Proactive network management in Cloud Computing environments using Cacti and Nagios free software solutions Rafael Fernando Diorio (Universidade Estadual de Campinas, SP, Brasil) rafael@diorio.com.br Varese Salvador Timóteo (Universidade Estadual de Campinas, SP, Brasil) varese@ft.unicamp.br Edson Luiz Ursini (Universidade Estadual de Campinas, SP, Brasil) ursini@ft.unicamp.br Abstract: This paper describes the use of Cacti and Nagios free software solutions for proactive network management in cloud computing environments. Through a case study, we demonstrate that the information obtained by these solutions can assist the NOC s of the Clouds in the identification and anticipation of possible degradations and/or interruptions in your computing environment, contributing proactively to the management of this environment and favoring the maintenance of their SLA s, and its maximum availability and scalability, among others. Keywords: Proactive network management; Cloud Computing; Cacti; Nagios. Gerenciamento pró-ativo de rede em ambientes de Cloud Computing utilizando as soluções de software livre Cacti e Nagios Resumo: Este artigo aborda a utilização das soluções de software livre Cacti e Nagios para o gerenciamento pró-ativo de rede em ambientes de Cloud Computing. Por meio de um ambiente de estudo de caso, demonstra-se que as informações de gerenciamento fornecidas por tais soluções podem auxiliar os NOC s das Clouds na identificação e antecipação de eventuais degradações e/ou interrupções em seu ambiente computacional, contribuindo de modo pró-ativo ao gerenciamento de tal ambiente e favorecendo o atendimento e manutenção de seus SLA s, bem como de sua máxima disponibilidade e escalabilidade, de modo geral. Palavras-chave: Gerenciamento pró-ativo de rede; Cloud Computing; Cacti; Nagios. 1. Introdução A evolução dos sistemas de comunicação e a popularização do acesso residencial de banda larga contribuíram de modo significativo para que os usuários da rede (Internet) explorassem os diversos serviços e aplicações por ela oferecidos. Aplicações e serviços tradicionais, associados à navegação web e correio eletrônico, por exemplo, coexistem com uma grande quantidade de outros serviços e aplicações extremamente populares, tais como aplicações e serviços para negócios eletrônicos (e-business), comércio eletrônico (e- Commerce), governo eletrônico (e-government) e de acesso e distribuição de conteúdos multimídia, dentre outras [Younge, 2010][Kurose e Ross, 2010]. Neste contexto, a busca pela escalabilidade, disponibilidade, flexibilidade e utilização sob demanda de parte dessas aplicações e serviços, bem como da necessidade de otimização da infraestrutura que embasa o funcionamento destes, tornou comum a disponibilização e utilização de tais serviços e aplicações em ambientes de Cloud Computing. 0551
Em tal cenário, quanto à operacionalização e manutenção da infraestrutura computacional dos ambientes que embasam a estrutura funcional das Clouds, a qual é comumente composta por diversos, complexos e heterogêneos componentes de hardware e software, é indispensável à adoção e utilização de mecanismos que objetivem o gerenciamento dessas diversas aplicações e serviços de rede, bem como de sua infraestrutura física e lógica de comunicação, especialmente, para garantir e cumprir os acordos de níveis de serviços (Service Level Agreements SLA s) entre os fornecedores (Provedores) e clientes (usuários) de tais serviços e aplicações [Carvalho e Granville, 2011][Amanatullah et al, 2013][Xingye et al, 2010][Younge et al, 2010]. Desta forma, o presente artigo aborda a utilização das soluções de software livre Cacti 1 e Nagios 2 para o gerenciamento pró-ativo de rede em ambientes de Cloud Computing com o objetivo de contribuir, especialmente, para a administração e o monitoramento de tais ambientes por seus centros de operações (Network Operations Center NOC). Para tal, quanto à organização deste artigo, a Seção 2 descreve os conceitos básicos quanto ao gerenciamento pró-ativo de rede (com ênfase quanto às soluções Cacti e Nagios). A Seção 3 descreve um ambiente de estudo de caso acerca de tais soluções e, por fim, a Seção 4 descreve as conclusões quanto ao mesmo. 2. Gerenciamento pró-ativo de rede 2.1. Visão geral No contexto de rede, o gerenciamento pró-ativo (ou gerência pró-ativa) tem como objetivo a identificação de situações que possam levar à degradação ou interrupções dos recursos e serviços de rede antes que esses efetivamente ocorram, evitando e/ou minimizando sua indisponibilidade, bem como reduzindo a realização de ações corretivas associadas a tais degradações e/ou interrupções, de modo geral [Kousiouris et al, 2013][Fu e Xu, 2009][Cecílio, 2002]. Para tal, essa gerência é extremamente benéfica em ambientes que enfatizam, especialmente, sua máxima disponibilidade e escalabilidade, bem como a garantia de manutenção dos SLA s previamente acordados entre seus fornecedores (Provedores) e clientes (usuários), tais como ocorrem, comumente, nos ambientes de Cloud Computing, por exemplo. Desta forma, a utilização de ferramentas e soluções que agreguem tais recursos e funcionalidades, especialmente, aos NOC s das Clouds, além de contribuir para sua disponibilidade e escalabilidade, são indispensáveis para sua administração e monitoramento. É neste contexto que as soluções Cacti e Nagios estão inseridas, como ferramentas, de software livre, que agregam e fornecem recursos que contribuem para o gerenciamento próativo de rede. 2.2. Soluções Cacti e Nagios As soluções Cacti e Nagios representam duas das mais conhecidas e utilizadas ferramentas de software livre para o gerenciamento de redes, nesse caso, referindo-se especialmente ao monitoramento dos recursos de hardware e software dos hosts de tais redes, de modo geral. 1 http://www.cacti.net 2 http://www.nagios.org 0552
Destas, o Cacti se caracteriza, especialmente, por disponibilizar informações na forma de gráficos (por meio de páginas web) quanto aos recursos dos hosts por ele monitorados (utilizando, comumente, o protocolo SNMP), tais como gráficos referentes à utilização dos recursos de processamento, memória e/ou de rede utilizada por um ou vários hosts da rede, dentre outros. Como exemplo, a Figura 1 ilustra uma dentre as diversas interfaces de gerenciamento fornecidas pelo Cacti: Figura 1. Uma das interfaces de gerenciamento fornecidas pelo Cacti. Por sua vez, o Nagios se caracteriza, especialmente, por exibir (também, por meio de páginas web) e enviar mensagens de alertas ou de erros (por e-mail ou por SMS, por exemplo) quando alguma situação tida como atípica ocorre na rede, tais como o aumento de processamento ou utilização de memória de um host em específico ou a indisponibilidade de uma aplicação ou serviço de rede, dentre outros. Como exemplo, a Figura 2 ilustra uma dentre as diversas interfaces de gerenciamento fornecidas pelo Nagios: Figura 2. Uma das interfaces de gerenciamento fornecidas pelo Nagios. 0553
Desta forma, quanto ao gerenciamento pró-ativo da rede, tais soluções podem ser utilizadas de modo a possibilitar, antecipadamente, a identificação de eventuais anormalidades e/ou ocorrência de falhas ao longo da rede, evitando e/ou minimizando sua indisponibilidade, bem como reduzindo a realização de ações corretivas associadas a tais degradações e/ou interrupções, de modo geral. 3. Estudo de Caso Para demonstrar as contribuições quanto ao gerenciamento pró-ativo da rede utilizando as soluções Cacti e Nagios no contexto de Cloud Computing, propõe-se a utilização de ambas em um ambiente comum às Clouds, nesse caso com ênfase na Infraestrutura como Serviço (Infrastructure as a Service IaaS), embasada por meio de servidores de virtualização e hosts virtuais, nesse caso representadas por 1 servidor de virtualização (Linux) e 4 hosts virtuais (2 Linux e 2 MS Windows), fornecendo recursos de Internet (tais como serviços de hospedagem web, resolução de nomes, transferência de arquivos e de e-mail, dentre outros) aos seus respectivos clientes e usuários (Figura 3). Figura 3. Ambiente utilizado para o estudo de caso das soluções de software livre Cacti e Nagios para o gerenciamento pró-ativo de rede no contexto de Cloud Computing. Em tal ambiente, grande parte dos esforços associados ao seu gerenciamento estão voltados à sua máxima disponibilidade, escalabilidade e no aproveitamento de seus recursos computacionais da melhor forma possível, objetivando menores quantidades de intervenções corretivas e minimizando e/ou evitando a ocorrência de situações de degradações e interrupções, de modo geral. Desta forma, é indispensável à utilização de ferramentas que contribuam para que tais objetivos sejam alcançados e mantidos, os quais podem ser simplificados e realizados, por exemplo, por meio das soluções de gerenciamento Cacti e Nagios. Neste contexto, por meio da solução Cacti é possível visualizar, em frações de segundos e de modo simples e objetivo, gráficos associados à utilização dos vários recursos 0554
de hardware dos servidores e hosts virtualizados nos ambientes das Clouds, possibilitando a identificação antecipada de eventuais anormalidades e/ou degradações que, se não tratadas de modo pró-ativo, poderão acarretar em manutenções corretivas em tais ambientes, comumente, implicando na indisponibilidade dos mesmos. Como exemplo, a Figura 4 ilustra o gráfico associado à utilização de recursos de processamento do servidor cloud001, utilizado para virtualizar os hosts que compõe o ambiente de estudo de caso descrito anteriormente: Figura 4. Gráfico referente à utilização de recursos de processamento do servidor de virtualização cloud001 obtido pela solução Cacti. Observe que, por meio desse gráfico, é possível visualizar de forma simples e objetiva a carga de processamento desse servidor em momentos específicos de sua utilização, possibilitando, nesse caso, a identificação de um aumento significativo em tal carga de processamento por volta das 08:00hs (de cerca de 5% para cerca de 50%), momento em que seus 4 hosts virtuais foram inicializados, mas que ainda assim, não representa um gargalo quanto a tal recurso. De modo similar e complementar às informações quanto aos recursos de processamento de seus servidores, os operadores dos NOC s das Clouds também podem obter informações quanto a outros recursos, tais como utilização de memória (Figura 5), disco (Figura 6) e rede (Figura 7), dentre outros: Figura 5. Gráfico referente à utilização de recursos de memória do servidor de virtualização cloud001 obtido pela solução Cacti. 0555
Figura 6. Gráfico referente à utilização de recursos de armazenamento (disco) do host virtual vm004 obtido pela solução Cacti. Figura 7. Gráfico referente à utilização de recursos de rede do host virtual vm002 obtido pela solução Cacti. Observe que as informações (gráficos) disponibilizadas pelo Cacti não estão restritas somente aos servidores das Clouds. É possível obter informações de qualquer dispositivo conectado à rede e executando o protocolo SNMP, tais como o servidor de virtualização cloud001 e os hosts virtualizados vm004 e vm002, dentre outros. Ainda quanto a tais hosts, por meio dos gráficos listados anteriormente, pode-se observar que o servidor cloud001 está no limite quanto aos seus recursos de memória (Figura 5) e que o host vm004 está gradativamente, e em curto prazo de tempo, esgotando seu espaço de armazenamento (Figura 6). Por meio dessas informações, os operadores dos NOC s das Clouds podem antecipar-se a eventuais degradações e sobrecargas de utilização e propor/realizar melhorias antes que tais situações comprometam seus SLA s, bem como o desempenho de seus hosts. De modo complementar a tais ações, quando envolvendo limitações voltadas aos hosts configurados/otimizados por seus clientes, os Provedores podem, antecipadamente, propor planos de melhorias e sugestões de upgrades, de modo a contribuir com o melhor dimensionamento e utilização das soluções contratadas por seus clientes, dentre outros. Ainda quanto aos gráficos gerados pelo Cacti, estes são atualizados em frações de segundos, possibilitando a visualização de informações quanto aos recursos observados tão logo estes são utilizados. Também é possível pesquisar e exibir informações com base em consultas específicas e ter acesso a todos os gráficos gerados a partir de uma interface (web) 0556
simples e intuitiva (Figura 8), acessível a qualquer dispositivo conectado à rede e com navegador web de uso geral disponível para utilização: Figura 8. Uma das interfaces de acesso e customizações de consultas quanto aos gráficos gerados pela solução Cacti. Por sua vez e de modo complementar ao Cacti, os Provedores podem utilizar a solução Nagios para simplificar, por meio de notificações de alertas, a identificação de anormalidades e/ou problemas em seu ambiente computacional, tais como a utilização excessiva dos recursos de memória do servidor cloud001 e de disco (armazenamento) do host virtual vm004 exibidas anteriormente por meio dos gráficos do Cacti. A partir de tal solução, pode-se adequar os limiares que compreendem o início de uma situação tida como atípica, bem como aqueles que a tratam como um problema que merece atenção imediata. Como exemplo, com base no trecho de código descrito na sequência, a solução Nagios irá monitorar a utilização do disco c:\ do host vm004 e exibir mensagens do tipo warning caso sua utilização chegue/ultrapasse 80% e mensagens do tipo critical caso sua utilização chegue/ultrapasse 90%: define service{ host_name vm004 service_description Disk Usage check_command check_nt!useddiskspace!-l c -w 80 -c 90 : } A partir de tais configurações, as mensagens de alerta do Nagios podem ser facilmente visualizadas por meio de sua interface web (Figura 9) e, se desejável, também por meio de mensagens SMS ou por e-mail (Figura 10): 0557
Figura 9. Mensagens de alerta sinalizando anormalidades e/ou problemas na rede, visualizadas por meio da interface web da solução Nagios. Figura 10. Mensagem de alerta sinalizando anormalidades e/ou problemas na rede, enviada por e-mail pela solução Nagios. Vale ressaltar que a solução Nagios não está restrita apenas ao monitoramento de recursos voltados à utilização do hardware do ambiente das Clouds. Por meio dessa solução é possível monitorar e customizar alertas associados aos mais variados recursos do ambiente monitorado, tais como aplicações, serviços e processos em execução, arquivos de log, usuários conectados ao sistema, URL s específicas, portas abertas no sistema, carga de tonners em impressoras e uma grande quantidade de outros recursos. Tendo em vista essa flexibilidade quanto aos recursos que serão monitorados, o Nagios possui uma grande quantidade de interfaces e complementos disponíveis para simplificar a visualização de suas informações, possibilitando alta flexibilidade quanto à sua configuração e customização, bem como da possibilidade de sua integração com diversas outras soluções voltadas às redes de computadores, de modo geral. Como exemplo, a Figura 11 mostra duas dentre as várias interfaces disponíveis para a visualização das informações de gerenciamento fornecidas pelo Nagios: 0558
Figura 11. Duas das interfaces disponíveis para visualização das informações de gerenciamento fornecidas pela solução Nagios. Desta forma, por meio das informações de gerenciamento fornecidas pelas soluções de software livre Cacti e Nagios, a equipe de administração dos NOC s das Clouds pode identificar facilmente os pontos que merecem atenção especial quanto ao gerenciamento pró-ativo da rede e, nesse caso, minimizar a realização de manutenções corretivas e eventuais interrupções em tal ambiente, além de contribuir de modo significativo para sua máxima disponibilidade e escalabilidade, bem como para a garantia de manutenção dos SLA s previamente acordados entre o Provedor e seus clientes, de modo geral. 0559
4. Conclusão A utilização de mecanismos e ferramentas que contribuam para o gerenciamento pró-ativo da rede é indispensável em ambientes que objetivam, especialmente, sua alta disponibilidade, escalabilidade, bem como a garantia de que seus SLA s serão atendidos com a menor quantidade possível de intervenções corretivas e de paradas associadas a tais intervenções, tais como ocorre, comumente, em ambientes de Cloud Computing. Em tais ambientes, as soluções de gerenciamento Cacti e Nagios contribuem com esses objetivos fornecendo mecanismos para que suas NOC s possam monitorar, em frações de segundos e por meio de gráficos e de mensagens de alertas, as situações de utilização de seus recursos de hardware e de software. Por meio de tais soluções, é possível antecipar-se e/ou identificar situações tidas como atípicas e prejudiciais à rede, e evitar que os efeitos destas possam comprometer a qualidade de seus serviços, bem como implicar em interrupções pertinentes a manutenções corretivas, dentre outras. Por fim, de modo complementar a tais benefícios e características, as soluções Cacti e Nagios, que são de software livre, podem ser customizadas e adequadas aos mais variados e complexos ambientes computacionais, fornecendo recursos em nível de codificação ou de integrações por meio de arquivos de configurações a uma grande quantidade de outras ferramentas e soluções, contribuindo para o gerenciamento pró-ativo dos mais variados e complexos ambientes de rede, tais como os ambientes de Cloud Computing, por exemplo. Agradecimentos Os autores registram seus agradecimentos a CAPES, CNPq, FAEPEX e FAPESP pelo apoio ao respectivo projeto de pesquisa, bem como aos demais projetos amparados por estas. Referências Amanatullah, Y.; Lim, C.; Ipung, H.P.; Juliandri, A (2013). Toward cloud computing reference architecture: Cloud service management perspective. International Conference on ICT for Smart Society (ICISS). Carvalho, M. B.; Granville, L.Z (2011). Incorporating virtualization awareness in service monitoring systems IFIP/IEEE International Symposium on Integrated Network Management (IM). Cecílio, E. L (2002). Uma Arquitetura de Gerenciamento de Desempenho Pró-ativo Distribuído Usando Tecnologia Ativa. Dissertação de Mestrado, Instituto de Matemática/Núcleo de Computação Eletrônica - Universidade Federal do Rio de Janeiro. Diorio, R. F.; Timóteo, V. S.; Ursini, E. L. (2014). Testing an IP-based Multimedia Gateway. INFOCOMP (UFLA. Impresso), v. 13, p. 21-25. Fu, S.; Xu, C (2009). Proactive Resource Management for Failure Resilient High Performance Computing Clusters. International Conference on Availability, Reliability and Security. 0560
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