Virtualisation des réseaux : performance, partage et applications

Virtualization appears as a key solution to revolutionize the architecture of networks, such as the Internet. The growth and success of the Internet have eventually resulted in its ossification, in the sense that ubiquitous deployment of anything into this network is hardly possible, thus impeding innovations. This is exactly where virtualization comes as a solution, by adding a layer of abstraction between the actual hardware and the 'running' network. These virtual networks can be managed and configured flexibly and independently by different operators, thus creating a competitive environment for stim- ulating innovations. Being 'de-materialized' in such a way, networks can be deployed on demand, configured, started, paused, saved, deleted, etc., like a topology of programmable objects, each representing a virtual switch, router or link. The flexibility introduced into the network provides the operator with options for topology reconfiguration, besides al- lowing it to play with the software stacks and protocols. Achieving such a high degree of decoupling, that leads to disruptive changes, is one of the ultimate goals of network virtualization--envisioned as a key to the 'future' of the Internet--but it is still far from reality. Today, network virtualization has been realized in research testbeds, allowing re- searchers to experiment with routing, and interconnecting virtual computing nodes. The industry proposes virtual routers for network consolidation and saves in equipment cost. However, introducing virtualization in a production network such as those of the Internet raises several challenges, that have not yet been addressed. The additional layer interposed between the actual network hardware and the virtual networks is responsible for sharing the physical resources among the virtual networks. It potentially introduces performance overhead. In this manuscript, we concentrate on these issues, namely the performance and the sharing in virtualized networks. These are in particular relevant, when the network data- plane is virtualized, for maximum isolation and configurability in virtual networks. Then, we investigate the applications of virtualized networks, sharing the physical network at the data-plane level. In this context, the contributions presented in this manuscript can be summarized as follows. Analysis and evaluation of the impact of virtualization mechanisms on communication perfor- mance. In order to evaluate the impact of virtualization on the performance of a virtu- alized network, we analyze different technologies that allow to virtualize the data-plane, and we build a virtual router prototype using virtual machine techniques. The network performance of such a virtual router is evaluated in detail, using different software con- figurations [7] [9] [2]. The results show that the performance of the communication in virtual servers has improved over the last few years, to reach up to 100% throughput on 1 Gb/s network interfaces, thanks to optimizations in software. Hence, virtualization in software is a promising approach for experimentation, but for production networks such as the Internet, dedicated hardware is required, for reaching very high speeds (> 10 Gb/s). Virtualizing the switching fabric. We propose a virtualized switch architecture that allows flexible sharing of the hardware resources of a switch among several virtual switches [5]. This virtualized switch architecture enables users to set up virtual switches with a config- urable number of ports, dimensionable capacity per port and buffer sizes on top of the phys- ical switch. In addition, each virtual switch can have different packet-scheduling and queu- ing mechanisms. A virtual switch scheduler controls the sharing of the physical resources among the virtual switches and provides performance isolation. The proposed architecture is evaluated through simulations. This architecture has been patented [VxSwitch]. Isolating and programming virtual networks. When virtualized, the network resources are shared among different virtual networks. We propose a virtual network service for con- trolling the amount of resources that is conferred to each virtual network, and ensuring performance isolation. This service consists in interconnecting nodes by a virtual network composed of virtual routers and links. The routers can be configured so that each virtual network controls which paths its traffic uses. The virtual links can be dynamically provi- sioned with bandwidth. The underlying physical resources control that each virtual link provides the configured bandwidth, thus ensuring a guaranteed service level [1]. This ser- vice is implemented in two ways, first using software virtual routers and links [HIPerNet], and second creating virtual routers and links using OpenFlow switches. Evaluations show that either approach can provide bandwidth guarantees, as well as routing configuration functionality for each virtual network. Application of virtual networks. Finally, the virtual network service is applied to gener- alized virtual infrastructures, combining network and IT (Information Technology) vir- tualization. The users can request a virtual computing infrastructure, whose resources are interconnected through a controlled and isolated virtual network. This is a promising approach, e.g., for providing a network service in Clouds. We deploy such a service in the Grid'5000 testbed, and evaluate it using a large-scale distributed application [6]. The results show that the configuration of different service levels in the virtual network impacts directly on the application execution time [3] [12]. Hence, we validated the importance of control and isolation in virtual networks to provide predictable performance to Cloud applications.La virtualisation apparait comme étant une solution clé pour révolutionner l'architecture des réseaux comme Internet. La croissance et le succès d'Internet ont fini par aboutir a' son ossification : le déploiement de nouvelles fonctionnalités ou la mise a jour de son architecture ne sont guère possibles, entravant ainsi les innovations. La virtualisation apporte une réponse a cette problématique, en ajoutant une couche d'abstraction entre le matériel et le réseau tel qu'il est vu par les utilisateurs. De tels réseaux virtuels peuvent être gérés et configures de manière flexible et indépendamment les uns des autres, par des opérateurs différents. Ceci crée donc un environnement compétitif qui stimule l'innovation. En étant dématérialisés de cette façon, les réseaux peuvent être déployés a la demande, configures, démarrés, suspendus, sauvegardes, supprimes, etc., comme un en- semble d'objets eux-mêmes programmables, organisées dans une topologie, où chaque objet représente un commutateur, un routeur ou un lien virtuel. La flexibilité qui en résulte donne a l'opérateur la possibilité de configurer la topologie du réseau, et de modifier les piles protocolaires. Parvenir à un tel degré de découplage, permettant d'aboutir a' des changements fondamentaux, est l'un des buts ultimes de la virtualisation des réseaux-- qui est envisagée comme une cl e pour le 'futur' de l'Internet--mais le concept est pour l'instant loin d'être réalisé. Jusqu'à' présent, la virtualisation du réseaux a été déployée dans des plateformes de test ou de recherche, pour permettre aux chercheurs d'expérimenter avec les protocoles de routage, notamment dans les réseaux interconnectant des nœuds de calcul, eux-mêmes virtuels. L'industrie propose des routeurs virtuels pour la consolidation des réseaux afin de réduire les coûts des équipements. Pourtant, dans le but d'introduire la virtualisation dans les réseaux de production comme ceux de l'Internet, plusieurs nouveaux défis apparaissent. La couche supplémentaire interposée entre le matériel et les réseaux virtuels doit prendre en charge le partage des ressources physiques entre les différents réseaux virtuels. Elle introduit potentiellement un surcoût en performance. Dans ce manuscrit, nous nous concentrons sur ces problématiques, en particulier la performance et le partage dans les réseaux virtualises. Ces deux questions sont particulièrement pertinentes, lorsque le plan de données du réseau lui-même est virtualise, pour offrir un maximum d'isolation et de configurabilité dans des réseaux virtuels. Puis, nous examinons les possibles applications des réseaux virtuels, partageant le réseau physique au niveau du plan de données. Dans ce contexte, les contributions présentées dans ce manuscrit peuvent être résumées de la manière suivante. Analyse et évaluation de l'impact des mécanismes de virtualisation sur la performance des communications. Afin d' évaluer l'impact de la virtualisation sur les performances d'un réseau virtualise, nous analysons d'abord différentes technologies qui permettent de virtualiser le plan de données. Puis nous construisons un prototype de routeur virtuel en utilisant des techniques logicielles de virtualisation. La performance réseau d'un tel routeur virtuel est évaluée en détail, en utilisant des configurations logicielles différentes [7] [9] [2]. Les résultats montrent que la performance des communications des serveurs virtuels a augmente durant les dernières années, pour atteindre jusqu'à' 100% du débit maximum sur des interfaces réseau de 1 Gb/s, grâce aux optimisations logicielles. La virtualisation en logiciel est donc une approche prometteuse pour l'expérimentation, mais pour un réseau de production tel qu'Internet, du matériel dédié est requis, pour atteindre de très hauts débits (> 10 Gb/s). Virtualisation de la matrice de commutation. Nous proposons une architecture de commutation virtualisée, qui permet de partager les ressources matérielles d'un commutateur de manière flexible entre plusieurs commutateurs virtuels [5]. Cette architecture de switch virtualisée permet a' des utilisateurs de mettre en place des commutateurs virtuels, instancies au dessus du commutateur physique, chaque commutateur ayant un nombre de ports configurable. De plus, la capacité par port et la taille des tampons mémoire peuvent être dimensionnées. En outre, chaque commutateur virtuel peut disposer de mécanismes d'ordonnancement et de mise en file d'attente de paquets différents. Un ordonnanceur de commutateurs virtuels contrôle le partage des ressources matérielles entre les commutateurs virtuels et assure l'isolation des performances. L'architecture proposée est évaluée par des simulations. Un brevet a été déposé pour cette architecture [VxSwitch]. Isolation et programmation de r eseaux virtuels. Etant virtualisées, les ressources réseau sont partagées par des réseaux virtuels différents. Pour contrôler la quantité de chaque ressource qui est attribuée à chaque réseau virtuel, nous proposons un service de réseaux virtuels. Ce service consiste en l'interconnexion de nœuds par un réseau virtuel, compose de routeurs et de liens virtuels. Les routeurs peuvent être configures afin que chaque réseau virtuel puisse contrôler quel chemin est utilise par son trafic. La bande passante peut être allouée dynamiquement aux liens virtuels. Les ressources physiques sous-jacentes vérifient que chaque lien virtuel fournit la bande passante configurée et qu'il assure un niveau de service garanti [1]. Ce service est implémenté de deux façons. En premier lieu, des routeurs virtuels logiciels interconnectes par des liens virtuels sont utilises [HIPerNet]. Puis, des routeurs et liens virtuels sont crées en utilisant des commutateurs OpenFlow. Des évaluations montrent qu'avec chacune des deux approches, des garanties en termes de bande passante, ainsi que des fonctions de configuration du routage peuvent être fournies a' chaque réseau virtuel. Application des réseaux virtuels. Finalement, le service de réseaux virtuels est applique au contexte des infrastructures virtuelles généralisées, combinant la virtualisation du réseau et des nœuds de calcul. Les utilisateurs peuvent demander une infrastructure virtuelle de calcul, dont les ressources sont interconnectées par un réseau virtuel contrôle. Cette approche est prometteuse pour les réseaux du Cloud ou nuage en français. Nous déployons un tel service dans la plateforme de test Grid'5000, et l'évaluons en utilisant une application distribuée à grande échelle [6]. Les résultats montrent que la configuration de niveaux de service réseau différents impacte directement le temps d'exécution de l'application [3] [12]. Nous validons donc l'importance du contrôle et de l'isolation dans les réseaux virtuels, dans le but de fournir des performances prévisibles a des applications Cloud