Sistemi Middleware

Comunicazioni di rete nei Data Center Distribuiti

Federico Baroccia.a. 2013/2014

Communications

Indice

1. Caratteristiche generali

2. Architetture per migliorare la comunicazione → VICTOR → VL2 → PortLand

3. Considerazioni finali

Communications

Architettura tradizionale

I Data Center convenzionali usano server dedicati per eseguire le applicazioni.

→ Macchine non utilizzate completamente → Costi elevati → Scalabilità verticale

Communications

Architettura Cloud

Impiego delle tecnologie di virtualizzazione.

→ I server eseguono più istanze di macchine virtuali

→ Costi contenuti → Scalabilità orizzontale → Distribuzione geografica

Communications

Architettura Data Center proposta da CISCO

Communications

Internet InternetCR CR

AR AR AR AR…

SSLB LB

Data CenterLayer 3

Internet

SS

A AA …

SS

A AA …

…

Layer 2

Key:• CR = L3 Core Router• AR = L3 Access Router• S = L2 Switch• LB = Load Balancer• A = Rack of 20 servers

with Top of Rack switch

Confronto sulla comunicazione

Communications

CLIENT/SERVER SERVER/SERVER

DATA CENTER TRADIZIONALE

Maggiore Latenza Comunicazioni più veloci e semplici da gestire

CLOUD Minore Latenza Comunicazione più lenta e complessa.

Problemi nella gestione di rete delle Macchine Virtuali

Pressioni commerciali

Fornire servizi che rispondono più velocemente alle richieste dell'utente migliorano la sua esperienza, fornendo maggiori guadagni per l'azienda.

Communications

Altre motivazioni

→ Scalabilità su richiesta → Massimo utilizzo dei server → Affidabilità e ridondanza dei servizi → Risparmio energetico

Communications

Obiettivi

→ Fornire una rete agile e scalabile → Alte prestazioni ed affidabilità → Possibilità di rilocare (migrare) servizi → Fornire una banda ed una latenza uniforme → Isolamento dei servizi → Contenere i costi

Communications

Obiettivi di Rete

→ Banda elevata ed uniformeI servizi devono poter accedere ad uguali

potenzialità di rete indifferentemente da dove essi sono collocati.

→ IsolazioneIl traffico dati di un server non deve

interferire con quello di un altro. → Facilità di configurazione

Data Center “Plug-and-Play”

Communications

Punti fondamentali

→ Traffico dati elevato

→ Basse latenze di comunicazione

→ Scalabilità

Communications

Soluzione

→ Ottimizzare le comunicazioni di rete!

… come ?

→ VICTOR → VL2 → PortLand

Communications

VICTOR

Virtually Clustered Open Router

Rete virtuale costituita da router virtuali per connettere macchine virtuali.

VICTOR

Live Migration

Le VM possono essere migrate per migliorare le comunicazioni.

Occorre garantire trasparenza nelle comunicazioni di rete (Virtual IP).

VICTOR

Architettura

FE: Elementi di Instradamento

CC: Controllore centralizzato (uno o più)

→ Il CC controlla e configura i vari FE.

VICTOR

Instradamento

Traffico dati da Client a VM1:

- Client- FE2- FE4- VM1

VICTOR

Instradamento

Traffico dati da VM1 a Client:

- VM1- FE4- Client

VICTOR

Instradamento

Traffico dati da VM1 a VM2:

- VM1- FE4- FE3- VM2

VICTOR

Migrazione di Macchine Virtuali

→ Semplice se nella stessa LAN

→ Se interessa LAN diverse si impiegano messaggi ARP per comunicare la nuova posizione

→ Il CC configura gli FE per instradare correttamente i pacchetti

VICTOR

VL2

La rete di interconnessione tra server viene astratta in un unico switch virtuale.

VL2

VL2

La rete di interconnessione tra server viene astratta in un unico switch virtuale.

VL2

VL2

VL2Caratteristiche

→ Nessuna modifica hardware. → Flessibilità nella allocazione

delle risorse. → Topologia CLOS, molti

percorsi di connessione. → VLB (Valiant Load Balancing)

instradamento dati casuale e non centralizzato.

Architettura VL2

VL2

Comunicazione tra server

Si gestiscono 2 tipi di indirizzi IP, usati per separare i servizi dalla loro localizzazione:

→ AA: Application-specific Address → LA: Location-specific Address

→ AA-to-LA: Viene usato un Directory System per mappare e convertire gli indirizzi, consentendo la comunicazione tra VM.

VL2

Esempio VLB in rete VL2

VL2

Esempio Directory System in rete VL2

VL2

payloadToR3

. . . . . .

y x y z

payloadToR4 z

ToR2 ToR4ToR1 ToR3

payload z

. . .

DirectorySystem

…x ToR2

y ToR3

z ToR4

…

Lookup &Response

Esempio Migrazione e Directory System

VL2

payloadToR3

. . . . . .

y x

payloadToR4 z

ToR2 ToR4ToR1 ToR3

y, z payloadToR3 z

. . .

DirectorySystem

…x ToR2

y ToR3

z ToR4

…

Lookup &Response

…x ToR2

y ToR3

z ToR3

…

PortLand

→ Insieme di protocolli di routing, instradamento e risoluzione degli indirizzi.

→ Topologia di rete FAT.

PortLand

Caratteristiche

→ Assegna Pseudo-MAC (PMAC) alle VM. → Implementato internamente agli switch. → Semplifica gli aspetti sistemistici.

PortLand

Pseudo-MAC

→ Indirizzo unico assegnato ad ogni VM. → Resta invariato anche dopo la migrazione. → Nello scambio di messaggi avviene un rewriting

tra PMAC e AMAC (Actual MAC). → Tramite LDP (Location Discovery Protocol) gli

switch acquisiscono i valori PMAC-AMAC delle VM.

PortLand

Struttura PMAC

→ Valore di 48 bit.

→ Pod: numero del pod → Position: posizione nel pod → Port: porta alla quale l'host è connesso. → VMID: identifica la VM nella macchina fisica.

PortLand

Position (8 bit) VMID (16 bit)Pod (16 bit) Port (8 bit)

AMAC – PMAC Mapping

PortLand

Proxy ARP

→ I messaggi ARP vengono inviati in broadcast, lo switch può controllare nella sua tabella e rispondere subito, evitando il broadcast.

PortLand

Considerazioni Finali

→ Quale topologia di rete dovrebbe essere utilizzata nei Data Center?

→ Quale architettura di routing? → Come migliorare la gestione del traffico? → Come gestire le congestioni? → Come gestire comunicazioni su scala globale? → Come garantire sicurezza?

Conclusioni

?Grazie dell'ascolto!

Domande ?