a falhas e validação experimental - Rack Manager - Base de dados NoSQL - Topology Service e Directory Service - Switches OpenFlow 47/56
48 Validação e Resultados Tolerância a falhas e validação experimental - Rack Manager - Switches OpenFlow - Topology Service e Directory Service - Base de dados NoSQL 48/56
49 Validação e Resultados Tolerância a falhas e validação experimental - Rack Manager - Switches OpenFlow - Topology Service e Directory Service - Base de dados NoSQL 49/56
50 Validação e Resultados Tolerância a falhas e validação experimental - Rack Manager - Switches OpenFlow - Topology Service e Directory Service - Base de dados NoSQL 50/56
51 Implementação Ambiente de testes - Mininet - 8 CORE - 16 AGGR - 32 ToR nós finais total 51/56
52 Agenda Introdução Tecnologias e Trabalhos Relacionados Proposta de Nova Arquitetura de Data Center Considerações Finais
53 Considerações Finais Conclusões Modelo de controle centralizado (OpenFlow) pode ser implementado de forma distribuído Oferecendo serviços de encaminhamento customizados (hardware) Com as características das aplicações em nuvem Serviço de encaminhamento com SiBF requer um estado mínimo na rede 53/56
54 Considerações Finais Trabalhos Futuros Aperfeiçoar a tolerância a falhas Engenharia de tráfego e balanceamento de carga aleatória Deletable Bloom filter (DlBF) Migração de máquinas virtuais Datacenter distribuído geograficamente 54/56
55 Considerações Finais Publicações 1. Carlos A. B. Macapuna, Christian E. Rothenberg, Maurício F. Magalhães. In-packet Bloom filter based data center networking with distributed OpenFlow controllers. IEEE International Workshop on Management of Emerging Networks and Services (IEEE MENS 2010) in conjunction with IEEE GLOBECOM 2010, Miami, Florida, USA, 6-10 de Dezembro de Carlos A. B. Macapuna, Christian E. Rothenberg, Maurício F. Magalhães. Controle distribuído em Redes de Data Center baseado em Gerenciadores de Rack e Serviços de Diretório/Topologia. VIII Workshop em Clouds, Grids e Aplicações (WCGA 2010), Gramado, Rio Grande do Sul, Brasil, 28 de Maio, Christian E. Rothenberg, Carlos A. B. Macapuna, F. Verdi, Maurício F.Magalhães, A. Zahemszky. Data center networking with in-packet Bloom filters. XXVIII Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos (SBRC 2010), Gramado, Rio Grande do Sul, Brasil, 24 a 28 de Maio, Christian E. Rothenberg, Carlos. A. B. Macapuna, Fábio L. Verdi and Maurício F. Magalhães. The Deletable Bloom filter: A new member of the Bloom family. IEEE Communications Letters, vol.14, no.6, pp , June Christian Esteve Rothenberg, Carlos Alberto Braz Macapuna, Mauricio Ferreira Magalhaes, Fabio Luciano Verdi, Alexander Wiesmaier, In-packet Bloom filters: Design and networking applications, Computer Networks, In Press, Corrected Proof, Available online 19 December 2010, ISSN , DOI: /j.comnet /56
56 Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Departamento de Engenharia de Computação e Automação Industrial Área de concentração: Engenharia de Computação Proposta e Validação de Nova Arquitetura de Redes de Data Center Obrigado!!!
Proposta e Validação de Nova Arquitetura de Redes de Data Center
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