Arista. Cloud Networking Whitepaper. Ein neuer Netzwerkansatz für Cloud-Computing-Modelle

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1 Arista Cloud Networking Whitepaper Ein neuer Netzwerkansatz für Cloud-Computing-Modelle Mit zunehmender Verbreitung von Cloud-Computing-Modellen verändern sich die Netzwerke in den Rechenzentren hinsichtlich Durchsatz und Flexibilität. Die Fähigkeit das Cloud-Netzwerk skalieren, kontrollieren, visualisieren und anpassen zu können, stellt einen wichtigen Schritt auf dem Weg zum "Rechenzentrum in der Box" dar. Ohne Cloud-Computing könnten viele kleine (private) und große (öffentliche) Unternehmen die Vorteile Web-basierender Applikationen nur sehr schwierig realisieren. Applikationen lassen sich in einer Umgebung mit gemeinsam genutzten Server- und Speicherressourcen erheblich schneller einrichten, als das mit konventionellen Unternehmenslösungen möglich wäre. Moderne Web-Applikationen auf Basis einer Cloud- Infrastruktur auszurollen erlaubt ein Maß an Beweglichkeit, das mit traditionellen Silo-Computing- Modellen kaum zu erreichen wäre. Neue Computing-Modelle für Virtualisierung und Cloud- Umgebungen erfordern eine skalierbare Netzwerkinfrastruktur mit einer sehr großen Zahl an 1/10- Gigabit Ethernet- (GbE), und künftig auch noch schnelleren 40/100-GbE-Verbindungen. Clouds erfordern außerdem ein hohes Maß an Netzwerkverfügbarkeit, denn ein Netzwerkfehler kann hier Tausende von Servern betreffen. Nicht zuletzt benötigen Clouds auch offene Integration auf einer völlig neuen Ebene. Anders wäre ein geordnetes Management nicht möglich.

2 Der Übergang zu Green IT und 10 GbE Cloud Networking unterscheidet sich sehr vom Design traditioneller Unternehmensnetze. Große Content-Provider bauen heute öffentliche Clouds mit mehr als Servern in physikalischen Containern, während gleichzeitig kleinere private Clouds für einige 1000 Server entstehen. Beides zusammen koexistiert mit nach wie vor betriebenen klassischen Unternehmensnetzen. Der Unterschied zwischen dem Aufbau einer Cloud und traditionellen Silo-Netzwerken entspricht etwa dem vom Aufbau eines Fertighauses im Vergleich zu einem individuell geplanten Haus. Das individuell geplante Haus erlaubt flexiblere und noch so eigenwillige Konstruktionen, ist aber komplex und teuer. Vorgefertigte Häuser sind ohne Zweifel günstiger, schneller zu bauen und leichter zu verwalten. Ihr Bau fordert keinerlei Kompromisse in Bezug auf die Zuverlässigkeit. Und mit der richtigen Planung lassen sich sogar auch Sonderwünsche in gewissem Umfang umsetzen. In einer Cloud ist die Netzwerkebene integrierter Bestandteil sowohl der Rechner-Cloud als auch der Gesamtlösung, während Silo-Architekturen das Netzwerk in der Regel als eigenständigen Teil betrachten. In einer Cloud sind sowohl Anschaffungs- und Betriebskosten als auch der Stromverbrauch von entscheidender Bedeutung. Und in der heutigen Marktsituation werden die Themen "Green Cloud" und Energieeffizienz immer wichtigere Bestandteile der Gleichung. Abhängig vom Ort variieren die Stromkosten zwischen 2 (Nordwesten der USA) und 20 Eurocent (Europa) pro Kilowattstunde. Energieeffizientes 10-GbE-Equipment wie die 7100-Switch-Serie von Arista kann den Gesamtstromverbrauch deutlich senken. Die damit verbundene Kostenreduktion in einer typischen Cloud liegt zwischen 10 und 20 Prozent. Bei monatlichen Stromkosten von zig Tausend Euro kommt hier schnell eine beträchtliche Summe zusammen. Ein neuer Cloud-Stack Anders als beim traditionellen OSI Sieben-Schichten-Modell mit strikter Trennung der Netzwerkebene (Ebenen 2-4) und der Applikationsebene (Layer 7) macht Cloud Networking die Ebenen durchsichtig und verwischt damit auch die alten Grenzen. Vielmehr koppelt die Cloud die Netzwerkinfrastruktur mit den Rechnern und den modernen Web-Applikationen. "Stateless Server" (bestehen nur aus CPU und Memory), die sich laufend ihre benötigte Umgebung aus einem Server- Pool abzweigen, erfordern ein blockierungsfreies Netzwerkgewebe, das sehr robust und zudem in der Lage ist, Anwendungsdomänen zu isolieren. Stack Layer Beispiele Vorteile Applikation SAAS, PAAS, Web-Apps, Interne Apps On-demand-Planer maximiert Anwendungszugang OS Beliebige Version von Linux, Beliebige Version von Linux, Windows, Windows, Solaris Solaris Hypervisor ESX, Hyper-V, KVM, XVM Entkoppelt Apps + OS von Hardware Server Bare-Metal Stateless Server Minimiert Kosten für die Server Administration Storage Network Attached File Storage Kein separates SAN notwendig Netzwerk Cloud Networking Erlaubt dynamische Applikations- Bereitstellung und -Einrichtung

3 Merkmale des Arista Cloud Networking Arista Cloud Networking geht über klassische Vernetzung weit hinaus. Skalierbarkeit, Verwaltung und Managementprozesse sind hier neu definiert. Um diese Aufgaben zu bewältigen, ist ein neuer Designansatz für das Cloud Netzwerkgewebe erforderlich, an erster Stelle eine neue Software- Architektur. Eine maßgebliche Rolle spielen unter anderem: Skalierbarkeit: Das Cloud Netzwerk muss bis hin zum Gesamtdurchsatz skalieren, der erforderlich ist, damit es nicht zum Flaschenhals wird. Das bedeutet, das Cloud Netzwerkgewebe muss Durchsatzraten verarbeiten, die schon bald Trillionen von Paketen pro Sekunde erreichen werden. Geringe Verzögerung: Das Cloud Netzwerk muss in der Lage sein, Verzögerungen im Bereich von Mikrosekunden über das gesamte System zu garantieren. Nur so lassen sich die Leistung von Applikationen und die Auslastung von Servern verbessern. Garantierte Performance: Das Cloud Netzwerk muss eine berechenbare Leistung bieten, um eine große Zahl von simultanen Anwendungen inklusive Sprache, Video und Web-Verkehr zu bedienen. Selbstheilende Flexibilität: Cloud Netzwerke arbeiten rund um die Uhr sieben Tage die Woche Ausfall- oder Ruhezeiten sind also keine Option. Die Netzwerkarchitektur muss daher gewisse Selbstheilungsfähigkeiten mitbringen und erlauben, Software-Updates transparent in im laufenden Betrieb durchzuführen. Erweiterbares Management: Echtzeit-Upgrades und Image-/Patch-Management können für den Administrator größerer Cloud Netze schnell zur frustrierenden Aufgabe werden. Um mit Netzen dieser Größenordnung umzugehen, ist ein weit einfacherer Ansatz nötig: Aufgaben wie Bereitstellung, Überwachung, Wartung, Upgrades und Fehlersuche müssen automatisiert sein. Der monolithische Aufbau heutiger Netzwerksoftware kann den Anforderungen in Cloud Netzwerken schlicht nicht gerecht werden. Das "Extensible Operating System" (EOS ) von Arista ist in der Lage, Software und Konfigurationsinformationen über das gesamte Cloud-Geflecht zu verteilen. Durch diese Trennung von Prozess und Zustand bleibt die gesamte Infrastruktur konsistent. Und das wiederum erlaubt es Administratoren, sehr einfach Clouds bereitzustellen, neue Server und Services hinzuzufügen und Software-Images zu aktualisieren.

4 Zweistufige Cloud-Topologien Was für den Anwender in Sachen Cloud-Topologie zählt, sind Kosten, Leistung und Zuverlässigkeit. Server sind typischerweise über eine einzelne Verbindung an einen Access-Switch abgebunden. In klassischen Netzwerken ist das ein Edge- oder Etagen-Switch, Arista hat hier den Begriff Leaf-Switch eingeführt (Leaf = Blatt), der die Einzelverbindung zum Server charakterisiert. Dieser Leaf-Switch ist seinerseits mit mehreren Kern-Switches verbunden, die sich die Netzwerklast teilen. Auch hier verwendet Arista mit dem Begriff Spine-Switch (Spine = Stachel) eine für das Cloud Networking treffendere Bezeichnung. Über doppelt ausgelegte Verbindungen zwischen Leafs und Spines mit Multi-Path-Unterstützung über mehrere Chassis hinweg lassen sich sowohl Redundanz als auch durchschnittliche Cloud-Bandbreite verbessern. In einer Leaf-Switch-Topologie können für die Verbindungen zwischen Server und Switch kostengünstige Kupferkabel eingesetzt werden. Die Verbindungen zwischen den Leaf- und den Kern-Spine-Switches laufen typischerweise über Glasfaser. In einer Container-Umgebung können jedoch auch hier preiswerte Kupferkabel verwendet werden. Beim Design von Cloud-Netzwerken wollen viele Netzwerkplaner gerne ziemlich große Layer-2- Clouds aufbauen. Der Grund ist klar: Layer-2-Clouds sind einfacher zu verwalten als Layer-3-Clouds. Andere organisieren Layer-2-Subnetze in mehr konventionellen Größenordnungen von einigen Hundert bis mehrere Tausend von Netzknoten. Die Switching-Produkte von Arista erlauben sehr große Layer-2- und Layer-3-Forwarding-Tabellen und unterstützen damit beide Cloud-Architekturen. Ein großes Thema bei vielen Anwendern ist auch die Ausgewogenheit des Clod-Netzwerks hinsichtlich Latenzzeiten, zuverlässiger Paketpufferung, blockierungsfreiem Durchsatz und Gesamtskalierbarkeit. Die Optimierung eines Stellrädchens ohne die anderen reicht ihnen nicht.

5 Für Clouds, die über eine breite Reihe von Netzwerkprotokollen wie UDP und Multicast Anfragen zu umfangreichen Datenanalysen betreiben müssen, versprechen größere Paketpuffer einen Performancegewinn: Je größer der Puffer, desto weniger Pakete gehen verloren. Für bestimmte Anwendungen im Bereich von Marktanalysen oder aufwändigen technischen Berechnungen sind konsistente Switch-Latenzzeiten zwischen 600 Nano- und maximal 2 Mikrosekunden erforderlich. Die heute angebotenen Switches liegen im Durchschnitt etwa um das Zehnfache darüber. Ein Cloud- Netzwerk muss auch die aggregierten 1/10-GbE-Verbindungen im Auge behalten und sie in blockierungsfreie Netze der Terrabit-Klasse einflechten, ohne deren Durchsatz und Kapazität zu beeinträchtigen. Die Link-Aggregation mehrerer 10-GbE- und künftig auch 40- und 100-GbE- Verbindungen ist für die saubere Verteilung wesentlich, denn nur so lassen sich Überbuchungen im Rechenzentrum vermeiden. Auf der Leaf-Ebene nutzen die meisten Clouds derzeit 1 GbE, wobei sich aber der Übergang in Richtung 10 GbE bereits laut ankündigt. Die nächsten Server- und Speichersystemgenerationen werden immer höhere Netzwerkgeschwindigkeiten unterstützen. Viele Experten erwarten daher jetzt einen raschen Übergang nach 10 GbE, um das Potenzial der hochwertigen Hardware voll auszuschöpfen. Server-Hersteller gehen inzwischen nach und nach dazu über, 10-GbE- Netzwerkadapter bereits auf dem Motherbord zu integrieren. Zusammen mit preiswerten Kabeln lassen sich so die Kosten für eine 10-GbE-Verbindung deutlich reduzieren. Es ist davon auszugehen, dass sich das Preisniveau für ein 10-GbE-Port bei etwa dem Doppelten eines 1-GbE-Ports (in den USA derzeit zirka Dollar pro Port) einpendeln wird. Bei den Servern wird sich die Leistung aller Voraussicht nach in absehbarer Zeit sogar weit mehr als verdoppeln. Für einen Netzaufbau mit Knoten sind Core-Spine-Switches mit höherer Geschwindigkeit (aktuell 10 GBit/s, künftig 40 und 100 GBit/s) und höherer Dichte absolutes Muss, um eine skalierbare, blockierungsfreie Bandbreite zur Verfügung zu stellen. Kosteneffiziente und skalierbare Lösungen mit hoher Flexibilität und offenem Interface-Zugang machen den Unterschied.

6 Zusammenfassung Der bekannte Medienfuturist und Mitbegründer von Velocity Capital Management Andy Kessler entmystifizierte in seinem Artikel im "Wall Street Journal" den Begriff Cloud mit Begriffen aus "The War for the Web": Die Cloud. Der Desktop-Computer wird nicht verschwinden. Aber in dem Maße, wie die Übertragungsgeschwindigkeiten im Netz zunehmen, lassen sich immer mehr rechenintensive Operationen in ein Computernetzwerk aka eine Cloud im Rechenzentrum verlagern Das Edge. Die Cloud ist nichts ohne Endgeräte, Browser und Nutzer, um sie zu füttern Geschwindigkeit. Wenn die Cloud einmal steht, geht es nur noch um Geschwindigkeit Plattform. Eine schnelle Cloud ist nichts, solange sie geschlossen bleibt. Der Trick ist, sie als Ausführungsplattform für jede neue Geschäftsidee zu öffnen und dafür angemessene Gebühren zu nehmen Diese Gedanken schwingen in den Ideen von Arista Networks mit und noch viel wichtiger in denen der Arista-Kunden, die einen integrierten Cloud-Container-Ansatz für Rechenzentren suchen. Dies ist ein dramatischer Ausbruch aus der Welt geschlossener Netzwerke der Vergangenheit. Copyright 2008 Arista Networks Inc. Übersetzung vom Englischen ins Deutsche: SEiCOM Communication Systems GmbH