Construindo sistemas distribuídos tolerantes a falhas e eficientes em redes SDN com NFV

Abstract

Resumo: Os sistemas de virtualização estão mudando a maneira de projetar e operar as redes de computadores. A Virtualização de Funções de Rede (NFV - Network Function Virtualization) é uma tecnologia emergente que implementa, utilizando técnicas de virtualização, funções de rede tradicionalmente fornecidas em dispositivos de hardware específicos. O presente trabalho tem por objetivo tirar proveito destas novas tecnologias para implementar, dentro da própria rede, componentes clássicos para a construção de sistemas tolerantes a falhas. A primeira parte do trabalho descreve implementações de serviços de detecção de falhas. A função virtualizada de rede NFV-FD (FD - Failure Detector) é executada em uma rede SDN (Software Defined Network), utilizando informações disponibilizadas por um controlador e por switches para monitorar o estado de processos e enlaces de comunicação. A NFV-FD foi implementada e seus benefícios são apresentados através de experimentos reportados no trabalho. Foi também implementado um serviço para detecção de falhas para a Internet (IFDS - Internet Failure Detection Service), que pode ser configurado de acordo com as necessidades de QoS (Quality of Service) das aplicações. Em particular, são propostas estratégias que permitem a configuração do IFDS tendo em vista os requisitos de múltiplas aplicações. O IFDS é composto por uma MIB (Management Information Base) SNMP (Simple Network Management Protocol) denominada f dMIB. Um protótipo do serviço foi implementado e resultados experimentais são apresentados, obtidos tanto em redes locais como na Internet. Outra contribuição desta tese relacionada aos detectores de falhas trata da questão do cômputo do timeout, sendo proposta uma estratégia denominada tuning_ que reajusta o valor do timeout de acordo com os tempos de comunicação observados. Nos experimentos, tuning_ apresentou um excelente desempenho, reduzindo de forma expressiva o número de falsas suspeitas. Em outra contribuição tratamos do problema da sincronização consistente entre múltiplos controladores SDN. Uma função virtualizada de rede denominada de VNF-Consensus, é proposta para garantir a sincronização consistente entre os controladores envolvidos. VNF-Consensus implementa o algoritmo de consenso Paxos e com sua utilização os controladores ficam desacoplados da sincronização. Os experimentos mostraram que utilizando a VNF-Consensus, o plano de controle é sincronizado sem aumentar a carga de trabalho nos controladores. Por último, propomos AnyBone, uma NFV que oferece as primitivas de difusão confiável para garantir a entrega ordenada das mensagens transmitidas na rede. O AnyBone é baseado em um sequenciador que gerencia as transmissões e entrega as mensagens ordenadas aos processos, além de oferecer uma API para as aplicações trocarem mensagens utilizando as primitivas de difusão atômica e confiável. Os resultados experimentais demonstram a eficiência da estratégia proposta, bem como seu custo, em termos da latência da difusão em diferentes cenários, ou seja, variando o número de participantes e o tamanho das mensagens transmitidas. O conjunto de contribuições desta tese permite concluir que é viável utilizar a própria rede para implementar com eficiência componentes clássicos de tolerância a falhas que podem ser disponibilizados como serviços para aplicações distribuídas diversas. Palavras-chave: Função Virtualizada de Rede, Tolerância a Falhas, Sistemas Distribuídos, Redes Definidas por Software.

Abstract: Virtualization systems are changing the way networks are designed and deployed. Network Function Virtualization (NFV) is an emerging technology that employs virtualization to transform network devices into virtual entities. In this thesis, we take advantage of this technology to implement classical distributed systems abstractions within the network. As a result, we aim to be able to build efficient fault-tolerant distributed applications. Initially, we describe implementations of failure detectors. A virtual network function called NFV-FD (FD stands for - Failure Detector) is implemented in a Software Defined Network (SDN) and uses information obtained from a SDN controller to monitor processes and determine their state. In addition, NFV-FD also provides information about the state of communication links. NFV-FD was implemented and experimental results are reported. We also implemented an Internet Failure Detection Service (IFDS), which can be used to provide the Quality of Service (QoS) level required by the applications. In particular, we proposed two strategies to configure IFDS when multiple processes are monitored with diferent QoS requirements. IFDS was implemented with SNMP (Simple Network Management Protocol). We have implemented a prototype of the service and experimental results are presented running both on a single LAN and on the Internet. Another contribution of this thesis also related to failure detectors addresses the question of how to compute a precise timeout interval. We propose the tuning strategy that dynamically adjusts the timeout interval in a way that better reflects a varying behavior of the communication channel. Experimental results obtained from running tuning show that the strategy reduces significantly the number of false detections. The next contribution of the thesis refers to achieving consistent synchronization across multiple SDN controllers. In order to ensure consistent synchronization among controllers of a SDN distributed control plane, we propose the virtual network function VNF-Consensus. VNF-Consensus implements the Paxos consensus algorithm so that controllers are decoupled from synchronization tasks. Experimental results show that our solution is able to guarantee a consistent control plane without increasing the number of tasks a controller has to execute. Finally, we propose AnyBone, a VNF that others reliable and atomic broadcast primitives, which ensures that messages are delivered by all the processes and in the same total order. AnyBone relies on a sequencer to manage the transmissions and enforce the order. Furthermore, AnyBone provides an API for applications to be able to employ atomic and reliable broadcast primitives. Experimental results show that AnyBone provides an efficient strategy to ensure the ordered message delivery to all processes. We measured the broadcast latency in diferent scenarios, i. e., increasing the number of processes involved in the communication and also the size of the transmitted messages. By taking into account the results of the contributions of this thesis, we can conclude that it is not only feasible, but also efficient to use the network itself in order to deploy classic fault tolerance abstractions which can be used to build fault-tolerant distributed applications. Keywords: Network Function Virtualization, Fault Tolerance, Distributed Systems, Software Defined Networking.