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Rechenzentrumsvirtualisierung – Das Netzwerk im Fokus

Scale out oder Scale up – im RZ muss ein neues Netzkonzept her

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Control-Plane-Lösungen für virtualisierte Rechenzentren – Scale up

Bei dieser Methode werden die vorhandenen Netzwerksteuerungsplattformen durch zusätzliche oder leistungsstärkere Computing-Engines ergänzt, um die Ausführung des Netzwerk-Control-Stack zu unterstützen. In Abbildung 2 war eine Beispielkonfiguration zu sehen.

Diese Methode setzt Sever-Prozessorzyklen frei, was zu einer allgemeinen Verbesserung bei der Netzwerkperformance führt. Da jedoch Allzweckprozessoren nicht für die Netzwerkaufgaben optimiert sind, stellen sie keine ideale Lösung dar. Bei starkem oder stoßweise auftretendem Datenverkehr kommt es im Netzwerk zu einem deutlichen Performance-Einbruch. Dieses Defizit wird gelöst, indem der Steuerkarte ein funktionsspezifischer, protokollsensibler Control-Plane-Prozessor hinzugefügt wird.

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Die Lösung kann in einer älteren Infrastruktur als Add-on-Beschleunigungskarte oder bei neuen Plattformen als Beschleunigungs-SoC (System-on-a-Chip) implementiert werden. Eine weitere Methode zur vertikalen Skalierung der Control-Plane besteht darin, einen Steuerungs-Coprozessor hinzuzufügen, damit die Routineaufgaben der Control-Plane auf die Daten-Linecard selbst verlagert werden. In diesem Fall wird die zentrale Steuerkarte für speziellere Aufgaben wie z.B. Routing-Entscheidungen verwendet. Die Nutzung der zentralen Control-Plane-Karte mit beschleunigten SoCs kann die Turnaround-Latenzen reduzieren und zudem die Systemzuverlässigkeit erhöhen.

Lösung für horizontale Skalierung der Control-Plane – Scale out

Bei der Architektur der horizontalen Skalierung wird die Basisplattform mit generischen Prozessoren implementiert und mit separaten funktionsspezifischen Engines wie einem Netzwerk-Control-Plane-Prozessor erweitert.

Die Aufgaben der Control-Plane werden in Teilkomponenten wie Erkennung, Verbreitung und Wiederherstellung untergeteilt und diese Komponenten werden rechenzentrumsübergreifend virtualisiert (s. Beschreibung des SDN-Ansatzes). In Abbildung 1 ist die horizontale Skalierung zu sehen.

Solch eine Control-Plane kann auf jedem Server im Netzwerk oder in der Cloud ausgeführt werden. Sie kommuniziert mittels APIs, die auf dem Netzwerkprotokoll basieren (bspw. OpenFlow), mit den Data-Planes. Abhängig von den Netzwerkverkehrsanforderungen werden spezifische Control-Plane-Aufgaben beschleunigt.

Beispiel: Wenn von der IT-Abteilung geplante Netzwerkverlagerungen vorliegen, werden die Erkennungs- und Verbreitungskomponenten entsprechend skaliert, um die Verarbeitungsanforderungen zu erfüllen. Zu den Vorteilen gehören eine einfache Skalierung der Steuerungs-Engine und die Isolierung der Netzwerkverwaltung, ohne dass Control-Plane-Overheads anfallen. Eine stabile Kommunikation zwischen der Control-Plane und den Data-Planes ist eine Voraussetzung. Zudem ist eine Hardwarebeschleunigung erforderlich, um die Control-Plane-Serverperformance zu steigern.

Funktionsspezifische Kommunikationsprozessoren sind dafür konzipiert, spezifische Control-Plane-Aufgaben wie ARP-Offload, OAM-Offload, Sicherheit, Netzwerkstatistiken, QoS und die Bereitstellung von Hardwarebeschleunigung zu handhaben. Die LSI Axxia Communication Processor-Produktfamilie ist hier ein Beispiel für protokollsensible Kommunikationsprozessoren. Sie bietet die Beschleunigung einer Reihe von Netzwerkverwaltungsfunktionen, wie z.B. Paketanalyse und -Routing, Sicherheit, Control-Plane-ARP, IGMP-Nachrichten, Netzwerkstatistiken, anwendungssensible Firewall und QoS. Ihre flexible Data-Plane-Verarbeitung ermöglicht die Unterstützung neuer Anwendungen wie OpenFlow und SDN.

Hardwarebeschleunigung ist unabdingbar bei der Implementierung von Architekturen für die vertikale und horizontale Control-Plane-Skalierung für eine optimale Netzwerknutzung.

Fazit

Rechenzentren durchlaufen einen Wandel, um mit dem explosionsartigen Wachstum bei den Datenverarbeitungs-, Speicher- und Transportanforderungen Schritt zu halten. Server- und Speichervirtualisierung, cloudbasierte Serviceanwendungsmodelle und Betriebskostenaspekte haben zu höheren VM-Serverdichten, VM-zu-VM-Kommunikation, VM-Migration und Mandantenfähigkeit geführt.

Server- und Speichervirtualisierungstechnologien, die als Mischung aus softwarebasierten Hypervisoren und Hardwarebeschleunigern implementiert werden, haben die Nutzung von Rechenzentren deutlich erhöht. Um jedoch eine maximale Investitionsrentabilität bei einem Rechenzentrum zu erreichen, muss eine Änderung bei dessen aktueller Netzwerkinfrastruktur vollzogen werden.

Netzwerkvirtualisierungsmethoden auf Grundlage von Hypervisoren stellen keine optimale Lösung dar, um mit dem wachsenden Netzwerkdatenverkehr zurechtzukommen. Die Control-Plane-Architektur muss umstrukturiert werden, um die aktuellen Netzwerkunzulänglichkeiten zu lösen.

Zu den Lösungen gehören Methoden zur vertikalen und horizontalen Skalierung – die vertikale Skalierung basiert auf dem Hinzufügen weiterer Ressourcen zur vorhandenen Netzwerkinfrastruktur; die horizontale Skalierung basiert auf der Virtualisierung und Auslagerung von Control-Plane-Funktionen zu virtualisierten Computing-Engines.

Neuere Netzwerkdesignkonzepte wie SDN zusammen mit dem OpenFlow-Protokoll unterstützen diese Control-Plane-Virtualisierungsmethoden. Die Control-Plane-Skalierungstechnologien, die von den Control-Plane-Kommunikationsprozessor-SoCs ermöglicht werden, stellen effiziente Lösungen für eine maximale Nutzung eines Rechenzentrumsnetzwerks dar.

Über den Autor

Ragu Kondapalli ist Director of Technology bei der LSI Corporation

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