Εξισορρόπηση φορτίου στα ευφυή προγραμματιζόμενα δίκτυα

Abstract

Η εξισορρόπηση φορτίου (Load Balancing) αποτελεί βασική τεχνική εξασφάλισης της επιθυμητής απόδοσης και ορθής λειτουργίας των κέντρων δεδομένων, προσφέροντας τη δυνατότητα λειτουργίας νέων και περισσότερο απαιτητικών εφαρμογών. Ένα από τα προβλήματα στα παραδοσιακά δίκτυα είναι η έλλειψη αποτελεσματικών τρόπων απόκτησης στατιστικών κίνησης δικτύου από κάθε δικτυακή συσκευή, λόγω της ετερογένειας του υλικού και του λογισμικού. Επιπλέον, συνήθως αξιοποιούνται ειδικές συσκευές για την εξισορρόπηση φορτίου οι οποίες βασίζονται σε εξειδικευμένο υλικό και έχουν υψηλό κόστος, χωρίς να προσφέρουν την απαραίτητη ευελιξία στους διαχειριστές του δικτύου. Για παράδειγμα, οι τελευταίοι δεν μπορούν να γράψουν τους δικούς τους αλγόριθμους εξισορρόπησης φορτίου, μιας και οι συσκευές είναι κλειδωμένες από τον κατασκευαστή τους. Τα ευφυή προγραμματιζόμενα δίκτυα (Software Defined Networking – SDN) είναι μια πρόσφατη δικτυακή τεχνολογία για τη δημιουργία, το σχεδιασμό και τη διαχείριση δικτύων, η οποία στοχεύει στα παραπάνω προβλήματα. Η κύρια ιδέα του SDN βασίζεται στη λογική συγκέντρωσης του ελέγχου του δικτύου σε ένα λογισμικό ελεγκτή (controller), ο οποίος ελέγχει και παρακολουθεί τη συμπεριφορά του δικτύου. Στη διπλωματική εργασία μελετάμε και συγκρίνουμε τους αλγορίθμους εξισορρόπησης φορτίου κυκλικής επιλογής (Round Robin), κυκλικής επιλογής με βάρη (Weighted Round Robin) και έναν αλγόριθμο που βασίζεται σε στατιστικά. Επιπλέον, υλοποιήσαμε και παρουσιάσαμε μια δική μας πρόταση: ενός αλγορίθμου που βασίζεται σε ποσοστά (Ratio-based). Θα αντιπαραβάλλουμε τον αλγόριθμό μας με εκείνον της κυκλικής επιλογής με βάρη. Ακόμη, θα παρουσιάσουμε τι συμβαίνει σε περιπτώσεις που ένας διακομιστής έχει αυξημένο φόρτο εργασίας και θα αξιολογήσουμε την αποτελεσματικότητα του συστήματος εξισορρόπησης φορτίου. Για την πραγματοποίηση των πειραμάτων, χρησιμοποιούμε το λογισμικό Mininet για την εξομοίωση του δικτύου και των δικτυακών συσκευών (π.χ. μέσω του λογισμικού Open vSwitch) και τον ελεγκτή FloodLight για τον έλεγχο, την παρακολούθηση και την εφαρμογή των διαφόρων αλγορίθμων εξισορρόπησης φορτίου.

Load Balancing is a basic technique to ensure the desirable performance and the proper operation of data centers, offering the ability of running new and more demanding applications. One of the many problems in traditional networks is the lack of efficient ways of obtaining network traffic statistics from the network devices, due to the heterogenous nature of hardware and software. Furthermore, there are used special devices for load balancing, called load balancers, that are based on special hardware and have a high obtaining cost, without providing the necessary flexibility to network administrators. For example, the latter can’t implement their own load balancing algorithms, since these devices are locked by their manufacturer. Software Defined Networking (SDN) is a recent networking technology for the creation, planning and network management that addresses the above problems. The main concept of SDN is based on the logical centralization of network control in a software controller that monitors and controls the network behavior. In this thesis, we study and compare Round Robin, Weighted Round Robin and a statistic-based algorithm. In addition, we have implemented and presented our own proposal, a Ratio-based algorithm. We will also show what happens if a server has an increased workload and we will evaluate the efficiency of the load balancing system. To perform the experiments, we use Mininet to emulate the network and the network devices (e.g. using Open vSwitch) and the FloodLight controller to monitor, control and implement the various load balancing algorithms.