Mudanças entre as edições de "Tolerância a Falhas e Balanceamento de Carga em Redes Multi-Homing"

Edição das 10h37min de 3 de março de 2013

Autor: Helton Porto
Orientador: Eraldo Silveira e Silva
Co-Orientadores: Marcelo Sobral

RESUMO ESTENDIDO

Hoje em dia, o mundo vem a cada dia se tornando dependente de novas tecnologias e principalmente dos serviços de telecomunicações. O acesso à internet e outros meios de comunicação estão sendo vistos como algo trivial para as pessoas, principalmente no mundo corporativo. Com esta dependência, Provedores de Serviços (ISP) ou operadoras que proveem serviços de conexão de acesso a internet a seus clientes, vem se aplicando em estudos e serviços para a uma total disponibilidade.

Uma única conexão ao ISP, com um único caminho de saída, é comumente chamado de redes stub, e para que uma rede stub possua a capacidade de tolerar falhas na sua conexão lógica/física ao seu provedor (ou provedores), é necessário redundância de enlaces físicos. Tais redes podem ser chamadas de redes stub multi-homing. Existem várias opções de redundância física. De forma geral, pode-se ter (i) um gateway da rede stub conectado ao ISP via dois ou mais enlaces, ou ainda, (ii) dois ou mais gateways da rede stub, cada um com enlace para o ISP (ou diferentes ISPs).

Dentro das possibilidades acima pode-se ter um enlace primário (ativo) com um ou mais enlaces em estado de redundância passiva (hot-standby), ou ainda, pode-se ter todos enlaces ativos implementando-se alguma forma de balanceamento de carga. Em adição, o cliente proprietário da rede stub pode desejar aplicar diferentes estratégias para o tráfego que sai de sua rede (outgoing traffic) e para o que entra (ingoing traffic).

Existem varias tecnologias e diferentes formas de implementar a redundância passiva e o balanceamento de carga. Por exemplo, é possível usar os protocolos que permitem redundância com a técnica de duplicação de gateway como o VRRP (Virtual Router Redundancy Protocol), um protocolo não proprietário descrito na RFC 3768, e os protocolos proprietários da Cisco, HSRP (Hot Standby Router Protocol) e GLBP (Gateway Load Balancing Protocol), que também provê balanceamento de carga no primeiro salto. Protocolos de roteamento também podem ser usados como OSPF e BGP que também possuem mecanismos para implementar tais características em camada de rede.

Este trabalho visa comparar os protocolos apontados acima no que tange a capacidade de implementar os vários cenários descritos. Pretende-se também avaliar o desempenho e levantar limitações de cada um. Finalmente, pretende-se demonstrar uma implantação real de um cenário de redundância, desde o projeto, simulação, implantação e avaliação do desempenho do sistema.

ESQUELETO DO DOC TCC1

1.Introdução (1 página)

O mundo vem a cada dia se tornando dependente de novas tecnologias e principalmente dos serviços de telecomunicações. O acesso à internet e outros meios de comunicação estão sendo vistos como serviços triviais para as pessoas, principalmente no mundo corporativo. Com esta dependência, Provedores de Serviços (ISP) ou operadoras que proveem serviços de conexão de acesso a internet e comunicação de dados a seus clientes, vem se aplicando em novas tecnologias, estudos e serviços para a uma total disponibilidade. Uma única conexão a rede (ISP), com um único caminho de saída, é comumente chamado de redes stub, e para que uma rede stub possua a capacidade de tolerar falhas na sua conexão lógica/física ao seu provedor (ou provedores), é necessário redundância de enlaces físicos. Tais redes podem ser chamadas de redes stub multi-homing. Existem várias opções de redundância física. De forma geral, pode-se ter (i) um gateway da rede stub conectado ao ISP via dois ou mais enlaces, ou ainda, (ii) dois ou mais gateways da rede stub, cada um com enlace para o ISP (ou diferentes ISPs).

Dentro das possibilidades acima pode-se ter um enlace primário (ativo) com um ou mais enlaces em estado de redundância passiva (hot-standby), ou ainda, pode-se ter todos enlaces ativos implementando-se alguma forma de balanceamento de carga. Em adição, o cliente proprietário da rede stub pode desejar aplicar diferentes estratégias para o tráfego que sai de sua rede (outgoing traffic) e para o que entra (ingoing traffic). Existem varias tecnologias e diferentes formas de implementar a redundância passiva e o balanceamento de carga. Por exemplo, é possível usar os protocolos que permitem redundância com a técnica de duplicação de gateway como o VRRP (Virtual Router Redundancy Protocol), um protocolo não proprietário descrito na RFC 3768, e os protocolos proprietários da Cisco, HSRP (Hot Standby Router Protocol) e GLBP (Gateway Load Balancing Protocol), que também provê balanceamento de carga no primeiro salto. Protocolos de roteamento também podem ser usados como OSPF e BGP que também possuem mecanismos para implementar tais características em camada de rede. Este trabalho visa comparar os protocolos apontados acima no que tange a capacidade de implementar os vários cenários descritos. Pretende-se também avaliar o desempenho e levantar limitações de cada um. Finalmente, pretende-se demonstrar uma implantação real de um cenário de redundância, desde o projeto, simulação, implantação e avaliação do desempenho do sistema.

2.Fundamentação Teórica (20 páginas)

2.1.Alguns conceitos associados a tolerância a falhas e balanceamento de carga

No ambiente de redes de computadores, sempre se estará sujeito a falhas de equipamentos indisponibilizando os recursos oferecidos e muitas vezes importantes para seus usuários. Um projeto de rede pode ser estudado para viabilizar a tolerância as falhas. Para isso, alguns conceitos devem ser estudados.

A tolerância a falhas [Avizienis, 2004] diz respeito a propriedade de um sistema continuar a fornecer um serviço correto para o qual foi projetado, mesmo quando submetido a faltas de hardware, software, uso. Esta propriedade é conseguida normalmente pela aplicação de técnicas específicas.

2.1.1.Redundância

A redundância é definida como a "capacidade de um sistema em superar a falha de um de seus componentes através do uso de recursos redundantes" (PINHEIRO, 2004). Para isso, um sistema depende de recursos alternativos, alem do principal, que estejam disponíveis para assumir o sistema assim que a falha ocorrer.

A redundância é termo muito usual e não se prende apenas em redes de computadores. Ela pode ser embarcada em vários sistemas como: energia, aviação, maquinas industriais e outros. A finalidade de um recurso redundante é suprir integral ou parcialmente os serviços, visando sempre que as funções mínimas do sistema estejam em funcionamento.

2.1.2.Contingência

Pinheiro (2004) define contingencia como: “possibilidade de um acontecimento futuro de uma condição existente, incerteza sobre as condições operacionais envolvidas e a resolução destas condições dependerem de eventos futuros”, ou seja, a possibilidade de um fato ocorrer ou não, com uma situação de risco existente, com certo grau de probabilidade de acontecer.

Portanto, quando se projeta um sistema, deve-se definir em conjunto um plano de contingencia, plano este que deve visar manter o sistema, caso ocorra uma falha, de natureza diversa, quando este estiver executando tal processo.

Para isso um estudo de cada um dos processos em particular, quais os riscos envolvidos em cada um deles, de como afetariam o sistema, quais seriam os mais impactantes, quais as áreas mais críticas, o que poderia paralisar o sistema, e o tempo de restabelecimento para cada fase, são questões que norteiam o plano de contingencia.

Medidas preventivas e planejadas, que suportem, por exemplo, falhas de software, hardware, base de dados, energia, temperatura, perda do link de comunicação e de causas naturais, devem estar incluídas no plano de contingenciamento, ou seja, ações imediatas, para serem executadas, visando o restabelecimento dos serviços, mesmo que parcialmente, diminuindo o tempo de paralisação, caso ocorra uma falha.

O plano de contingencia deve ter alta disponibilidade de informações de monitoramento, ser implantado de maneira que, de um modo seguro e eficiente, possa-se gerenciar/solucionar os problemas ocorridos, e que, se possível, seja pró-ativo e disponibilize a solução da falha independentemente de ações externas, minimizando os impactos, e apenas mantendo relatório dos fatos ocorridos.

2.1.3.Disponibilidade

Disponibilidade é definida pelo tempo em que um sistema de rede deve estar disponível para seus usuários (Pinheiro, 2004). Ela pode ser mensurada em relação ao tempo em que o sistema está em falha (downtime), com o tempo que deve estar disponível. Dependendo do plano de contingência criado para suprir falhas que possam indisponibilizar o sistema, o tempo disponível pode variar em horas, dias, meses ou até anos.

A figura 1 representa uma tabela com relação ao tempo de downtime em relação a um ano de operação da rede. Uma pequena variação na porcentagem pode considerar uma grande diferença de tempo. Para isso a importância de estimar a disponibilidade mínima da rede afim de montar seu plano de contingência. Segundo PINHEIRO, a disponibilidade pode ser enquadrada em três classes, Disponibilidade Básica, Alta Disponibilidade e Disponibilidade Contínua.

2.1.4.Balanceamento de Carga

Por ser um dos pontos mais críticos e vulnerável a falha, a multiplicação de links wans é muito comum em planos de contingencia. Dependendo do projeto e a disponibilidades dos recursos dos equipamentos utilizados, o balanceamento de carga entre os links pode ser implementada. Com o balanceamento de carga, é uma forma de aproveitar os recursos do sistema redundante, ao invés de ficarem ociosos sem utilização até que ocorra ma falha. O recurso de balanceamento entre os links wans, é distribuir o trafego de dados entre eles. Além de proporcionar redundância, ele aumenta o desempenho da rede somando a banda dos links, aumentando a capacidade do sistema. Irei aprofundar os tipos de balanceamentos no capítulo 2.2.4 onde mostra as topologias que serão exemplificadas neste trabalho.

-Conceito de disponibilidade, tolerância a falta e balanceamento de cargas em rede -roteamento na internet -Tecnologias para a conexão de redes stubs com ISPs -redes multihoming

2.2.Tecnologias para Redundância de acesso no primeiro hop.

A multiplicação de gateway padrão é umas das tecnologias usadas para redundância no primeiro hop. Este recurso é utilizado através de protocolos de rede, e fazem com que a rede fique protegida por dois ou mais equipamentos gateway da rede (CPE), caso haja uma falha no equipamento e também nas interfaces de acesso a rede externa. Os roteadores trocam mensagens entre eles com varias informações, que podem transferir o status do gateway em espera como ativo ou vice-versa. Os protocolos são o HSRP, VRRP e o GLBP.

2.2.1.HSRP

O HSRP (Hot Standby Router Protocol) é um protocolo de rede definido pela RFC 2281 desenvolvido e proprietário da Cisco. Aplicado em um domínio de rede, em dois ou mais roteadores, cada roteador terá seu ip fixo da rede e também o ip gateway padrão do domínio, comum em todos os roteadores, e chamado de ip virtual. Desta forma o gateway dos dispositivos finais da rede não precisa ser alterado. Os roteadores trocam mensagens hello a cada 3 segundos através do endereço multicast 224.0.0.2, usando a porta UDP 1985. Para definir o gateway ativo (link principal) ou stand-by (link back-up) no domínio, é dado prioridades nos roteadores. O roteador que tiver maior prioridade é eleito como ativo. O valor padrão da prioridade é 100, e se não definido, o roteador que tiver o maior valor ip é eleito ativo, mas geralmente se define estaticamente por escolha do administrador da rede. O HSRP é configurado nos roteadores para que se houver uma falha em alguma regra estabelecida no roteador como queda de interface ou falta de conectividade no próximo hop (WAN), decrementa-se o valor de sua prioridade, afim do roteador vizinho se tornar ativo. Caso normalize as regras o roteador dado como link principal volta a sua prioridade e seu status como ativo.

2.2.2.VRRP O protocolo VRRP é muito semelhante ao HSRP, porem é um protocolo aberto e definido pela RFC 3678, podendo ser usado em qualquer equipamento que suporte o protocolo. O VRRP diferente do HSRP, define o status dos roteadores como máster para o ativo e backup para os demais. As mensagens trocadas pelos roteadores são chamados de Link-State Advertisement (LSA), através do endereço multicast 224.0.0.18. Caso ocorra alguma falha no roteador mestre, o mesmo envia mensagens para os roteadores backup e um é eleito a assumir o status de master.

2.2.3.GLBP

O GLBP (Gateway Load Balancing Protocol), também é um protocolo proprietário da Cisco, semelhantes aos protocolos já mencionados porem além de fazer redundância de rede ele suporta balanceamento de carga. A principal diferença do GLBP em relação aos demais é que ele consegue atribuir diferentes endereços MAC para um mesmo IP Virtual(KRAEMER, et al., 2010, p. 2). Os roteadores eleitos back-up também são encaminhadores e ativos. No GLBP existem dois tipos de gateways ativos: o Gateway Virtual Ativo (AVG) e o Gateway Virtual Encaminhador (AVF). O AVG é eleito pelo grupo e os AVF são seus backups. A cada solicitação ARP feita ao AVG é devolvido o MAC Virtual de outro roteador AVF. Com este mecanismo, o endereço MAC do gateway armazenado na tabela ARP do cliente não é o mesmo em todas as estações, permitindo o balanceando da carga [Satapati et al.,2004, pp.02].

2.2.4.Cenário de Múltiplos Links

Existem vários cenários, diferentes topologias e meios de acesso a rede. A multiplicação de links wan's são os mais comuns para a aplicação num plano de contingencia. Ela pode ser fornecida por um único ou diferentes provedores de acesso. Múltiplas conexões são conhecidas como redes multi-homing e aplicadas de varias maneiras. Iremos explorar três topologias diferente.

2.2.4.1.Multi-homing com CPE único

Esta configuração permite ter mais de um acesso wan, porem os links são concentrados em apenas um CPE. A redundância fica apenas no enlace entre o cliente e operadora. Nesta topologia os protocolos de duplicidade de gateway (HSRP, VRRP e GLBP) não são aplicáveis porém se utiliza dos protocolos de enlace e roteamento para prover redundância. Nos acessos simétricos, em que os links são iguais, pode ser aplicado balanceamento de carga entre os circuitos. Em acessos assimétricos, ou seja, links de diferentes velocidades é mais comum que se utilize o plano de links principal e backup.

2.2.4.1.1.Multilink PPP

O Multilink PPP (MP)é um protocolo da camada enlace de rede descrito na RFC 1990. Ele tem função de agregar dois ou mais circuitos seriais que utilizam o protocolo PPP. Com a aplicação deste protocolo, fica o CPE com apenas uma interface lógica de saída, porem agregado a vários circuitos físicos. A vantagem do MP é que ele soma banda de cada circuito, ou seja, se o CPE tiver disponível 3 enlaces de 2Mbps, a banda total de saída será de 6Mbps. Outra vantagem é que se um link fica inoperante não há indisponibilidade do sistema, apenas o banda diminui para a quantidade de links ativos. A desvantagem desta topologia é que não há redundância de CPE e PE, pois os links precisam estar em um único CPE e também na operadora (PE) e os links devem ter a mesma velocidade.

2.2.4.1.2.Balanceamento por pacotes

O balanceamento por pacotes é feita através da camada de rede. O trafego é divido pelas interfaces de saída do CPE, balanceando pacote por pacote em cada enlace, distribuindo uniformemente o trafego de saída. A tabela de roteamento do CPE é montada com duplicidade de saída para o mesmo destino. Nesta aplicação também é somado a banda de cada circuito. Algumas desvantagens são relevantes nesta topologia. O grande uso de CPU no CPE, podem ocorrer problemas com aplicações que não toleram atrasos e perdas, os links devem ser símetricos. Esta configuração também exige uma configuração complexa para total disponibilidade caso ocorra falha em algum circuito. Como o roteamento é estático e não há verificação do estado de enlace, ou seja, o roteador pode distribuir o trafego em um enlace que está falha causando perdas ou total indisponibilidade na rede.

2.2.4.1.3.Balanceamento por destino

O balanceamento por destino é basicamente a configuração default dos equipamentos de rede (CPE e PE). Os circuitos também devem ser simetricos, e diferença básica para o balanceamento por pacote, é que cada fluxo de dados é encaminhado por um unico link, ou seja, a distribuição não é feito por pacote e sim por controle de fluxo TCP. Por exemplo um download feito na rede com este recurso, o trafego entra por apenas um link, um outro download simultâneo entraria por outro link, e assim sucessivamente. A vantagem desta configuração é o baixo uso do CPU dos roteadores e o bom funcionamento para tráfegos multimídia UDP. A grande desvantagem é que não é somada as velocidades de cada link. Se o sistema por exemplo fornece 3 links de 2Mbps, o usuário conseguirá fazer três download com banda de 2Mbps cada, e não um de 6 como nas outras topologia.

2.2.4.1.4.Acesso Diferenciados

Esta topologia é uma das mais usadas em planos de contingencia. É quando se usa diferentes tecnologias de acesso para redundância. Este sistema geralmente se utiliza de um link principal e um outro de back-up, que fica ociosa na espera do link principal falhar a assumir o trafego. Os links podem ser simétricos a fim de não alterar o desempenho da rede, ou inferior apenas para suprir as necessidades básicas da rede utilizando um acesso e menor custo. Um exemplo é o sistemo ter um acesso principal com circuito de dados dedicado de alto desempenho, e um back-up via tecnologias frame-relay, adsl ou até acesso discado. A comutação do roteamento é feita no CPE, criando regras através do status de interface ou falta de conectividade do link. A vantagem é de não depender de uma unica tecnologia de acesso e também de diferentes operadoras.

2.2.4.1.5.Sessões BGP

Está é uma topologia mais completa pelos vários recursos que o protocolo de roteamento BGP pode fornecer. Em cada enlace se tem uma sessão bgp ativa, enviando e recebendo as tabelas de roteamento dinamicamente. As tabelas de roteamento são duplicadas para cada enlace ou sessão BGP. Se não aplicado nenhuma métrica ou custo, o trafego também pode ser balanceado tanto por destino quanto por pacotes. A grande vantagem é que os recursos do BGP são vários para administrar o tráfego. Pode se utilizar de o trafego de saída sair por um link e entrar por outro, aplicando custos e métricas nas tabelas......

2.2.4.2.Multi-homing com múltiplos CPEs

  -VRRP etc
  -BGP prepend,MED, local preference, peso
  -OSPF e RIP
  IRDP
  -proxy ARP

2.3.Integração de Balanceamento de Carga nas estruturas de acesso

2.4.Utilização integrada de VRRP com BGP

2.6.Aspectos de Desempenho dos Sistema

2.5.Conclusão

3.Proposta (5 páginas)

O

Cronograma

Etapas/Mes	dezembro/2012	janeiro/2013	fevereiro/2013	março/2013
Conclusão do Resumo estendido	x	x
Ler artigos, textos, livros, entre outros, sobre o tema definido e iniciar a fundamentação teórica.		x	x
Conclusão da fundamentação teórica e elaboração dos objetivos e proposta do Trabalho de Conclusão de Curso.		x	x	x
Entrega do documento e Defesa do TCC I				x

Referências Bibliográficas

HINDEN. “RFC 3768: Virtual Router Redundancy Protocol (VRRP)", Abril 2004. Disponível em: <http://www.ietf.org/rfc/rfc3768.txt>. Acesso em: 29 jan. 2013.

KRAEMER, VILAR, GOLDMAN. Tolerância a Falhas utilizando protocolos de Gateway Redundantes. Disponível em: http://www.ime.usp.br/~gold/publications/pdf/erad2010.pdf. Acesso em: 29 jan. 2013.

Links Interessantes

Border Gateway Protocol Best Practices : Discute propostas da Verizon para redundância. Não explora balanceamento de carga.

Build Redundant IP Routing

[http://lib.tkk.fi/Dipl/2011/urn100430.pdf Redundancy and load balancing at IP layer in access and aggregation networks]

Building Redundant Networks in Data Centers

Soluções de Balanceamento e Contingência em Circuitos WAN

http://netgroup.polito.it/teaching/prlc/LAN%20-%20L3%20redundancy.pdf

http://www.iitg.ernet.in/gb/papers/comsnets09_loadbalance.pdf

http://www.h3c.com/portal/Products___Solutions/Products/Security_Products/H3C_SecBlade_Module/H3C_SecBlade_LB/White_Paper/200907/641567_57_0.htm

http://oreilly.com/catalog/bgp/chapter/ch06.html

http://www.cse.msu.edu/~lxiao/publications/ICDCS-08.pdf

http://www.aedb.br/seget/artigos10/324_SEGET%20-2010%20-%20Artigo.pdf

http://www.csc.kth.se/utbildning/kth/kurser/DD2491/ipro2-09/lectures/bgp_load_balancing.pdf

http://www-rp.lip6.fr/~augustin/augustin07measuring.pdf

http://www.projetoderedes.com.br/artigos/artigo_conceitos_de_redundancia.php#.UStqGaK9zuY