EVB. Edge Virtual Bridging EVB. Autor: Prof. Dr.-Ing. Anatol Badach

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1 EVB Edge Virtual Bridging Autor: Prof. Dr.-Ing. Anatol Badach Auszug aus dem Werk: Herausgeber: Heinz Schulte WEKA-Verlag ISBN Dank der Virtualisierung von Rechnern besteht heutzutage die Möglichkeit, auf einem physischen Server ein virtuelles Netzwerk, welches 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 (Rechenzentren), sodass man beispielsweise schon von virtualisierten dynamischen Datacentern bzw. von Dynamic Datacenter Infrastructures (DDIs) spricht. Die Virtualisierung führt aber auch dazu, dass man, um eine Grundlage dafür zu schaffen, VMs in Netzen einheitlich transportieren und 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 IEEE 1 von der Arbeitsgruppe 802.1Qbg 2 ein als Edge Virtual Bridging (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 VMs sowohl untereinander als auch mit Rechnern außerhalb des Wirt-Servers kommunizieren können. Bei EVB unterscheidet man zwischen zwei Arten von vswitches: Virtual Ethernet Bridge (VEB) Virtual Ethernet Port Aggregator (VEPA) Diese beiden Switch-Arten können sowohl softwaremäßig innerhalb von sog. Hypervisors (Bild ) als auch innerhalb von Ethernet-Adapterkarten als Embedded Systems (Bild ) realisiert 1 Institute of Electrical and Electronics Engineers 2 1

2 werden. Die ersten 10GE 3 -Adapterkarten mit VEB sind bereits verfügbar. 4 Die Anbindung einer VM an einen Port im vswitch erfolgt, logisch gesehen (Bild ), 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 Komponenten 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 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: 5 2

3 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 : Funktionale Äquivalenz: a) physisches Netzwerk, b) virtuelles Netzwerk pnic: VM: vnic: Physical Network Interface Controller Virtual Machine, virtueller Rechner Virtual Network Interface Controller Eine wichtige Funktion bei der Virtualisierung von Rechnern übernimmt der Hypervisor. Darunter wird eine Software-Einheit verstanden, die es den mehreren auf einem Wirt-Server implementierten VMs ermöglicht, deren Hardware und Speicher gemeinsam zu nutzen. 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 Networking 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

4 mit dem vswitch-port, an den er angebunden ist, als Virtual Station Interface (VSI) bezeichnet (Bild ) und als Anschlusskomponente 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 Netzwerk 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 illustriert, wie durch die Servervirtualisierung die Architektur von Datacentern erweitert wird. Die Datacenter werden mit dem Netzwerkkern (Core) über spezielle Multilayer Switches (MLSs) verbunden. Weil diese Switches die zum Datacenter gerichteten 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 : Datacenter mit Servervirtualisierung Appl: AS/GS: p/vnic: Applikationen Access/Aggregation Switch Physical/Virtual Network Interface Controller 4

5 Bild bringt u.a. Folgendes zum Ausdruck: Die Architektur von Datacentern wird durch die Servervirtualisierung 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 ). 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 bezeichnete physikalische Adapterkarten an den Access Switch angeschlossen werden. Die parallelen Links zum Access Switch können 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 Bereitstellung 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. Diese Wunschvorstellung setzt aber voraus, dass die Adapterkarte über eine besondere Funktionalität verfügt, welche eine I/O-Virtualisierung realisiert. Anmerkung: Unter I/O-Virtualisierung versteht man im Allgemeinen die Aufspaltung (Multiplexing) eines physischen I/O-Adapters in einem Netzwerk de facto einer physischen Ethernet-Adapterkarte (eines NIC) in mehrere logische (emulierte) I/O-Adapter mit dem Ziel, den physischen I/O-Adapter besser ausnutzen zu können. 5

6 EVB und I/O-Virtualisierung Eine I/O-Virtualisierung basiert im Wesentlichen darauf, dass auf einem physischen Network Interface Controller (NIC) ein vswitch als embedded vswitch realisiert wird und dessen Ports als emulierte NICs zur Anbindung von VMs an den Access Server fungieren. Bild illustriert dies. Bereits heute werden einige 10GE- Adapterkarten mit I/O-Virtualisierung angeboten, die nach dem hier gezeigten Prinzip funktionieren. Bild : I/O-Virtualisierung Ethernet-Adapterkarten als Multiplexer physischer Uplinks PHY/MAC: Physical/MAC: physikalische und MAC-Schicht (Media Access Control) p/vnic: Physical/Virtual NIC VF: Virtual Function Tx/Rx: Sende(Tx)/Empfang(Rx) Die I/O-Virtualisierung basiert auf einer Spezifikation namens Single Root I/O Virtualization (SR-IOV) des Herstellerforums PCI-SIG 7 und führt dazu, dass ein physischer NIC dank dem eingebetteten vswitch mehrere Virtual Functions (VFs) zur Anbindung von VMs zur Verfügung stellt. Diese Virtual Functions könnte man als emulierte, individuelle NICs von VMs betrachten. Für jede Virtual 7 Ursprüngliche Bezeichnung Peripheral Component Interconnect Special Interest Group, 6

7 Function kann eine separate Sende-/Empfangs-Queue eingerichtet werden. Dadurch kann jede Virtual Function bestimmte QoS 8 - Parameter, wie z.b. eine festgelegte Zugangsbitrate zum Access Server, garantieren. 9 Anmerkung: SR-IOV stellt eine Erweiterung des Standards PCI Express (PCIe) 10 zur Anbindung verschiedener Hardwarekomponenten an Rechner dar. Der auf einem physischen NIC eingebettete vswitch kann in jedem der beiden Modi, d.h. sowohl als VEB als auch als VEPA, eingerichtet werden (Bild ). VEB versus VEPA Wie bereits erwähnt, unterscheidet man zwischen zwei Betriebsarten von vswitches und zwar zwischen VEB und VEPA. Bild soll die Unterschiede zwischen ihnen zum Ausdruck bringen. Bild : Betriebsarten eines vswitch: a) VEB, b) VEPA VEB: VEPA: VM: Virtual Ethernet Bridge Virtual Ethernet Port Aggregator Virtual Machine 8 Quality of Service

8 Ein vswitch im Modus VEB kann als L2-Switch (Ethernet Switch) angesehen werden 11 und funktioniert folgendermaßen (Bild a): 1. Er übergibt die von einer VM an einen physischen Rechner bzw. eine andere VM im restlichen Netzwerkteil übermittelten Ethernet-Frames zur Weiterleitung über einen seiner Uplinks- Ports an den Access Switch. 2. Er übermittelt Ethernet-Frames zwischen VMs innerhalb des physischen Servers realisiert also VM-to-VM Switching. 3. Er übermittelt keine Ethernet-Frames zwischen Uplinks-Ports des VEB-vSwitch. Ein vswitch im Modus VEPA verhält sich etwas anders als ein klassischer L2-Switch, denn die zwischen VMs übermittelten Ethernet-Frames werden nicht direkt über den vswitch übermittelt, sondern über den Access Switch außerhalb des physischen Servers mit VMs. Die in Bild b gezeigten Vorgänge sind folgendermaßen zu interpretieren: 1. Dieser Vorgang verläuft identisch wie der Vorgang 1 in Bild a, d.h. bei der Übermittlung von Ethernet-Frames zwischen VMs und physischen Rechnern bzw. anderen VMs im restlichen Netzwerkteil verhält sich der vswitch in den Modi VEB und VEPA identisch. 2. Dieser Vorgang verläuft anders als der Vorgang 2 in Bild a: Die Ethernet-Frames zwischen VMs in demselben physischen Server werden nicht direkt über den VEPA-vSwitch übermittelt (also kein VM-to-VM Switching), sondern über den externen Access Switch. Daher übergibt der VEPA-vSwitch die Frames jeder VM zur Weiterleitung an eine andere VM in dem- 11 Klassische L2-Switches sind lernfähig, d.h. sie sind in der Lage, ihre Forwarding Tables selbst zu erzeugen. Die VEB-vSwitches als L2-Switches sind aber und zwar hauptsächlich aus Sicherheitsgründen nicht lernfähig. Ihre Forwarding Tables müssen manuell konfiguriert werden. 8

9 selben physischen Server an den externen Access Switch und erst dieser realisiert VM-to-VM Switching. Anmerkung: Der VEPA-vSwitch fungiert somit als Port- Extender des externen Access Switch. Dies bedeutet, dass Ports des VEPA-vSwitch, an die VMs angebundenen sind, als Remote-Ports des Access Switch betrachtet werden können. 3. Dieser Vorgang entspricht dem Vorgang 3 in Bild a: Ebenso wie beim VEB-vSwitch werden zwischen Uplinks- Ports im VEPA-vSwitch keine Ethernet-Frames übermittelt. Den vswitch-modus VEPA bezeichnet man auch als Reflective Relay Mode oder als Inter-VM Hairpin Mode bzw. kurz als Hairpin Mode. Virtualisierter Server aus der Sicht von EVB Betrachtet man einen virtualisierten Server aus der Sicht von EVB (Bild ), so enthält dieser zwei funktionelle Komponenten zur Anbindung von VMs an das restliche Netzwerk, und zwar: einen Virtual Bridge Layer mit verschiedenen Arten von vswitches, nämlich mit VEB- und VEPA-Switches sowie mit sog. 2- Port-Modulen zur direkten Anbindung von VMs an den externen Access Switch. einen oder mehrere als S-Components (S: Service) bezeichnete Multiplexer, um jeden physikalischen Uplink als Trunk Link mit mehreren virtuellen Kanälen sog. S-Channels betrachten zu können (Bild ). An die Ports vom S-Component werden entweder VEB- und VEPA- Switches oder auch einige VMs angebunden und auf diese Weise die VMs de facto über virtuelle S-Channels (Bild ) an den externen Access Switch angeschlossen. Dieser kann über mehrere Uplinks an Aggregation Switches (Bild ) angeschlossen werden. Um diese Uplinks aggregieren und folglich gemeinsam nutzen zu können, enthält der Access Switch einen als S-Component bezeichneten Multiplexer. 9

10 Bild : Allgemeine logische Struktur eines virtualisierten Servers aus der Sicht von EVB C-/S-Component: Customer/Service Component Die Struktur jedes virtualisierten Servers soll dynamisch sein, d.h. zu jeder Zeit sollte es beispielsweise möglich sein, eine neue VM einzurichten, eine bestehende VM zu entfernen, einen neuen vswitch einzurichten bzw. einen bestehenden zu entfernen usw. Dies setzt voraus, dass die Anzahl von Ports im S-Component und folglich auch von S-Channels (Bild ) veränderbar also dynamisch ist. Um in der Lage zu sein, einen neuen Port im S- Component einzurichten oder einen bestehenden zu entfernen, wurde bei EVB das S-Channel Discovery and Configuration Protocol (CDCP) spezifiziert. Grundlegende EVB-Architektur Nachdem die wesentlichen Komponenten von Edge Virtual Bridging (EVB) erläutert wurden, zeigt Bild die grundlegende Architektur von EVB. Wie hier ersichtlich ist, kann die EVB-Architektur kurz wie folgt charakterisiert werden: Die Architektur beschreibt die logische Struktur eines virtualisierten Servers im Verbund mit einem Access Switch, wobei der virtualisierte Server als EVB-Station mit 10

11 an sie angebundenen VMs und der Access Switch als EVB-Bridge dargestellt werden. Bild : EVB-Architektur das Modell virtualisierter Server CAP: ER: pnic: VEB: VEPA: VLAN: VM: VSI: S-Channel Access Port Edge Relay Physical Network Interface Controller Virtual Ethernet Bridge Virtual Ethernet Port Aggregator Virtual Local Area Network Virtual Machine Virtual Station Interface Aus Bild geht insbesondere die Bedeutung der EVB- Architektur hervor, denn dank der Einführung von EVB-Station und EVB-Bridge ist ein übersichtliches Modell entstanden, das alle notwendigen Funktionsmodule und Schnittstellen enthält, um Protokolle zur Unterstützung der Migration von VMs in IP-Netzen 12 zu entwickeln (Bild ). Es sei im Hinblick auf die EVB-Architektur das logische Interface VSI einer VM als Verknüpfung von vnic der VM mit dem Edge 12 Internet Protocol 11

12 Relay Port (ER-Port), an dem die VM angebunden ist, hervorgehoben. Das VSI der VM spezifiziert deren Netzwerkzugangsregeln und muss somit bei ihrer Migration im Netzwerk zusammen mit ihr migrieren, sodass man auch von der VSI-Migration spricht. Darauf wird im Weiteren detaillierter eingegangen. EVB und Migration von VMs Durch die Einführung der EVB-Architektur aus einer EVB-Station und einer EVB-Bridge bestehend ist ein Modell entstanden, mithilfe dessen es möglich ist, alle zur Unterstützung der Migration von VMs benötigten Protokolle zu spezifizieren. Bild : EVB als Modell zur Darstellung der Migration von VMs VSI: Virtual Station Interface Um die Migration von VMs zu unterstützen, werden bei EVB folgende Protokolle spezifiziert: Edge Control Protocol (ECP) Es garantiert eine zuverlässige Übermittlung zwischen EVB- Station und EVB-Bridge und stellt Dateneinheiten zur Übermittlung von Nachrichten anderer Protokolle zur Verfügung. Das ECP wird vom VDP genutzt. Edge Discovery and Configuration Protocol (EDCP) Das Protokoll wird zur Entdeckung und zur Konfiguration von VEPA, ECP und VDP verwendet. Mit EDCP kann z.b. eine EVB-Bridge die Betriebsarten von vswitches in der EVB- Station abfragen. 12

13 VSI Discovery and Configuration Protocol (VDP) Das VDP ermöglicht es u.a., bei einer VM-Migration die sog. Associate-Operationen zwischen EVB-Station und EVB-Bridge durchzuführen (vgl. Bilder und ). Dadurch kann das VSI-Profil der VM quasi zusammen mit ihr migrieren. S-Channel Discovery and Configuration Protocol (CDCP) Es wird genutzt, um einen S-Channel auf dem Link zwischen EVB-Station und EVB-Bridge (Bild ) dynamisch aufbzw. abzubauen. Die Nachrichten der bei EVB eingeführten Protokolle haben das Format TLV (Type, Length, Value) und werden zwischen EVB- Station und EVB-Bridge in den Dateneinheiten des Protokolls LLDP übermittelt. Somit basieren alle EVB-Protokolle auf dem LLDP. Anmerkung: Das Link Layer Discovery Protocol (LLDP) ist ein Layer-2-Protokoll und ermöglicht, dass sich die über einen Ethernet- Link verbundenen Systemkomponenten (z.b. Switches) ihre Identitäten und Eigenschaften gegenseitig mitteilen können. Die Dateneinheiten von LLDP, die sog. LLDP Data Units (LLDPDUs), können mehrere Nachrichten im TLV-Format enthalten und werden direkt in Ethernet-Frames eingebettet. Darauf, dass es sich um eine LLDPDU handelt, wird nach dem MAC 13 -Header mittels des LLDP EtherType 88cc verwiesen. Eine LLDPDU kann mehrere Nachrichten enthalten. Das in Bild gezeigte Virtual Machine Migration Protocol (VMM Protocol, VMMP) gehört nicht zu EVB. Zurzeit gibt es noch kein standardisiertes VMMP, sondern nur herstellerspezifische Lösungen. Die auf dem EVB-Konzept basierenden Prinzipien der VM-Migration werden in den Bildern und dargestellt. Für die Fortsetzung siehe: Fachkompendium Protokolle und Dienste der Informationstechnologie, WEKA-Verlag, ISBN: Media Access Control 13

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