QFlow: Um Sistema com Garantia de Isolamento e Oferta de Qualidade de Serviço para Redes Virtualizadas

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1 QFlow: Um Sistema com Garantia de Isolamento e Oferta de Qualidade de Serviço para Redes Virtualizadas Diogo Menezes Ferrazani Mattos Otto Carlos Muniz Bandeira Duarte SBRC 2012 maio/2012 Programa de Engenharia Elétrica - PEE/COPPE/UFRJ Universidade Federal 1 do Rio de Janeiro

2 Introdução Internet Projeto dos anos 70 Arpanet Poucos nós Usuários especializados Poucos serviços Núcleo simples Inteligência nas extremidades Demanda atual 2 bilhões de usuários Usuários não especializados Evolução através de remendos Vítima do sucesso Difícil de testar novas aplicações Não influenciar no funcionamento da rede Provedores de Serviços Rejeição a inovações 2

3 Virtrualização de Redes Redes em Paralelo Uma rede por serviço Infraestrutura de rede compartilhada entre redes virtuais Proposta para a Internet do Futuro Virtualização de Redes Divisão lógica das redes Isolamento entre as redes Rede com QoS Rede Experimental Rede de Produção 3 Rede Física

4 Qualidade de Serviço (QoS) em Redes Virtuais Desafio tecnológico Diferenciação de serviços entre redes virtuais Principais abordagens Provisionamento exagerado de recursos na rede física Configuração manual dos parâmetros de QoS Ferramentas de virtualização Falta de isolamento entre uso de recursos Sem suporte à Qualidade de Serviço Não atendimento de Service Layer Agreements (SLAs) Distribuição de recursos não eficiente entre redes virtuais 4

5 Proposta Arquitetura de roteador definido por software com suporte a Qualidade de Serviço e Isolamento de Recursos Separação de Planos Xen + OpenFlow Suporte a SLAs diferentes para cada rede virtual Controle dinâmico do uso de recursos Otimização no uso de recursos Garantia de Qualidade de Serviço em roteadores virtuais Modelo de virtualização de redes XenFlow 5

6 XenFlow Virtualização de redes com computador pessoal Baixo custo + Desempenho Compatibilidade com a rede legada Mecanismo Intermediário Rede Legada Rede Definida por Software Sistema híbrido de virtualização de redes Xen Controle distribuído + Programabilidade Pós-IP OpenFlow Redes definidas por software Separação do plano de controle do plano de dados Flexibilidade do plano de dados 6

7 QoS no XenFlow Desafios do XenFlow Ausência de isolamento no uso de recursos do Domínio 0 Todas as máquinas virtuais têm acesso a todos os recursos do Domínio 0 Recursos não isolados Memória CPU Banda Ausência de mecanismos de diferenciação de serviços Impossibilidade de ceder mais banda a uma rede virtual em relação às demais SLAs não são garantidos Ausência de QoS 7

8 QFlow: Controlador de QoS para Redes Virtuais QFlow XenFlow QoS 8

9 QFlow: Controlador de QoS para Redes Virtuais Ideia Básica Controlar o uso de recursos para cada rede virtual Mapear requisitos de QoS em recursos disponíveis Abordagem fluxos em filas Plano de controlede Definição Controlar a taxa encaminhamento por fila SeparaçãoMapear de planos Plano de dados Implantação Controlador de recursos de rede virtual Isolamento das redes + provisão de QoS Modelo de virtualização híbrido XenFlow Xen Execução dos protocolos de roteamento OpenFlow Execução do Encaminhamento 9

10 ArquiteturaCliente do QFlow Sistema Atualização das informações do QFlow plano de dados Definição de parâmetros de QoS interno à rede virtual Servidor QFlow Comunicação eficiente com os Roteadores Virtuais Configuração dos parâmetros de QoS Aplicação QFlow Isolamento dos recursos virtuais Encaminhamento de pacotes Definição das Filas Plano de Dados Open vswtich com Filas Protocolo OpenFlow 10 Controlador de QoS Cálculo da redistribuição de recursos ociosos -Limite Máximo -Limite Mínimo

11 Isolamento de Recursos Isolamento de recursos no Domínio 0 Controláveis Localmente Memória Restrição do número de fluxos por VM Restrição do número de rotas exportadas para o Domínio 0 CPU Máquina Virtual Trivial controlado pelo escalonador Xen Controlador Processamento por pacote Controlado pela Banda Banda Filas do OpenFlow 11

12 Controlador de Banda Objetivos Isolamento de banda Provisão de QoS Garantia de banda mínima Realocação de recursos ocisos Ideia básica Interfaces de rede divididas em filas Fluxos de uma dada rede virtual são encaminhados por uma determinada fila Filas com limites de banda definidos Limite mínimo garantido Limite máximo permitido 12

13 Controlador de Banda Verificação do uso de cada fila Média Móvel N últimos segundos Ponderação na redistribuição da banda Uso atual Valor inicial atribuído à fila Valor atual atribuído à fila Execução em paralelo com o controlador OpenFlow Aplicação a parte Não interfere na definição de fluxos NOX Processo Single Thread 13

14 Controle de Banda Condição de recrusos Ponderação de entreredistribuição filas Peso Limite mínimo contratado de cada fila a cada capacidade contratada Cálculo 1) dosmaior limites de fila = do envio de pacotes por fila Limite máximo Valor máximo Somatório capacidade ociosa do enlace Maiordaprioridade na redistribuição Definição do limite máximo = Cacidade Ociosa do Enlace ponderada pelo peso da fila em relação às demais do enlace 2) Maior o uso de recursos além do contratado Limite mínimo Sempre garantido Valor não alocado para as = filas do enlace Menor prioridade redistribuição Cálculo do valor não alocadona de banda Capacidade Valor Alocado Limite mínimo = mínimo contratado + valor ponderado da capacidade não alocada 14

15 Experimentos Protótipo de encaminhamento com filas Divisão de planos Xen Open vswitch OpenFlow + Encaminhamento por filas Encaminhamento por filas Uma fila por rede virtual 3 redes virtuais definidas Cada fila tem uma Qualidade de Serviço Banda Controlador de Filas Aplicação Python Geração da média móvel de uso de cada fila Cálculo do uso relativo de cada fila em relação ao total 15

16 Cenário de Testes Diferenciação de Serviços em Redes Virtuais Xen Open vswitch Filas + reserva de banda QFlow Filas + reserva adaptativa de banda Experimentos Distribuição da capacidade disponível Adequação ao SLA Redistribuição da capacidade ociosa do enlace 16

17 Cenário de Testes Gerador de Pacotes Linux Debian Iperf tcpdump Controlador do Teste Dispara o experimento Verifica os resultados Receptor de Pacotes Linux Debian Iperf tcpdump Testes Tráfego UDP do Gerador para o Receptor Enlaces de 100 Mb/s Pacotes de 1500 Bytes Intervalo de Confiança de 95% Roteador Virtual Linux Debian vcpu 128 MB RAM 2 Interfaces de Rede Roteador Físico Protótipo XenFlow Xen 4.0-amd64 Interfaces de Rede 100Mb/s 17

18 Experimentos Diferenciação de Serviços Diferenciação de QoS em redes virtuais Rede 1 10 Mb/s Rede 2 20 Mb/s Rede 3 30 Mb/s Xen Não há diferenciação de serviços 18

19 Experimentos Diferenciação de Serviços Diferenciação de QoS em redes virtuais Rede 1 10 Mb/s Rede 2 20 Mb/s Rede 3 30 Mb/s QFlow Open vswitch QFlow fornece maior diferenciação do que controle de filas do Open vswitch 19

20 Experimentos Adequação ao SLA Adequação da redistribuição ao SLA Métrica O quão próximo a distribuição de recursos efetiva está do valor esperado Experimento Duas redes virtuais 20 Mb/s e 40 Mb/s Controlador de QoS iniciado após 30s Comparação Open vswitch e QFlow 20

21 Experimentos Adequação ao SLA 21

22 Experimentos Adequação ao SLA Cálculo da métrica adequação 14% 22

23 Conclusão QFlow Sistema de virtualização de redes híbrido Separação de planos Protocolos de roteamento executam em roteadores virtuais Roteador virtual Máquina virtual Ambiente isolado e com sistema operacional próprio Isolamento de recursos locais Processamento Memória Banda 23

24 Conclusão Controlador de Qualidade de Serviço Redistribuição eficiente de recursos ociosos dos enlaces Garantido Reserva de um limite mínimo por rede virtual Disponibilizado Taxa máxima que uma rede pode assumir Adequação de 97% ao SLA Redistribuição eficiente de recursos 14% superior a filas no Open vswitch Provisão de QoS Entre redes virtuais Interno a uma rede virtual 24

25 Trabalhos Futuros Algoritmo para controle admissão de redes virtuais Decisão da aceitação da entrada de novas redes Verificação da disponibilidade de recursos Mapeamento da nova rede na rede física de destino Elaborar um mecanismo otimização da alocação de redes Reorganização da rede virtual sobre a física 25

26 QFlow: Um Sistema com Garantia de Isolamento e Oferta de Qualidade de Serviço para Redes Virtualizadas Diogo Menezes Ferrazani Mattos Otto Carlos Muniz Bandeira Duarte SBRC 2012 maio/2012 Programa de Engenharia Elétrica - PEE/COPPE/UFRJ Universidade Federal 26 do Rio de Janeiro

27 Discussão Possibilidades de aplicação do QFlow Uso padrão Integração Xen + OpenFlow Mapeamento do plano de encaminhamento de VMs em um comutador OpenFlow Cluster Router Conjunto de máquinas virtuais implementam um plano de controle Conjunto de comutadores OpenFlow implementam o plano de encaminhamento XenFlow traduz as rotas em fluxos nos planos de dados Diferencial de outras propostas Suporte a migrações 27

28 Módulos QFlow QFlow QFlow QFlow Client Server App Core 28

29 Módulos QFlow Client Monitoramento MAC das interfaces da máquina virtual Tabelas de rota Tabela ARP Comunicação com o QFlow Server QFlow Server Proxy entre os Clientes e a Aplicação Tratamento eficiente de várias conexões Multiplexação das conexões entre clientes e App 29

30 Módulos QFlow App Entrada das informações monitoradas no NOX Aplicação do NOX Difícil tratamento das conexões socket Trata somente a conexão App Server QFlow Core Modificação da Aplicação original de comutação PySwitch Definição dos fluxos no OpenFlow Decisão de acordo com as tabelas de rota monitoradas 30

31 Encaminhamento no QFlow Tabela de rotas no QFlow Core Alimentada pela QFlow APP Tabelas de Rotas MAC_dst IP Best Rotas Match VM 1 MAC VM 1 Rotas VM N MAC VM N 31 IP prx. Salto

32 Tradução de IP para Fluxo Descoberta do MAC do Próximo Salto do pacote Fluxo Informações obtidas do pacote + Ações de roteamento Tabelas ARP Modificar MAC de origem ARP VM MAC_dst Ações MAC destino original MAC de origem MAC VM 1 MAC de destino IP prx. Modificar IP Salto MAC do próximo salto Incrementar TTL 1 MAC OpenFlow não suporta ARP VM N MAC VM N IP 32 MAC Fluxo

33 Experimentos Diferenciação de QoS em redes virtuais Rede 1 10 Mb/s Rede 2 20 Mb/s Rede 3 30 Mb/s Xen 33

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