「クリーンな仮想化」と要素独立進化型の仮想化ノード・アーキテクチャ

「クリーンな仮想化」 と要素独立進化型の仮想化ノード・アーキテクチャ金田泰 (日立)中尾彰宏 (東大 / NICT)

はじめに 共同研究プロジェクトにおいてネットワーク仮想化基盤を開発し，発展させている (本研究会報告中尾彰宏: “VNode: A Deeply Programmable Network Testbed Through Network Virtualization” 参照)．ネットワーク仮想化基盤の主役は仮想化ノード(VNode，ネットワーク仮想化機能をもつ物理ノード)． VNodeの特徴として「要素独立進化型アーキテクチャ」がある: VNodeにおいては，その構成要素 (プログラマ，リダイレクタ) が独立に進化できるアーキテクチャを実現．この発表の内容｢クリーンな仮想化」という概念を提案する． VNodeは「クリーンな仮想化」をほぼ実現していることをしめす．要素独立進化型アーキテクチャを実現するうえで「クリーンな仮想化」が重要である． VNodeとくにその一部であるリダイレクタにおける要素独立進化型アーキテクチャ (と｢クリーンな仮想化」) 実現のしくみをしめす．

ネットワーク仮想化基盤 ひとつの物理ネットワーク上で独立かつ自由に設計された複数の仮想ネットワークが同時に動作する環境を実現している．スライス 1 スライス2 スライス3 スライス4 実ネットワーク VNode VNode

VNodeの構成要素 リダイレクタ (Redirector) パケットを他の VNode等から受信してプログラマにリダイレクトし，プログラマからのパケットを他の VNodeなどに送信する (ネットワーク・リソースをもつ)．プログラマ (Programmer) パケットの加工や転送先の決定などの処理をおこなう (計算/ストレージ・リソースをもつ)．スローパス (VM) とファストパス (NP) がある．仮想化ノード・マネジャ (VNode Manager, VNM) VNode全体の管理をおこなう構成要素． VNode VNode Manager Redirector Programmer ネットワーク・プロセッサ

VNodeの要素独立進化型アーキテクチャ プログラマとリダイレクタとの分離が VNodeの多様な発展 (進化) を可能にするアーキテクチャプログラマ-リダイレクタ間のインターフェース (内部ネットワーク) を外部のネットワークから独立にするとモジュラーになる． 1) 多様なプログラマをひとつのリダイレクタに接続できる． 2) 多様なリダイレクタをひとつのプログラマに接続できる．このアーキテクチャを実装することが課題．これまでに部分的に実現．これから，より理想にちかづける．外部ネットワーク内部ネットワーク VNode Programmer Redirector

クリーンなネットワーク仮想化 既存のネットワーク仮想化 (たとえば GENI) はかならずしも “クリーン” でない．不足があったり，隠蔽されるべきものがされていなかったりする． “クリーンなネットワーク仮想化” という概念を提案する． VNode (の実装) がめざしていたものを “クリーンなネットワーク仮想化” によって説明したい．クリーンなネットワーク仮想化 1. 仮想化情報の隠蔽 2. アドレスの独立性 3. ネットワークとノードの物理-論理間独立性と隠蔽 4. 自由なフレーム形式

1. 仮想化情報の隠蔽 • スライス識別子 (たとえば VLAN ID) など，仮想化のための情報をスライスから隠蔽する． • スライス上からみえるパケットにスライス識別子がはいらないようにする. VLAN ID = 11VLAN ID = 12VLAN ID = 13VLAN ID = 14 スライス1 スライス2 スライス3 スライス4 N2 実ネットワーク N1 スライス上からみえるパケット N3 × ○ Slice ID スライス上のデータスライス上のデータ

2. アドレスの独立性 • 仮想化基盤のアドレスがスライスから隠蔽される． • スライス上のアドレスは仮想化基盤のアドレスからは独立にきめられる．スライス × × N2 実ネットワーク N1 N3 IP アドレス MAC アドレス • MAC アドレス xx-xx-xx-xx-xx-xx は基盤で使用するのでスライスではつかえない．スライス N2 実ネットワーク N1 N3

3. ネットワークとノードの物理-論理間独立性と隠蔽 • ノードスリバー (仮想ノード) と物理ノードとのマッピングはスライス定義から隠蔽することができる． • マッピングはスライス定義で指定することもできるが，指定されないときは隠蔽される． • スライスのネットワーク構造は基盤から独立に設計できる． • 基盤のネットワーク構造はスライスから隠蔽される．スライス定義物理ノードとのマッピング Slice S … N1 … N2… N3 p2 VirtualNodeVN1 p1 VL13 p2 p1 VirtualNodeVN2 p1 p2 VirtualNodeVN3 p3 スライス独立な構造 × N2 実ネットワーク N1 N3 構造の隠蔽

4. 自由なフレーム形式 • スライス上で IP や Ethernet にしばられない任意のパケット・フォーマットがつかえる． • アドレスの形式も自由 (アドレスが連続領域にあるとはかぎらない) • アドレスはないかもしれない (Content-Based Networking のとき) • 自由なフレーム形式は深いプログラマビリティを確保するために必要であり，またこれが深いプログラマビリティを要求する． • 本来は｢仮想化」の要件ではないかもしれない．

VNodeにおける「クリーンな仮想化」の実現 1. 仮想化情報の隠蔽の実現スローパスのノードスリバー (仮想ノード) ではスライス上のフレームしかみることができない (隠蔽されている)． 4. 自由なフレーム形式の実現プログラマから端末 (PC) まで自由なフレームがあつかえるようにしている (GRE でトンネルをはっている)． 2. アドレスの独立性の実現スライス上のアドレス形式は自由 (フレーム形式が自由だから)．スライス上で Ethernet / IP をつかうときもアドレス形式は自由． 3. ネットワークとノードの物理-論理間独立性と隠蔽これは基盤全体の問題 (ドメイン管理システムの領分) なので，VNodeは関与しない． VNode Redirector Programmer 仮想化情報Any VM Any 内部ネットワーク GRE/IP GRE/IP GRE/IPSEC/IP 端末 (PC) AGW (Gateway) VNode VNode

「クリーンな仮想化」 と要素独立進化型アーキテクチャとの関係 1. 仮想化情報の隠蔽との関係もし外部ネットワークにおける仮想化情報がそのままスライス上で参照できるようにすると，外部と内部のデータ形式を独立にできない． 4. 自由なフレーム形式との関係自由なフレームがつかえることで，外部と内部のデータ形式の独立性がいきる．仮想化情報Any 仮想化情報Any 仮想化情報Any VNode Programmer Redirector VM 内部ネットワーク

「クリーンな仮想化」 と要素独立進化型アーキテクチャとの関係(つづき) 2. アドレスの独立性との関係もし基盤のアドレスがスライス上からみえると，内部ネットワークのアドレスを外部ネットワークのアドレスと独立にきめられない．AddrE: 外部ネットワークのアドレスAddrI: 内部ネットワークのアドレスAddrS: スライス上のアドレス 3. ネットワークとノードの物理-論理間独立性と隠蔽これは VNodeでなくドメイン管理システムの領分． VNode Programmer ? Redirector ? VM 内部ネットワーク AddrEAddrSAny AddrIAddrSAny AddrEAddrSAny AddrIAddrSAny

｢クリーンな仮想化｣ と要素独立進化実現のためのリダイレクタの構造リダイレクタリダイレクタ・マネジャ (RM) 外部情報，内部情報の管理外部-内部データ変換のための NP 搭載ボード Control Plane (C-Plane) ハイエンド L3 スイッチ (RB) サービスモジュールカード(SMC) Data Plane (D-Plane) Internal Data Plane

リダイレクタ (RM) が管理する外部情報 VNode外部での仮想リンク (リンクスリバ) とその物理表現 (GRE/IP) との対応を管理する― 2 個の VNodeが連携 Slice Node sliver 1 Node sliver 2 Port11 Port21 Port22 Port12 Link sliver 12 VNode 1 VNode 2 Virtualization platform Programmer Programmer Redirector Redirector SMC 1 SMC 2 k12 GRE tunnel IP11 IP12 IP21 IP22

リダイレクタ (RM) が管理する内部情報 VNode内部での仮想リンク (リンクスリバ) とその物理表現 (VLAN) との対応を管理する ― プログラマとリダイレクタが連携 Slice Node sliver 1 PortN11 PortN12 PortL11 PortL12 VNode Virtualization platform Programmer VM 1 MACP11 MACP12 Redirector MACR11 MACR12 SMC 1

リダイレクタ (SMC) による外部表現-内部表現 の変換スライス上の任意フォーマットのデータをカプセル化/デカプセル化して VNode間で転送する: SMC によって変換する．スループットは 10 Gbps (パケットサイズ 1000 B 程度のとき) Slice Node sliver 1 Packet Ps Node sliver 2 Any Port11 Port21 Port22 Port12 Link sliver 12 VNode 1 Virtualization platform VNode 2 Programmer Programmer VM 1 VM 2 MAC11 MAC12 MAC21 MAC22 Pm2 Pm1 MAC14 MAC12 … Any MAC21 MAC23 … Any Pi Redirector Redirector MAC13 MAC23 MAC14 MAC24 IP12 IP21 … GRE Any IP11 IP21 IP22 IP12 SMC 1 SMC 2 GRE tunnel

まとめ 仮想化ノード (VNode) には2 つの特徴がある．要素独立進化型アーキテクチャ: VNodeにおいては，その構成要素 (プログラマ，リダイレクタ) が独立に進化できるアーキテクチャを実現．「クリーンな仮想化」をほぼ実現: 仮想ネットワークから物理ネットワークを隠蔽し IP や Ethernet にしばられない自由なプロトコルが使用できる．要素独立進化型アーキテクチャを実現するうえで，「クリーンな仮想化」が重要である． VNodeの構成要素であるリダイレクタが VNode内の他の要素や VNode間で連携して要素間の独立性を確保している．謝辞: この研究発表は委託研究「新世代ネットワークを支えるネットワーク仮想化基盤技術の研究開発」課題アの成果をふくむ．

「クリーンな仮想化」 と要素独立進化型の 仮想化ノード・アーキテクチャ