ARTÍCULOS

Aplicación de Balanceo De Carga Dinámico Para Servidores, Basada En Redes Definidas Por Software.

Dynamic Load Balancing Application for Servers, Based on Software Defined Networking.

Carlos Enrique Minda Gilces¹, Rubén Pacheco Villamar²

^1,2 Universidad de Especialidades Espíritu Santo, Samborondón, Guayas, Ecuador. cminda@uees.edu.ec, rpachevov@uees.edu.ec

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RESUMEN

Un aspecto relevante en investigación a nivel de redes de datos es la optimización de recursos. Las redes deben gestionar grandes volúmenes de tráfico sin introducir tiempos de espera innecesarios y garantizar la disponibilidad de servicios. Este artículo propone un algoritmo de balanceo de carga basado en un sistema de criterios combinados que utiliza tecnologías de redes definidas por software para obtener en tiempo de ejecución, parámetros desde distintos puntos de la red y seleccionar el servidor con las mejores condiciones para responder. La aplicación propuesta está escrita en lenguaje Python utilizando el controlador Ryu; la implementación de este programa en un switch, lo convierte en un balanceador de carga. Se utilizó la herramienta de simulación Mininet para la evaluación resultados; el experimento demuestra que el balanceador de carga basado en criterios combinados, reduce, hasta en un 50%, el tiempo de respuesta del servidor en comparación con el método tradicional Round Robin.

Palabras-clave: SDN; balanceo de carga; redes; servidores; OpenFlow.

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ABSTRACT

A relevant topic in current data network research is network resource optimization. Networks must cope with large volumes of traffic and ensure the availability of services without introducing unnecessary timeouts. This article presents a load balance algorithm based on software defined networks; it uses combined criteria to obtain at runtime, parameters from different nodes in the network to select the server with the best capability to deliver services. The proposed load balancer is written in Python language using the Ryu controller. The implementation of the python code on a switch allows it to act as a network load balancer. Mininet simulation tool was used in the experiment. Results demonstrate that the SDN load balancer obtains a response time up to 50% lower than Round Robin algorithm.

Keywords: SDN; load balancing; networks; servers; OpenFlow.

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1. Introducción

La navegación web emplea un modelo cliente-servidor en donde un cliente solicita datos y el servidor responde. Dependiendo del tipo de servicio, pueden existir millones de conexiones al servidor, en un mismo instante. De acuerdo a (KLEINER PERKINS, 2018) hasta julio del 2018 se registraron 4,119 millones de usuarios de Internet. Esta creciente demanda genera sobrecarga; los aumentos repentinos de tráfico en la red ocasionan congestión en los enlaces, lo que a su vez compromete el despliegue de las aplicaciones y los servicios ofrecidos por los proveedores. Un estudio empírico de Kandula, Sengupta, Greenberg, Patel, y Chaiken (2009) demuestra que el 15% de la congestión en una red de centro de datos conformada por 150 switches y 1500 servidores dura más de 100 segundos, aun cuando muchos de los enlaces se encuentran subutilizados; esto implica una necesidad considerable de optimizar la asignación de recursos de red.

La mayoría de centros de datos opta por la implementación de un balanceador de carga con el fin de satisfacer el gran número de usuarios y los requerimientos que estos generan (Chen, Shang, Tian, & Li, 2015). Usualmente, las estrategias de balanceo implementadas a los servicios web (HTTP) suelen basarse en las métricas de enlace proporcionadas al momento de la instalación y no consideran las condiciones de red dinámicas relativas a la utilización del ancho de banda, la pérdida de paquetes y los retrasos, por lo tanto carecen de flexibilidad para ajustarse a los distintos requerimientos de la red, o del tráfico o de las aplicaciones que operan sobre ésta (Qilin & Weikang, 2015).

La problemática recae en que al momento de aplicar el balanceo, los elementos de juico disponibles para la toma de decisiones no contemplan parámetros variantes de la red que también influyen en el desempeño y pueden ser medidos dinámicamente (Kanungo, 2013), tales como la latencia, la variación de la latencia y las rutas alternas disponibles desde el punto de vista de procesos estocásticos. Como respuesta al requerimiento de alta disponibilidad, surgieron las Redes Definidas por Software (SDN, por sus siglas en inglés), que controlan la red de forma central o “programada” mediante aplicaciones de software. (Fernandez & L.Muñoz, 2016). Al implementar SDN, equipos de red de funcionalidad básica como los switches, son capaces de realizar funciones avanzadas.

Este artículo propone una solución de balanceo de carga que utiliza tecnologías de redes definidas por software. El mecanismo de balanceo de carga es aplicado a un grupo de servidores y está basado en criterios combinados, calculados a partir de la monitorización de múltiples parámetros de desempeño del servicio, que de acuerdo a estudios previos influyen en la calidad percibida por el usuario. El estudio está estructurado de la siguiente forma: La primera parte describe los Antecedentes y trabajos relacionados y la segunda el desarrollo de la investigación.

2. Antecedentes y Trabajos Relacionados

En lugar de utilizar un algoritmo estático como el Round Robin, los estudios de (Qilin, 2015);(Cui & Xu, 2016; Zhang & Guo, 2014) proponen a las redes definidas por software (SDN) como un nuevo acercamiento al balanceo de carga a través de un controlador de red centralizado. El trabajo de Fernandez & L. Muñoz (2016) menciona que existen dos métodos por los cuales se pueden agregar entradas a una tabla de flujos. La primera es de forma proactiva, esto se refiere a que la tabla es poblada por entradas mucho antes de que los paquetes transiten por la red. El segundo método es el reactivo, en este método el dispositivo de red se inicializa sin ninguna regla de flujo prestablecida. Todo paquete entrante es enviado al controlador y posterior a tomar la decisión de qué hacer con el paquete, actualiza la tabla de flujo con la regla respectiva en el switch. La segunda vez que un paquete perteneciente al mismo flujo ingrese al dispositivo de red, este ya conocerá que acción debe realizar.

Por lo tanto, existen dos tipos de balanceadores de carga SDN que pueden ser desarrollados (Golinelli, 2015). La diferencia está en la manera en que el controlador aplica las reglas de flujo en el switch. En el método proactivo se establece previamente una división de las distintas direcciones IP que harán los requerimientos y dependiendo de la fuente se selecciona el servidor. En el método reactivo, la selección del servidor que atenderá el requerimiento es tomada cada vez que un paquete entra al switch y es enviado al controlador.

3. Métricas de Calidad

Según la investigación de Changhui (2016), el uso efectivo de los limitados recursos de red para satisfacer las necesidades de Calidad de Servicio de los negocios es un problema clave en el desarrollo de Internet. Conforme a las investigaciones de Kandula et al., (2009); Tashtarian, Erfanian, & Varasteh, (2018) los parámetros con mayor influencia en el establecimiento de niveles satisfactorios de QoE y QoS en una red de datos se reducen a: la capacidad de la red para acomodar el tráfico (rendimiento de procesamiento o throughput), la latencia o retraso que existe en la transferencia de datos de un punto a otro, el jitter, la variación en un periodo de tiempo que tiene la latencia y la pérdida de paquetes ocasionada por fallas en la transmisión de paquetes IP de un nodo a otro. Los estudios de (Tashtarian et al., 2018; Wawge & Tijare, 2014) expanden estas investigaciones y correlacionan el nivel de los parámetros medidos con el nivel de satisfacción que se genera en el usuario en referencia (TIPHON, 2002) como se detalla en la tabla 1.

 

 

 

La figura 2 muestra la separación en capas en una arquitectura SDN, como se explica en el trabajo de Barrientos, Rico, Coronel y Cuesta(2019) estas capas se comunican por medio de una interfaz de programación de aplicaciones API lo cual brinda a las nuevas redes emergentes una mayor flexibilidad, fiabilidad y seguridad.

 

 

3. Desarrollo

Las métricas a tomar en consideración para el diseño de sistemas combinados son las de: latencia (ms) y ancho de banda disponible (kb/s), por la facilidad que se tiene para monitorizarlos desde el controlador. Adicional a estos parámetros de red se considera el consumo de CPU y memoria del servidor, debido a que, de acuerdo a Tashtarian et al., (2018) y Wawge & Tijare, (2014) estos afectan directamente al tiempo de respuesta del servicio, por el hecho de que de ellos depende la capacidad del servidor de procesar y atender los requerimientos. Estas métricas tienen un mayor peso en consideración con los parámetros medibles en red, ya que su influencia decrece directamente con la capacidad de la red de entregar correctamente un paquete. Para establecer los rangos permitidos para los valores medidos se hace referencia a estándares revisados. Utilizando estos estándares, los rangos y pesos para el sistema de criterios combinados escogidos se muestran en la tabla 2.

 

 

3.1. Descubrimiento de equipos

Para relacionar las direcciones físicas e IP de los equipos se implementó dentro del controlador una tabla ARP. El controlador genera paquetes ARP que llevan un ARP REQUEST a todas las direcciones especificadas en la configuración. Al recibir un ARP_ REPLY se agrega en un diccionario la dirección IP y su correspondiente dirección física. La figura 3 muestra una captura del intercambio de paquetes ARP.

 

 

3.2. Cálculo de Ancho de Banda Disponible

Se utiliza una aplicación de monitoreo de tráfico desarrollada por Machi y Cheng(2018). La obtención del ancho de banda disponible se calcula en base a los valores de la capacidad de ancho de banda del switch y la tasa de transferencia del puerto. La capacidad de ancho de banda es consultada directamente al switch por el controlador por medio del mensaje OFPPORT_FEATURES. La tasa de transferencia del puerto se calcula por medio de la variación de paquetes transmitidos en un periodo de tiempo determinado, la fórmula es la siguiente:

 

 

Donde Pq es el número de paquetes transmitidos y Ttp la tasa de Transferencia del Puerto. Luego, el ancho de banda disponible se calcula a partir de (2), donde Cp representa la capacidad del puerto. El ancho de banda queda expresado en las unidades de kb/s.

 

 

3.3. Cálculo de Latencia

Para el cálculo de latencia se desarrolló un módulo dentro de la aplicación de balanceo de carga que construye y envía paquetes ICMP hacia cada dirección IP definida en el archivo de configuración del balanceador. Este cálculo se realiza desde el punto de vista del balanceador hacia los servidores, utilizando el tiempo de ida y vuelta (RTT) provisto por la aplicación PING (ICMP).

La Latencia, se calcula determinando el lapso transcurrido desde que el balanceador envió el paquete de prueba ICMP (tiempo de envío paquete), hasta el momento en que le llega la respuesta correspondiente (tiempo actual). Se adjunta fórmula utilizada:

 

 

3.4. Datos del Servidor

Con el objetivo de simplificar el diseño y evitar el uso de herramientas adicionales para la medición de las métricas del servidor se implementó una pequeña aplicación en Python. Esta aplicación utiliza la librería psutil para consultar los porcentajes de consumo de CPU y memoria del servidor y es compatible con sistemas operativos Windows o Linux (Rodola, 2018). Luego de consultar las métricas el controlador construye un paquete UDP con la información requerida, el cual es enviado a la dirección IP virtual designada para el balanceador de carga. Cuando este paquete llega al controlador la información de las métricas es almacenada. La figura 4 muestra una captura de tráfico en el que se verifica el envío de los paquetes hacia la dirección IP del balanceador.

 

 

3.5. Normalización de datos

Debido a que las métricas que conforman el sistema de criterios combinados poseen unidades y rangos de valores distintos es necesario realizar la normalización de los datos previo a realizar el cálculo del peso de cada servidor. La función implementada dentro de la aplicación de balanceo de carga para normalizar los datos está dada por (4):

 

 

Donde Vmin y Vmax son los valores mínimos y máximos respectivamente, VM el valor medido y VN el valor normalizado. De este modo, de cada métrica se obtiene una calificación sobre 100 puntos, como se muestra en la Tabla 3.

 

 

Dado que cada parámetro medido, por su nivel de importancia en el tiempo de respuesta, debe tener el peso específico que le corresponde en la determinación de la métrica combinada (peso), se utilizó una escala basada en la experiencia y el criterio de expertos, desarrollada a través de encuestas e investigaciones predecesoras, y se determinó la ponderación de acuerdo a la fórmula (5) donde W representa el Peso, Ccpu el consumo de cpu, M la memoria, l la latencia y B el ancho de banda.

 

 

3.6.Aplicación de Balanceo de Carga

La aplicación de balanceo de carga es de tipo reactivo. Todos los paquetes entrantes al switch son enviados al controlador para la selección del servidor. Los paquetes entrantes levantan un evento del tipo OFPPacketIn. Si la dirección de destino coincide con la del servicio, el paquete pasa a ser procesado, caso contrario el paquete es ignorado y no se realiza ninguna acción.

El controlador verifica que el paquete corresponda a un paquete TCP y en ese momento realiza la selección del servidor. El destino escogido se decanta por el servidor que posee la mejor calificación, basado en el sistema de criterios combinados, calculado en ese instante de tiempo. Una vez seleccionado el servidor el controlador construye dos entradas con las que actualiza la tabla de flujo del switch utilizando la dirección IP y dirección física del servidor seleccionado y del cliente. Una entrada corresponde al flujo cliente-servidor para los requerimientos entrantes. La segunda entrada corresponde al flujo servidor-cliente para la entrega de las respuestas del servidor.

Como se visualiza en la Figura 5, una vez establecida la conexión con el switch, para la monitorización de las estadísticas del equipo de red, el controlador genera un paquete del tipo OFPPortStatsRequest. La respuesta, un paquete OFPPORTStatsReply, es enviada por el switch al controlador y contiene información de los puertos como: la capacidad de ancho de banda, velocidad de transmisión, paquetes transmitidos y recibidos.

 

 

La información del uso de CPU y memoria llegan al controlador por medio de unpaquete UDP generado por el servidor. En este caso, el evento OFPPacketIn inicia el gestionador de paquetes UDP implementado en la aplicación del balanceo de carga y extrae de la trama UDP la información y la dirección IP de origen.

La actualización de la tabla de flujos es realizada por medio del paquete OFPFlowMod enviado desde el controlador hacia el switch. Una vez ingresadas las entradas en la tabla de flujo del switch el paquete es enviado al destino seleccionado y se establece la conexión TCP. Una vez establecida la conexión, se realiza el intercambio de información por medio del protocolo HTTP.

3.7. Ambiente de pruebas

La aplicación de balanceo de carga fue desarrollada e implementada sobre una red virtualizada en Mininet,^[1] utilizando OpenVswitch y el controlador Ryu. Se escogió este controlador porque de acuerdo a (Shah, Faiz, Farooq, Shafi, & Mehdi 2013) es el que cubre un mayor número de especificaciones técnicas para el desarrollo de aplicaciones. La figura 6 denota la topología del entorno de pruebas, el OVSwitch actúa como balanceador de carga y se conecta a los servidores S1, S2, S3. El equipo H1 funciona como cliente. Para la implementación del balanceador de carga se desarrolló el archivo lb-topology.py para automatizar el despliegue de los servidores, los enlaces y la inicialización del módulo de estadísticas del servidor y el servicio web.

 

 

3.8.HTTPerf

Para la generación de tráfico se optó por utilizar la herramienta httperf, un software de código abierto que permite realizar pruebas de servicios HTTP. Con httperf se realiza la medición del tiempo de respuesta promedio de un servidor web y el número de requerimientos exitosos y fallidos.

El objetivo de las pruebas es constatar el funcionamiento y medir los tiempos de respuesta del balanceo de carga basado en criterios combinados. Para este efecto, se ejecutó la virtualización del balanceador y se obtuvieron varias mediciones del tiempo de respuesta bajo diferentes condiciones. Luego se implementó el método de balanceo de carga, Round Robin, para comparar los resultados de rendimiento de éste versus el balanceo de carga basado en criterios combinados sobre el mismo ambiente. En las figura 7 y 8, se muestra el proceso de selección con cada técnica de balanceo.

 

 

 

4. Resultados

Para confirmar el funcionamiento del balanceo de carga, dentro de la etapa de implementación, se capturó el tráfico generado dentro de Mininet con la herramienta Wireshark. En la figura 9, se visualiza el intercambio de mensajes del Protocolo Openflow. Se muestran los paquetes que corresponden a los eventos de OFPT_PACKET_IN y OFP_PACKET_OUT que confirman que los paquetes entrantes al switch están siendo enviados hacia el controlador. Adicionalmente, se verificó que al enviar un paquete hacia la dirección virtual, este sea redirigido hacia uno de los servidores.

 

 

La figura 10 muestra una captura de pantalla de la secuencia de eventos en ese caso. Aquí se verifica que al realizar un requerimiento desde el cliente a la dirección del servicio posteriormente se selecciona uno de los servidores para atender el requerimiento. También se puede observar el status de respuesta del paquete.

4.1. Resultados Rendimiento de balanceo de carga

Con el propósito de realizar pruebas de rendimiento del balanceo de carga sobre la topología previamente establecida, se utilizó la herramienta httperf para generar tráfico HTTP hacia la dirección virtual del servicio. Para el primer conjunto de pruebas todos los enlaces están virtualizados bajo condiciones ideales, es decir con latencia mínima y cero pérdida de paquetes. En el segundo conjunto de pruebas se agrega latencia a dos de los enlaces que se conectan del switch al servidor.

Previo a la ejecución de cada una de las pruebas se reinició la aplicación de balanceo de carga, y la de la topología virtualizada en Mininet para evitar que datos residuales en memoria afecten el rendimiento de los algoritmos del balanceo de carga. Así mismo, previo a iniciar la herramienta HTTPerf se ejecutó un comando pingall en la línea de comando de Mininet para confirmar que todos los hosts virtualizados fueron alcanzados.

Los dos conjuntos de pruebas consisten de un número total de conexiones (100, 200 y 300) a establecerse. Para cada caso se varía la cantidad de conexiones que se establecen por segundo. Por último se limita de manera equitativa el porcentaje de CPU al que pueden acceder los servidores para evitar que el host se sature. HTTPerf calcula un promedio del tiempo de respuesta para cada requerimiento y nos muestra una estadística del tiempo de respuesta promedio para cada prueba. Con estas estadísticas, se calculó la disminución porcentual, es decir, la proporción de la cantidad por la cual el tiempo de respuesta se ha reducido al emplear el sistema de criterios combinados en comparación con el tiempo del sistema Round Robin. Cuando el valor de disminución porcentual es positivo, implica que el tiempo de respuesta se ha reducido en dicho porcentaje. Cuando el valor es negativo se debe entender que ha habido un incremento en el tiempo de respuesta en dicho porcentaje. La Tabla 4 y el Gráfico 1 resumen los resultados obtenidos para el primer conjunto de pruebas en condiciones ideales.

 

 

 

En cualquiera de los tres escenarios (100, 200 o 300 conexiones) se puede observar que el balanceo de carga basado en el sistema de criterios combinados (línea naranja) obtiene un menor tiempo de respuesta comparado con el método Round Robin (línea azul) para la mayoría de tasas de conexión. Así mismo, la disminución porcentual es positiva para la mayoría de casos, indicando que el tiempo de respuesta se reduce con la aplicación del sistema de criterios combinados. En promedio, el tiempo de respuesta se reduce en un rango del 20 hasta 50% utilizando el sistema de criterios combinados. La única excepción se da cuando la tasa de conexiones por segundo es de 50. Esto puede ser atribuido al hecho de que en el ambiente de pruebas los recursos de CPU y memoria son limitados por la maquina host.

El método Round Robin es un método simple el cuál utiliza poco recursos del controlador a diferencia del sistema de criterios combinados. Esto se debe a que a una mayor cantidad de conexiones por segundo, decrece la efectividad del algoritmo de selección propuesto ya que el ambiente sobre el cuál se está realizando la simulación debe hacer uso de tiempos de CPU y memoria del host para la virtualización de los elementos, la creación de la carga o conexiones y en generar la respuesta de los servidores.

La aplicación de balanceo de carga basado en criterios combinados, al monitorear en tiempo real las estadísticas de la red y los servidores y realizar el cálculo con las métricas obtenidas hace fuerte uso de estos recursos, y el tiempo de respuesta del servidor sufre un incremento debido al tiempo que le toma al controlador realizar los cálculos, el cual aumenta al existir menor cantidad de recursos disponibles.

En el segundo conjunto de pruebas se aprovechó la flexibilidad que brinda la herramienta de Mininet para agregar latencia en los enlaces que conectan al dispositivo de red, el OVS switch, con los servidores. En estas pruebas a dos de los enlaces se les agregó una latencia correspondiente a 50 ms y 80ms, mientras que el enlace restante no es afectado por latencia. En la Tabla 5 y Gráfico 2 se puede observar los tiempos de respuesta obtenidos para ambos algoritmos de selección. Nuevamente se observa una disminución en el tiempo de respuesta al utilizar el sistema de criterios combinados. Incluso agregando la latencia, la disminución porcentual es positiva para casi todos los casos a excepción del de 5 conexiones por segundo, en el grupal de 100 conexiones. La tabla denota una mejora general en los tiempos de respuesta en todos los casos, reduciéndolo hasta en más del 50% del tiempo de respuesta obtenido por el método Round Robin.

 

 

 

También se observa que cuando existe una gran cantidad de conexiones por segundo el tiempo de respuesta del sistema de criterios combinados tiende a aumentar con respecto a los casos anteriores. Aún cuando existe latencia en los enlaces el algoritmo propuesto demuestra un mejor desempeño comparado al Round Robin. Esto se debe, en gran parte a que, cuando se incluye latencia en los enlaces, el balanceo de carga propuesto tenderá a escoger el enlace que presente menor latencia hasta que la carga sobre este servidor cause que el consumo de CPU y memoria aumenten y reduzcan la calificación de este servidor bajo el sistema de criterios combinados, pasando a seleccionar uno de los enlaces restantes.

5. Conclusiones y recomendaciones

El experimento demostró que el algoritmo de selección que toma en consideración parámetros de la red y servidores para la técnica de balanceo de carga permite obtener un menor tiempo de respuesta y en consecuencia, incrementa el rendimiento de los servicios web. Al comparar el sistema de criterios combinados versus el algoritmo Round Robin, se concluye que para entornos de red en los que existe latencia en los enlaces, el balanceador de carga basado en criterios combinados funciona mejor, con un tiempo de respuesta hasta 50% menor que el obtenido en comparación con la estrategia Round Robin. Adicionalmente, los tiempos de respuesta obtenidos usando el sistema de criterios combinados van desde valores de 25 a 68.2 ms en el caso de enlaces sin latencia y 29.7 a 116.9 ms en los enlaces con latencia. Valores que se encuentran por debajo al límite recomendado por Google de los 200ms para tiempo de respuesta de un servidor. Basado en esto se puede concluir que la implementación del balanceo de carga basado en criterios combinados ayuda a mejorar la experiencia de usuario al utilizar un servicio web.

El algoritmo propuesto en este documento, además de disminuir los tiempos de respuesta para proporcionar una mejor experiencia de usuario, permite también una utilización más eficiente del CPU y la memoria del servidor y por lo tanto ofrece un método de balanceo de carga más eficaz en comparación a las estrategias tradicionales.

La implementación actual del balanceo de carga basado en un sistema de criterios combinados recolecta y procesa datos utilizando la memoria del equipo en el que corre el controlador, esta configuración puede ser mejorada almacenando los parámetros monitoreados en una base de datos y no en memoria. La arquitectura SDN presenta un punto de fallo en el controlador, si éste falla, la red quedaría incapacitada, debido a esto las aplicaciones que se ejecuten dentro del controlador deben de ser eficientes en cuanto al consumo de CPU y memoria. Una solución a este problema es utilizar dos controladores dentro de la arquitectura de la red. La primera etapa de balanceo determinaría el controlador que realiza la segunda etapa de balanceo correspondiente a las aplicaciones del usuario. En trabajos futuros se sugiere modificar el esquema empleando dos controladores.

Experimentar sobre otro tipo de servicios, como FTP o flujo (streaming) de video, para comparar el desempeño del algoritmo de selección propuesto son sugerencias para trabajos de investigación futuros.

 

REFERENCIAS

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Recebido/Submission: 27/01/2019

Aceitação/Acceptance: 15/03/2019

 

^[1] Mininet es un software de código abierto que permite la virtualización de redes y hosts para la simulación de distintas topologías de red. Esta herramienta le provee al desarrollador un ambiente de pruebas para todo tipo de aplicaciones. Mininet permite describir y levantar topologías de manera programática.