EVB -- Edge Virtual Bridging

E ► EVB EVB Edge Virtual Bridging Autor: Prof. Dr.-Ing. Dank der Virtualisierung von Rechnern besteht heutzutage die Mög- Anatol Badach lichkeit, auf einem physischen Server ein virtuelles Netzwerk, wel- ches aus mehreren virtuellen Ethernet Switches und aus den über sie verbundenen virtuellen Rechnern, sog. virtuellen Maschinen (Virtual Machines, VMs), besteht, zur Verfügung zu stellen. Dies schafft neue Dimensionen in der Gestaltung von Datacentern (Rechenzent- ren), sodass man beispielsweise schon von virtualisierten dynami- schen Datacentern bzw. von Dynamic Datacenter Infrastructures (DDIs) spricht. Die Virtualisierung führt aber auch dazu, dass man, um eine Grund- Auszug aus dem lage dafür zu schaffen, VMs in Netzen einheitlich transportieren und Werk: folglich zwischen beliebigen Servern – eventuell auch automatisch – „verschieben“ zu können, weltweit einheitliche Standards mit der Spezifikation grundlegender Komponenten zum Aufbau virtueller Netzwerke benötigt. Um dieses Ziel zu erreichen, wird bei der IEEE1 von der Arbeitsgruppe 802.1Qbg2 ein als Edge Virtual Brid- ging (EVB) bezeichnetes Standard Framework entwickelt. EVB beschreibt u.a. die logische Struktur eines physischen Servers, eines sog. Wirt-Servers, mit mehreren VMs und verschiedenen, als vSwitches bezeichneten virtuellen Ethernet Switches, mithilfe deren Herausgeber: VMs sowohl untereinander als auch mit Rechnern außerhalb des Heinz Schulte Wirt-Servers kommunizieren können. Bei EVB unterscheidet man WEKA-Verlag zwischen zwei Arten von vSwitches: ISBN 978-3-8276- • Virtual Ethernet Bridge (VEB) 9142-2 • Virtual Ethernet Port Aggregator (VEPA) Diese beiden Switch-Arten können sowohl softwaremäßig innerhalb von sog. Hypervisors (Bild 004809) als auch innerhalb von Ether- net-Adapterkarten als Embedded Systems (Bild 004811) realisiert 1 Institute of Electrical and Electronics Engineers 2 http://www.ieee802.org/1/pages/802.1bg.html 1 E ► EVB werden. Die ersten 10GE3-Adapterkarten mit VEB sind bereits verfügbar.4 Die Anbindung einer VM an einen Port im vSwitch erfolgt, logisch gesehen (Bild 004814), über ein sog. Virtual Station Interface (VSI), das als Anschlusskomponente der VM zu betrachten ist, also deren integraler „Außenteil“ ist. Jeder Port im vSwitch hat bestimmte Profile, die beispielsweise spezifizieren, zu welchem Virtual Local Area Network (Virtual LAN, VLAN) die am Port angebundene VM gehört, welche Zugriffsregeln auf den Port die VM hat (sog. Access Control Lists, ACLs), die der VM garantierte Zugriffsbitrate usw. Diese Profile definieren den Zustand des Ports im vSwitch. Dessen Beschreibung gehört zur Spezifikation des VSI. Soll eine VM von einem Wirt-Server auf einen anderen transferiert werden, so muss das VSI als deren „Außenteil“ zusammen mit ihr zum neuen Wirt-Server migrieren. Um eine automatische Migration von VMs zu unterstützen, spezifiziert EVB u.a. das VSI Discovery and Configuration Protocol (VDP).5 Um EVB fundiert beschreiben zu können, werden im Weiteren zuerst einige technische Grundlagen erläutert und zwar: die Kompo- nenten virtueller Netzwerke, die I/O-Virtualisierung (Input/Output) sowie die Unterschiede zwischen VEB und VEPA. Das virtuelle Netzwerk auf der Basis eines Wirt-Servers In Hinblick auf die Virtualisierung von Rechnern spricht man von virtuellen Netzwerken. Bild 004809 zeigt die funktionale Äquivalenz zwischen einem realen Netzwerk, aus mehreren über einen L2- Switch, der einen Ethernet Switch darstellt, vernetzten physischen 3 10 Gigabit Ethernet 4 Beispielsweise „Brocade 1860 Fabric Adapter“ – für Näheres siehe: http://www.brocade.com/products/all/adapters/product-details/1860-fabric- adapter/index.page 5 http://www.ieee802.org/1/files/public/docs2010/bg-sharma-evb-VSI- discovery-0110-v01.pdf 2 E ► EVB Rechnern bestehend und einem virtuellen Netzwerk auf der Basis eines Wirt-Servers. Eine virtuelle Maschine (VM) stellt einen virtuell nachgebildeten Rechner dar, der vollkommen selbstständig auf einem physischen Rechner ausgeführt wird, der sein eigenes Betriebssystem hat und wie jeder physische Rechner eigene Anwendungen ausführen kann. Eine VM wird häufig als Gastrechner bezeichnet. Bild 004809: Funktionale Äquivalenz: a) physisches Netzwerk, b) virtuelles Netzwerk pNIC: Physical Network Interface Controller VM: Virtual Machine, virtueller Rechner vNIC: Virtual Network Interface Controller Eine wichtige Funktion bei der Virtualisierung von Rechnern über- nimmt der Hypervisor. Darunter wird eine Software-Einheit verstan- den, die es den mehreren auf einem Wirt-Server implementierten VMs ermöglicht, deren Hardware und Speicher gemeinsam zu nut- zen. Aus der Sicht von Networking realisiert der Hypervisor die Funktion eines Ethernet Switch, also eines Layer-2-Switch, und aus diesem Grund wird er – allerdings lediglich aus der Sicht von Net- working – als virtueller Switch (vSwitch) betrachtet. Jede VM enthält mindestens eine virtuelle Adapterkarte – den sog. Virtual NIC (vNIC)6. Ein vNIC emuliert eine physische Adapterkarte (einen physischen NIC) und kann als Tür zur Außenwelt angesehen werden, über die eine VM mit anderen VMs im gleichen oder in einem anderen Wirt-Server sowie mit physischen Rechnern in einem Netzwerk kommunizieren kann. Der vNIC wird bei EVB zusammen 6 Jedem vNIC muss eine MAC-Adresse zugewiesen werden. 3 E ► EVB mit dem vSwitch-Port, an den er angebunden ist, als Virtual Station Interface (VSI) bezeichnet (Bild 004814) und als Anschlusskompo- nente der VM angesehen. Die VMs sind über einen vSwitch so miteinander verbunden, dass sie ein virtuelles Netzwerk (Virtual Network, vNetwork) bilden und untereinander Daten austauschen können. Um ein virtuelles Netz- werk mit einem physischen Netzwerk außerhalb des Wirt-Servers zu verbinden, wird ein vSwitch über eine oder über mehrere physische Adapterkarten – die sog. pNICs – mit einem physischen Switch außerhalb des Wirt-Servers verbunden. Der Funktion nach entspricht ein pNIC im Wirt-Server einem Uplink im physischen L2-Switch. Virtualisierte Server in Datacentern Bild 004810 illustriert, wie durch die Servervirtualisierung die Ar- chitektur von Datacentern erweitert wird. Die Datacenter werden mit dem Netzwerkkern (Core) über spezielle Multilayer Switches (MLSs) verbunden. Weil diese Switches die zum Datacenter gerich- teten Datenströme bündeln, bezeichnet man sie oft als Aggregation Switches und spricht demzufolge auch vom Aggregation Layer. Für den Anschluss von Servern, von denen einige auch virtualisiert sein und folglich mehrere VMs enthalten können, werden L2-Switches als Server Access Switches eingesetzt. Bild 004810: Datacenter mit Servervirtualisierung Appl: Applikationen AS/GS: Access/Aggregation Switch p/vNIC: Physical/Virtual Network Interface Controller 4 E ► EVB Bild 004810 bringt u.a. Folgendes zum Ausdruck: • Die Architektur von Datacentern wird durch die Servervirtuali- sierung so erweitert, dass in physischen Servern (Wirt-Servern) mit VMs ein zusätzlicher Layer, zu dem u.a. vSwitches gehören, entsteht. Wie im Weiteren gezeigt wird, bilden die sog. EVB- Stationen diesen zusätzlichen Layer (Bild 004814). • Jede VM kann eine oder mehrere virtuelle Adapterkarten, die sog. vNICs, besitzen. Somit kann sie an einen oder mehrere vSwitch/es logisch angebunden werden. • Die vSwitches, die softwaremäßig realisiert werden, können – theoretisch gesehen – hierarchisch kaskadiert werden. • Ein virtualisierter Server kann über mehrere als pNICs bezeich- nete physikalische Adapterkarten an den Access Switch ange- schlossen werden. Die parallelen Links zum Access Switch kön- nen nach dem Standard IEEE 802.3ad aggregiert werden. Um die Übertragungskapazität auf der Strecke zwischen einem virtualisierten Server und einem Access Switch zu erhöhen, kann der Zugang zum Access Switch über mehrere Ethernet-Adapterkarten und folglich auch über mehrere Uplinks erfolgen. Für die Bereitstel- lung einer Übertragungskapazität von 10 GBit/s sind z.B. zehn 1GE- Adapterkarten und zehn Uplinks je 1 GBit/s nötig. Der Zugang zum Access Server mit 10 GBit/s kann aber auch geschickter, nämlich durch die Anbindung einer 10GE-Adapterkarte und über einen Uplink mit 10 GBit/s realisiert werden. Beim Einsatz einer 10GE-Adapterkarte – und zukünftig z.B. auch einer 40GE- bzw. einer 100GE-Adapterkarte – sollte es möglich sein, dass jede VM quasi über eine eigene, virtuelle Ethernet- Adapterkarte mit der ihr dynamisch zugewiesenen Bitrate von n GBit/s verfügt.