Die fünf Schlüsselanforderungen für Cloud Computing der 10-GbE-Generation und wie sie erfüllt werden

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1 White Paper (Juli 2009) Die fünf Schlüsselanforderungen für Cloud Computing der 10-GbE-Generation und wie sie erfüllt werden Cloud Computing verspricht kostengünstig skalierbare Verarbeitungskapazitäten für ein breites Spektrum an Applikationen. Einige Applikationen wie etwa die Web-Seiten sozialer Netzwerke (Web 2.0)scheinen geradezu prädestiniert für die Skalierbarkeit und Effizienz des Cloud Computing. Weitere gerade entstehende Cloud- Computing-Applikationen umfassen Software-as-a-Service (SaaS), Plattform-as-a-Service (PaaS) bis hin zu Infrastructure-as-a- Service (IaaS). Egal welches Realisierungsmodell, Cloud Computing wird künftig bei vielen Entscheidungen der Informationstechnologie eine wichtige Rolle spielen.

2 Dieses Whitepaper beschreibt die bedeutende Rolle, welche die Broadcom NetXtreme II 10-Gigabit-Ethernet-(10 GbE) Controller und die Arista Networks 10- GbE-Switches für ein effizientes Cloud Computing spielen und wie diese Technologie die fünf Schlüsselattribute adressiert, die für den Aufbau einer adäquaten Cloud- Infrastruktur erforderlich sind: Hohe Skalierbarkeit als entscheidender Faktor, um den immensen Durchsatz zu bewältigen, der im Intra-Cloud-Verkehr anfällt. Die Technologie verspricht garantierte Bandbreiten für verschiedene Applikationen wie Sprache, Video und Web-Verkehr im Simultanbetrieb. Geringe Latenzzeiten sorgen für durchgängig hohe Performance. Trotz komplexer Funktionen bietet die Lösung ein einfaches Management. Basis ist eine elastische Architektur, über die sich Live-Updates oder auch eventuelle Server-Fehler ohne Probleme bewältigen beziehungsweise beheben lassen. Cloud Computing verstehen Hardware und Software in einer Geschäftsumgebung auf dem Laufenden zu halten, kann eine sehr entmutigende Aufgabe sein. Mit steigendem Web-Verkehr stehen Unternehmensnetze vor einer großen Herausforderung: Wie lassen sich die zur Verfügung stehenden Ressourcen möglichst kosteneffizient nutzen, ohne künftiges Wachstum zu behindern. Cloud Computing adressiert diese Herausforderung, indem es die Arbeitslast vom Front-End, also den Computern vor Ort, auf einen Ressourcen-Pool beim Provider (Service) verlagert. Es ersetzt die Bürde eines doch sehr endlichen lokalen Systemmanagements durch eine hoch skalierbare, entfernt gehostete Lösungsumgebung (siehe Bild 1). Cloud Computing liefert also eine sehr kosteneffiziente, virtuelle Hard- und Software-Lösung, die ein Anwender per Vertrag von einem Provider anmietet. Die Provider sorgen für stets aktuelle Hard- und Software (wie etwa Netzwerk-Server, Switches, Router, Backup-Systeme und verschiedene Anwendungen) und der Kunde skaliert seine Dienste entsprechend des Bedarfs im Unternehmen.

3 Bild 1: Cloud-Computing-Netzwerke konsolidieren skalierbare, abstrahierte Rechenkapazität. Über Virtualisierungstechnologien werden diese Ressourcen den Anwendern als Service zur Verfügung gestellt. Es gibt mehrere Applikationen, die den Cloud-Computing-Markt antreiben. Während Applikationen aus dem Bereich soziale Netzwerke mit ihrem ungeheuren Bandbreitenbedarf klare Kandidaten für eine Cloud-Umgebung sind, gab es in Unternehmen historisch bislang nur sehr vereinzelt echten Geschäftsbedarf für den Transport so großer Datenmengen. Mit zunehmender Netzwerkkomplexität und wachsendem Bedarf an Flexibilität im Rechenzentrum bietet sich eine Cloud- Computing-Infrastruktur jedoch auch für große Unternehmen an, um ihre ständig wechselnden Rechenanforderungen auszugleichen. Cloud Computing eignet sich auch für Unternehmen mit moderatem oder unregelmäßigem Kapazitätsbedarf, um die Ausstattung im Rechenzentrum nicht an Spitzenlasten orientieren zu müssen. Anstatt beispielsweise eigene neue Server

4 einzurichten, die dann nur gelegentlich genutzt würden oder nur sehr schlecht ausgelastet wären, holen sich Unternehmen ihre Server bedarfsweise aus der Cloud: So lassen sich aus einem homogenen Pool von Hochleistungs-Servern mit 10 GbE-Anschluß virtuelle Server erzeugen, die punktuell die Spitzenlasten hinsichtlich Rechen- und Netzwerkkapazitäten bedienen. Auf diese Weise lassen sich Kapazitäten auch verschiedenen Abteilungen im Unternehmen zuordnen etwa auf Basis wechselnder oder periodischer Anforderungen. Mit dem Preisverfall bei den virtuellen Servern wächst die Anzahl an Applikationen, die sie nutzen können. Der bedarfsgesteuerte Zugriff macht enorme Rechenleistung verfügbar im Extremfall bis hin zur Leistungsfähigkeit einer kompletten Cloud und das zu einem Bruchteil der Kosten eines in Eigenregie betriebenen Rechenzentrums. Beispielsweise könnte ein Unternehmen, dessen Geschäft die Video-Bearbeitung ist, für das Frame Rendering zusätzliche virtuelle Server anfordern. Die Lieferzeit lässt sich so anhand der gleichzeitig laufenden Server bestimmen und hängt nicht mehr von der Zahl der Server ab, die für einen bestimmten Zweck gekauft wurden. In der Industrie könnten beispielsweise Software-Entwickler für eine Periode von 24 Stunden mal eben einen Server-Block für das schnelle und gründliche Testen eines neuen Software-Releases abkommandieren. Forscher könnten die Analyse großer Datenmengen in Zeiten durchfőhren, in denen der Universitäts- oder Labor-Server nur gering ausgelastet ist. Skalierbarkeit Server für höhere Rechenkapazitäten zusammenschließen ist die eine Sache. Parallel muss aber auch die alles verbindende Netzwerkinfrastruktur im gleichen Maße skalieren, soll nicht das Netzwerk zum Flaschenhals werden, der den Datendurchsatz reduziert. In Anbetracht der potenziellen Zahl von Servern, die in einer Cloud zusammengebracht werden können, muss das Cloud-Netzwerk in der Lage sein, Milliarden von Paketen pro Sekunde effizient zu bearbeiten. Die Wichtigkeit der Skalierbarkeit lässt sich sehr schön mit einer allgemeinen Anwendung aus dem Bereich Social Networking veranschaulichen (siehe Bild 2). Wenn die Daten in der Cloud ankommen, laufen sie zuerst durch ein Web-Serving- Tool, dann durch eine Datenbank und schließlich durch eine Anwendung für verteiltes Memory-Caching. Das Ergebnis all dieser Transaktionen ist, dass sich jedes Byte auf 20 bis 30 Byte im Intranet-Verkehr "vermehren" kann. Die Einrichtung von 10 GbE im Cloud-Netzwerk ist der Schlüssel, damit der Intra- Cloud-Verkehr keinen Flaschenhals im Netzwerk bildet. Da 10 GbE zehnmal soviel Netzwerkverkehr transportiert wie 1 GbE, können Nutzer Layer-2-Sub-Netze mit

5 höherer Kapazität einrichten. Dies wiederum führt zu niedrigeren Systemkosten und geringeren Verzögerungszeiten. Man halte sich vor Augen, dass die grundlegende Struktur eines Cloud-Netzwerks aus Pools von Servern besteht. Wenn diese Server über 1 GbE Leitungen mit 48- Port Switches verbunden werden, dann kann jeder Pool genőgend Server unterstützen um bis zu 96 GBit/s bidirektionale Datenrate zu gewährleisten. Eine Cloud Computing Infrastruktur mit höherer Kapazität zu bauen erfordert die Verbindung jedes Pools typischerweise über Router. Bild 2: Hunderte von Rechenzentrums-Servern können per Transaction/Request angesprochen sein. Eine kleine Menge externen Netzwerkverkehrs erzeugt eine große Menge internen Netzwerkverkehrs. Der Wechsel von 1 nach 10 GbE erlaubt dem Nutzer erheblich mehr Netzwerkkapazität pro eingerichteten Switch herauszuholen. Ein Arista Networks 7148SX 48-Port 10-GbE-Switch beispielsweise unterstützt ein Server-Netzwerk, das bis zu 960 GBit/s bidirektional verbraucht. Eine höhere Netzwerkkapazität unterstützt also effektiv eine größere Zahl virtueller Server. Abhängig von der verwendeten Architektur reduziert ein 10-GbE-basiertes Layer-2-Sub-Netz

6 gleichzeitig die Zahl der Router, die für die Bildung größerer Clouds erforderlich sind. Damit reduzieren sich auch die anfänglichen Kapitalkosten (siehe Bild 1). Entwickler müssen auch Server-Ressourcen erwägen, wenn sie die Skalierbarkeit bewerten. Abhängig von der Implementierung kann der TCP- und iscsi- Verarbeitungs-Overhead bei 10-GbE-Leitungsgeschwindigkeiten eine beträchtliche Menge der Ressourcen verbrauchen und Server überlasten. Beide Aufgaben können als Software implementiert werden, aber dies zu tun verbraucht eben die CPU- Ressourcen, die ansonsten für Applikationen im Cloud-Verbund genutzt werden könnten. In Anbetracht des Preisunterschieds zwischen Hardware-basiertem Offloading und verfügbaren CPU-Ressourcen ist es vernünftig, wo immer möglich auf Hardware-basiertes Offloading zu setzen.

7 Bild 3: (oben) Layer-2-Subnetz, das über ein 1-GbE-Netzwerk mit einem 48- Port-Switch aufgebaut ist. Es unterstützt einen Server-Pool mit einer bidirektionalen Übertragungskapazität bis zu 96 GBit/s. (unten) Der Wechsel von 1 nach 10 GbE bringt Unterstützung für ein Server- Netzwerk, das bis zu 960 GBit/s bidirektional verbraucht. Ein Arista Networks 7148SX 48-Port 10-GbE-Switch beispielsweise erhöht die Netzwerkkapazität in großen Cloud Netzwerken also ganz erheblich.

8 Garantierte Performance Wenn Cloud Computing die breitestmögliche Palette verschiedener Applikationen unterstützen soll, muss es in der Lage sein, Bandbreiten nach den Anforderungen jeder einzelnen Applikation zu garantieren. Um Sprache, Video, Web und andere Formen von Datenverkehr berechenbar und zuverlässig zu transportieren, bedarf es jedoch eines Instruments, um zwischen den verschiedenen Verkehrsarten zu unterscheiden. Wenn Netzwerke aufgebaut werden, setzen Administratoren sehr oft auf schlichte Überdimensionierung der Verbindungen, um für alle Verkehrstypen ausreichende Performance zu garantieren. Ist das Netzwerk eine Weile in Betrieb, nähert sich die Auslastung jedoch in aller Regel immer mehr an die verfügbare Bandbreite an. Wenn das passiert, resultiert die fehlende Priorisierung sehr schnell in Überlastung und Performance-Abfall für Anwendungen, die eigentlich eine höhere Priorität bräuchten. Anstelle nun weitere Kapitalinvestitionen für neue Ausrüstung zu leisten, die wieder eine deutliche Überdimensionierung der Verbindungen herstellen würde, können Administratoren auch Quality-of-Service-Mechanismen (QoS) wie das Broadcom Service Aware Flow Control (SAFC) implementieren. SAFC setzt anwendungsgerechte Verkehrsprioritäten und erlaubt so, die zur Verfügung stehende Bandbreite effizienter zu nutzen. Dadurch ist immer sichergestellt, dass Anwendungen mit höherer Priorität bevorzugten Zugriff auf die Netzwerkressourcen haben vor Anwendungen mit niedrigerer Priorität. Dabei hat sich Broadcom verpflichtet, SAFC künftig konform mit dem neuen Data-Center-Bridging-Standard zu machen, sobald dieser vom Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) verabschiedet wird. Wenn Anwender von 1 nach 10 GbE migrieren, werden sie allein wegen der zehnfach höheren Bandbreite bereits einen deutlichen Performance-Gewinn merken. Das könnte sie tendenziell dazu verleiten, die Bedeutung von QoS zu unterschätzen. Erfahrungsgemäß sind alle Netzwerke viel schneller als erwartet ausgelastet. Wenn dann im Kernnetz keine QoS-Mechanismen implementiert sind, bleibt oft nichts anderes übrig, als viel Geld in die Hand zu nehmen, um mit neuem Equipment wiederum eine Überdimensionierung herzustellen, damit die Performance wieder stimmt. Netzwerker sollten sich immer darüber im Klaren sein, dass sowohl Überdimensionierung als auch QoS mächtige Werkzeuge sind, die Performance an verschiedenen Stufen des Lebenszyklus eines Netzwerks garantieren können. Wenn das beachtet wird, können sie sicher sein Cloud- Netzwerke zu schaffen, die zuverlässig mit wachsender Auslastung skalieren.

9 Verzögerungen (Latenzzeiten) Zusätzlich zur verbesserten Skalierbarkeit und garantierten Performance liefert 10 GbE als Verbindung zwischen Servern auch wesentlich geringere Verzögerungen als 1 GbE. Mit steigender Performance sinkt die Verzögerung. Für eine Maximierung der Server-Auslastung muss das Cloud-Netzwerk über das gesamte Netzwerkgeflecht Verzögerungen im Mikrosekundenbereich stemmen. Es liegt in der Natur der Sache, dass 10 GbE auf dem Kabel nur ein Zehntel der Verzögerung von 1 GbE verursacht. Weil die Anforderungen an die Verarbeitung für den Betrieb in Leitungsgeschwindigkeit bei 10 GbE wesentlich höher liegen als bei 1 GbE, sind auch die entsprechenden 10-GbE-Adapter und -Switches deutlich schneller als ihre 1-GbE-Gegenstücke. Volles Remote Management Ein Netzwerk zu pflegen erfordert genügend Einsicht in das Netzwerkgeflecht ebenso wie in alle Prozesse, über die sich das Netzwerk selbst konfiguriert, betreibt und repariert. Traditionell werden Netzwerke über ein spezielles und ausschließlich für Management-Funktionen zuständiges Netzwerk verwaltet. Netzwerkkomponenten liefern ein Aktivitätssignal (Heartbeat) und wenn dieses ausbleibt, alarmiert das den Betreiber, der wiederum einen Techniker bestellt, der das Problem untersucht. Vorteil dieser Herangehensweise ist, dass Management- Kommandos nicht aufgrund des aktuellen Datenverkehrs blockiert werden können. Auf der anderen Seite bringt das aber eine erhebliche Kapitalinvestition mit sich. Mit dem Network Controller Sideband Interface (NC-SI), das von der Desktop Management Task Force (DMTF) definiert wurde, ist es inzwischen möglich, Systemmanagement mit Datenverkehr dergestalt koexistieren zu lassen, dass die Auslastung jeder 10-GbE-Verbindung maximiert wird. NC-SI erlaubt einen Systemmanagement-Controller auf jedem Server-Motherboard mit eigener Stromzufuhr und unabhängig vom Betriebssystem des Servers. Das führt dazu, dass NC-SI einem entfernt sitzenden Administrator volle Management-Fähigkeiten einräumt genauso, als wäre er im gleichen Raum wie der Server. Die Managementfunktionen umfassen die Bereitstellung, die Überwachung, die Pflege, die Aufrüstung und das Troubleshooting alles unabhängig vom Zustand des Servers. In der Tat sind entfernte Administratoren in der Lage, das Betriebssystem zu aktualisieren und wenn erforderlich sogar einen Neustart zu erzwingen.

10 Dieser "Lichter aus"-ansatz vereinfacht das Netzwerkmanagement und bringt gleichzeitig erhebliche Kosteneinsparungen. Eine Cloud von Servern beispielsweise braucht nicht länger Extrakabel, die für ein separates Managementnetzwerk mit korrespondierenden Switches verbunden sind. NC-SI für 10 GbE ist ein offener Standard, wodurch Kompatibilität und Interoperabilität mit existierenden Netzwerkmanagement-Umgebungen sichergestellt ist. Elastizität Cloud Netzwerke laufen 24 Stunden an sieben Tagen die Woche. Ein Herunterfahren wegen Wartungsarbeiten ist hier keine Option. Mit dem Sideband-Management lassen sich Echtzeit-Software-Updates, Images und Patches transparent durchführen. Auch kann sich das gesamte Netzwerkgeflecht selbst reparieren, wenn Server ihren Betrieb aufgeben. Die Verfügbarkeit einer vollen Remote Management- Funktion macht das Netzwerkmanagement einfacher und kostengünstiger. Sie erlaubt Administratoren, die Kapazität von Computing-Clouds auch größter Ausdehnung zuverlässig zu maximieren. Cloud Computing verspricht einen deutlichen Wandel in der Art und Weise, wie Unternehmen benötigte Rechenkapazitäten bereitstellen und skalieren: Viele Kapitalausgaben erübrigen sich Betriebskosten werden deutlich gesenkt. 10-GbE- Netzwerk-Controller von Broadcom und die Switches von Arista Networks bieten die Schlüsseltechnologien für alle fünf Faktoren, die für den Entwurf von Cloud Computing-Netzen erforderlich sind. Mit seinen Fähigkeiten durchgängig zu skalieren, die Performance stabil zu halten, Verzögerungen zu kontrollieren, die vollen Management-Funktionen räumlich auszudehnen und die höchste Elastizität im Netzwerk sicherzustellen, sind die 10-GbE-NetXtreme II-Controller bestens für moderne Cloud-Computing-Netzwerke geeignet. Deutsche Übersetzung SEiCOM Communication Systems GmbH Ismaning. Broadcom, the pulse logo, Connecting everything, and the Connecting everything logo are trademarks of Broadcom Corporation and/or its affiliates in the United States, certain other countries and/or the EU. Any other trademarks or trade names mentioned are the property of their respective owners.. Any other trademarks mentioned are the property of their Phone: Fax: Cloud_Computing-WP101-R_word July 2009 Broadcom Corporation 5300 California Avenue Irvine, CA by Broadcom Corporation All rights reserved. Printed in the U.S.A.

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