Evaluación de Eucalyptus como Plataforma para Computación en Nube: Estado del Arte

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1 Evaluación de Eucalyptus como Plataforma para Computación en Nube: Estado del Arte Thomas Ernstorfer 10 de julio de Definición Cloud Computing es un paradigma emergente el que tiene como objetivo entregar aplicaciones o hardware como servicio, donde los usuarios pagan por cuanto ellos consumen. Si bien en la actualidad aún no se llega a una definición estándar de lo que es cloud computing, una buena definición base basada en la redactada por Grossman en [11], se define una nube como proveedor de recursos según se le solicitan a través de una red, usualmente a la escala y confiabilidad de un data center. Existen al menos nubes de dos tipos. Un primer tipo de nube sería aquella que ofrece una instancia computacional, y un segundo tipo es aquel que ofrece capacidad computacional. Un ejemplo del primer tipo de nube sería la de Amazon EC2 (detallada en??) y un ejemplo del segundo tipo es dado en [5], el MapReduce de Google. Este último es básicamente un modelo de programación y estilo de aplicación en conjunto con el fin de procesar y generar grandes conjuntos de datos. Terabytes de datos son tratados, en este tipo de operaciones, en los clusters de Google a diario. Es importante dejar en claro que para ambas nubes se utilizan máquinas similares, la diferencia está en el tipo de servicio que entrega cada nube. En el primer caso, la nube es diseñada con el fin de entregar escalabilidad proporcionando instancias computacionales extras, mientas que la segundo está diseñada para proveer soporte a grandes procesamientos de información (mucha información u operación de alta complejidad), una escalabilidad en cuanto a capacidad de procesamiento por un corto período de tiempo. Los servicio en la nube en general presentan 5 características claves [1], las que marcan la diferencia y/o relación con otras instancias computacionales más tradicionales. Estas son: 1. Autoservicio según demanda: un consumidor puede de manera unilateral aprovisionarse de capacidad computacional, tales como tiempo en el servidor y almacenamiento, según se necesite. Esto sin la necesidad de interacción humana por parte del proveedor del servicio. 2. Acceso no restrictivo por red: las capacidades de la nube están disponibles por toda la red y puede ser visitada desde una gran cantidad de plataformas (por ejemplo, teléfonos móviles, notebooks, PDA, etc). 3. Recursos agrupados: los proveedores de recursos computacionales están agrupados para servir a múltiples consumidores, con diferentes recursos virtuales y físicos dinámicamente asignados y reasignados según la demanda del usuario. Por esto hay un grado de independencia respecto a la localización del proveedor de recursos. 4. Rapidez y elasticidad: las capacidades pueden ser proveídas de manera veloz y elástica, en ciertos casos automáticamente, entregando así un alto grado de escalabilidad. Para el consumidor final, la capacidad disponible para aprovisionarse a menudo parece ser ilimitada y puede ser solicitado por cualquier cantidad de tiempo. 5. Servicio Medido: Sistemas en nube controlan y optimizan el uso de recursos automáticamente mediante la medición, con un cierto apropiado nivel de abstracción, para el tipo de servicio (por ejemplo, almacenamiento, procesamiento, ancho de banda, o cuentas de usuarios activas). El uso de recursos puede ser monitoreado, controlado y reportado - proveyendo transparencia tanto para el proveedor como el consumidor del servicio. 1

2 La entrega de servicios en nube está dividida en tres modelos arquitectónicos y varias derivaciones al combinarlas. Las tres clasificaciones fundamentales son: 1. Software como servicio (SaaS): la capacidad entregada al consumidor es el uso de las aplicaciones proveída, corriendo en la infraestructura de la nube. Las aplicaciones son asequibles desde varios dispositivos a través de una interfaz ligera, como para explorador Web. El usuario no maneja la infraestructura en nube subyacente, incluyendo redes, servidores, servicio operativo, almacenamiento o incluso las capacidades individuales de la aplicación, con la posible excepción de los limitados ajustes de configuración de usuario. 2. Plataforma como servicio (PaaS): la capacidad entregada al consumidor es el despliegue en la infraestructura de la nube aplicaciones creadas o adquiridas usando lenguajes de programación y herramientas facilitadas por el proveedor. Al igual que en SaaS, el usuario no maneja o controla la infraestructura de la nube, pero si tiene el control sobre las aplicaciones. 3. Infraestructura como servicio (IaaS): también llamada Hardware como servicio (HaaS), es donde la capacidad entregada al consumidor es el proveer procesamiento, almacenamiento, red y otros recursos computacionales fundamentales, donde el consumidor puede desplegar y ejecutar software arbitrariamente, lo que puede incluir sistemas operativos y aplicaciones. El usuario no maneja o controla la infraestructura de la nube subyacente, pero si tiene control sobre sistemas operativos, almacenamiento, instalar aplicaciones, y limitar el control de los componentes de red seleccionados (por ejemplo el firewall del host). Comparando estos modelos arquitectónicos de servicios en nubes tenemos la Tabla 1. Independientemente del modelo de servicio que se utilice (SaaS, PaaS o IaaS), hay cuatro modelos de implementación de los servicios, estos son: 1. Nube pública: la infraestructura de la nube está disponible para el público en general o para un gran grupo de la industria. Pertenece a una organización de venta de servicios en nube. 2. Nube privada: la infraestructura es operada únicamente por una organización. Puede ser manejada por la misma o un tercero que ofrezca el servicio, y puede estar dentro o fuera de las instalaciones. 3. Nube comunitaria: la infraestructura es compartida por varias organizaciones y soporta un tipo de comunidad en específico que comparte una preocupación en común (por ejemplo la misión, requerimientos de seguridad o políticas). Puede ser manejada por una organización o un tercero, y puede encontrarse dentro o fuera la las instalaciones. 4. Nube híbrida: la infraestructura es una composición de dos o más nubes (privada, comunitaria o pública) que siguen siendo entidades únicas, pero están unidas entre si por una tecnología propia o estandarizada que permita a los datos o aplicaciones ser portables (por ejemplo una nube saturada por un balanceo de cargas entre nubes). Es importante mencionar de que hay nuevos modelos de implementación emergentes debido a la maduración de lo ofrecido por el mercado y lo que los clientes solicitan. Un ejemplo de esto son las nubes privadas virtuales (PVI)[13], un modo de utilizar una nube pública como privada o semi-privada, e interconectar estos recursos con los recursos internos del data center de cliente, usualmente mediante una conexión de redes privadas virtuales (VPN). Con este modelo se permite a las empresas mantener un control de su información en la nube y aprovechar los beneficios de los proveedores de cloud computing, agregando de este modo una nueva capa de seguridad. Material interesante: [22], presenta el cloud computing como una arquitectura SOA, además da como ejemplo como implementarlo en la industria portuaria. [9], otro trabajo bien completo. Particularmente encuentro rescatable la parte de análisis económico que presenta, sobres las ventajas que puede darse al contratar servicios en la nube. 2. Virtualización 2.1. Virtualización La virtualización comenzó a desarrollarse por IBM durante la decada de 1960, junto y producto de los avances en la computación de tiempo compartido [10]. El objetivo es abstraer el hardware de forma que este pueda ser utilizado con mayor eficiencia. Dado el 2

3 Categoría Características Tipo de Producto Vendedores y Productores SaaS Se provee aplicaciones que son Aplicaciones y servicios SalesForce.com (CRM), accesibles en cualquier momento Web (Web2.0) Clarizen.com (Project y lugar. Management), Google Documents, Google Mail (Automation) PaaS Se provee una plataforma para el APIs y frameworks de Google AppEngine, Microsoft desarrollo de aplicacoines hospedadas en la nube. programación; sistema de desarrollo. Azure, Manjrasoft Aneka IaaS/HaaS Se provee hardware y almacenamiento virtual, sobres los cuales se puede construir la infraestructura. Infraestructuras administrativas de máquinas virtuales, Administrador de almacenamiento. Amazon EC2 y S3, Go- Grid, Nirvanix Cuadro 1: Clasificación de los Servicios de Computación en Nube [4] alto costo de los mainframes, se buscaba aprovechar la inversión en ellos completamente. En [18] se realiza una definición formal aún válida para sistemas de máquinas virtuales, consistente en lo siguiente: Una máquina virtual es una copia eficiente y aislada de una máquina real. Esto es realizado gracias a un monitor de máquinas virtuales (VMM o hipervisor), el cual proveé un entorno a los programas que es escencialmente idéntico al de la máquina original. Los programas deben correr solo con leves decrementos en velocidad y el VMM debe tener el control completo sobre los recursos del sistema. Aplicaciones Sistema operativo Hardware... Hipervisor Aplicaciones Sistema operativo Hardware Hardware real Figura 1: Diagrama general de virtualización. El hipervisor abstrae los recursos reales y los distribuye a los sistemas operativos. Durante la decada de 1970 y 1980, el desarollo de la virtualización fue hecho casi exclusivamente por IBM, confinado a nichos especificos y utilizado en mainframes. Esta virtualización era soportada por el hardware. Posteriormente, la arquitectura x86 se volvió el standard de la industria. Esto junto al auge de la computación distribuida e Internet, llevaron a que servidores y clientes de bajo costo buscasen nuevamente la utilización óptima de sus recursos. En 1999, VMware consiguio realizar virtualización por software en forma eficiente sobre la arquitectura x86, lo que era considerado costoso y poco práctico [6]. Así surgio la capacidad y el interes por la virtualización buscando el mejor uso de los recursos. El mayor interes fue y sigue siendo en el area de los servidores, reduciendo así los costos y facilitando el uso y mantención de datacenters. Resurgido el interes por la virtualización en x86, en el año 2006, AMD e Intel comenzaron a añadir extensiones para virtualización a sus procesadores, llamadas AMD-V e Intel VT respectivamente Tipos de Virtualización Los tipos de virtualización, en orden cronológico a partir de su desarrollo y uso, son [12]: Virtualización asistida por hardware: El hardware facilita al hipervisor la virtualización, mediante instrucciones y soportes de hardware especialmente diseñadas para ello. Las primeras formas de virtualización en mainframes fueron y siguen siendo de este tipo. Las extensiones mencionadas anteriormente pretenden facilitar este método de virtualización. Virtualización completa: Las llamadas del sistema operativo son traducidas de forma que el 3

4 sistema operativo no sabe que esta siendo virtualizado. El hipervisor provee de los recursos del sistema para la simulación completa del hardware sobre el cual corre. VMware y VirtualBox utilizan esta técnica. Paravirtualización: La interfaz presentada por el VMM al sistema huesped no es completamente identica al sistema real. Esto tiene el fin de que ciertas operaciones que son más fáciles y rápidas de realizar en el sistema real, comunmente un sistema operativo modificado, sean realizadas en el en forma transparente para el sistema huesped. Ejemplos de hipervisores de este tipo son Xen y Delani [19]. Estos tipos de virtualización no son excluyentes entre si, y muchos hipervisores actualmente son capaces de realizar virtualizaciones de varios tipos y combinaciones de estos tipos para ciertos recursos. Es debido a la flexibilidad en la asignación de recursos, aprovechando así estos en forma óptima, que la virtualización es la pieza clave dentro del paragigma de cloud computing. La asignación de recursos a través de la red que define el concepto de cloud computing es hecho principalmente mediante la administración de máquinas virtuales [3]. Material interesante: [14], este paper trata los contratos de máquinas virtuales en cloud computing y data centers. Básicamente ve los parámetros y definiciones que hay que dejar en claro cuando se brinda o se quiere contratar este servicio, para facilitar el uso y configuración de los mismos. 3. Plataforma Eucalyptus 3.1. Descripción EUCALYPTUS - Elastic Utility Computing Architecture Linking Your Programs To Useful Systems - es una infraestructura de software de código abierto para implementar una nube en las instalaciones de las empresas de TI y las infraestructuras proveedoras de servicios, tal como se explica en [7]. Sus orígenes fueron como un proyecto de desarrollo en el departamento de Computación Científica en la Universidad de California, donde sus autores estaban estudiando el uso de software libre en la creación de nuevos ambientes de computación distribuida, altamente escalables y de buen desempeño. Habiendo ganado una amplia aceptación entre los desarrolladores y comunidades de software libre, es actualmente mantenido por la Eucalyptus Systems Inc. Compañía formada para proveer un producto enfocado en la industria al igual que el desarrollo profesional y dar el soporte necesario para mantener y ampliar su comunidad usuaria. Eucalyptus permite crear tanto nubes híbridas como privadas en los data center de las empresas, sin requerimientos especiales de hardware o reconfiguración. Aprovechando las tecnologías de Linux y los servicios Web que actualmente existen en las infraestructuras de TI hoy en día, Eucalyptus permite de manera rápida y fácil crear una nube computacional en las instalaciones. Al mismo tiempo, Eucalyptus soporta la interfaz AWS, posibilitando a la nube interactuar con nubes públicas usando una interfaz de programación en común (véase??). Además, con el manejo de VM 1, esta tecnología soporta una virtualización segura en la red al igual que la infraestructura de almacenamiento dentro del ambiente de la nube. Eucalyptus es compatible con múltiples distribuciones de Linux (por ejemplo: Ubuntu, RHEL, OpenSuse, Debain, Fedora y CentOS), lo que transforma a esta herramienta en una excelente oportunidad para implementar una nube en las empresas. Eucalyptus fue diseñado con el principio de una fácil instalación, en lo posible no invasiva, sin necesitar la dedicación exclusiva de los recursos. El framework del software es un conjunto de servicios Web cooperativos altamente modulares, con estándares industriales, que interactúan usando un protocolo estándar de comunicación, lo que espera promover la participación de tercero en el sistema y ampliar la comunidad de desarrollo. Sobre este framework se implementan las VM y los recursos de almacenamiento que son interconectados por una red de capa-2, esto provee una red virtual que aísla el tráfico de red de diferentes usuarios y permite a dos o más clusters parezcan pertenecer a una misma área de red local (LAN). Para la aplicación del cliente y/o la perspectiva del usuario, la API de la nube es compatible con Amazon AWS (soportando la interfase SOAP 2 o REST 3 ), e incluso hay otras interfaces disponibles como personalización. Esto significa, que usuarios de Eucalyptus interactúan con el sistema usando las mismas herramientas e interfase que ellos utilizan para interactuar con Amazon EC2. Para un mejor entendimiento del 1 Virtual Machine, máquinas virtuales 2 Sevice Oriented Application Protocol. 3 Representational State Transfer. 4

5 Figura 2: Representación conceptual de una Nube con Eucalyptus. La especificación de las partes y su explicación se ve en 3.2. Fuente [7] funcionamiento de Eucalyptus ver imagen Características principales Funcionalidades Con Eucalyptus se ha escogido implementar cada gran componente del sistema como un servicio Web estándar e independiente. Se han definido cuatro componentes de alto nivel [17], cada uno con su propia interfaz de servicio Web, que comprometen una instalación de Eucalyptus: 1. Controlador de Nodos (NC): controla la ejecución, inspección y el término de las instancias de VM en el host donde corren. 2. Controlador de Cluster (CC): reúne información y programación de la ejecución de VM en un NC, al igual que manejar instancias virtuales de la red de trabajo. 3. Controlador de Almacenamiento (Walrus): es un servicio de dar y retirar almacenamiento que implementa la interfaz de Amazon S3, proporcionando un mecanismo de depósito y acceso a imágenes de VM y la información del usuario. 4. Controlador de la Nube (CLC): es el punto de acceso de los usuarios y administradores a la nube. Consulta al manejador de nodos acerca de información sobre recursos, tomar decisiones de programación de alto nivel, y las implementa mediante solicitudes al CC. Describiendo de manera más acabado los distintos controladores y su funcionamiento tenemos. Controlador de Nodos Este controlador se ejecuta en cada nodo designado a correr una VM. El NC trabaja con el sistema en respuesta a peticiones y consultas desde el controlador de cluster. Las consultas van enfocadas a saber propiedades de la máquina - número de procesadores, tamaño de la memoria, espacio en el disco - como también averiguar el estado en que se encuentra la VM presente. Esta información es entregada al CC en respuesta de las peticiones de 5

6 descripción de Recursos y descripción de Instancias. Del mismo modo, el CC maneja las VM mediante Correr Instancia o Terminar Instancia, siempre a través de peticiones al NC. Controlador de Cluster Este generalmente se ejecuta en el cluster con la máquina de comunicación, o cualquier máquina conectada a la red que le permita comunicarse con el controlador de la Nube y los NC. Las acciones realizadas por el CC son muy parecidas a las realizadas por los NC, pero en vez de ser particulares para un nodo, las acciones son generales para un grupo o todos los nodos conectados al cluster. Particularmente el CC tiene 3 funciones importantes: programar las peticiones entrantes para iniciar una instancia en un NC particular, controlar la capa de red virtual, y reunir/reportar información sobre un conjunto de NCs. Cunado un CC recibe peticiones para ejecutar cierta instancia, envía una petición de descripción de Recursos a cada NC, para luego enviar una petición de Correr Instancia al primer NC que tenga suficientes recursos disponibles para ejecutar la instancia a ejecutar. El CC también puede recibir una petición de descripción de Recursos, la cual vendrá acompañada de una serie de propiedades que el sistema necesita para correr una instancia. Con esta información el CC calcula cuantas instancias puede llegar a correr en su grupo de NC, información que luego envía al CLC. Controlador de Almacenamiento Eucalyptus utiliza Walrus, un servicio de almacenamiento de datos que aprovecha estándares tecnológicos de servicios Web y su interfaz además es compatible con el servicio de Amazon: Simple Storage Service (S3). Walrus implementa la interfaz REST (vía HTTP) al igual que la interfaz SOAP que son compatibles con S3 igualmente. Además Walrus provee dos tipos de funcionalidades. Ingresar o sacar data de la nube al igual que desde instancias que han sido comenzadas en otros nodos. Actúa como un servicio de almacenamiento para las VM. El sistema de archivos root como el kernel y las imágenes de la RAM usadas para instancias VM en algún nodo, pueden ser subidos a Walrus y ser accedidas desde los otros nodos. Los usuarios pueden usar herramientas estándares de S3, incluso herramientas de terceras personas o aquéllas entregadas por Amazon, para subir o descargar información desde Walrus. El sistema también comparte credenciales de los usuarios con la base de datos de usuarios del CLC. Al igual que S3, Walrus soporta transferencias de información tanto serial como concurrente. En cuanto al guardado de VM, Walrus empaqueta todas las variables de configuración de una VM usando el estándar EC2 establecido por Amazon. Este estándar comprime imágenes, las encripta usando la credencial de usuario y luego divide el paquete en múltiples partes. Walrus cumple la tarea de verificar y desencriptar las imágenes que han subido los usuarios. Cuando un NC pide una imagen a Walrus antes de instanciarla en un nodo, se envía una petición de descarga que es autentificada usando un conjunto interno de credenciales. Luego la imagen es verificada y desencriptada, y finalmente transferida. Para optimizar este proceso, ya que usualmente las imágenes de las VM son bastante pesadas, Walrus mantiene un caché de imágenes que ya han sido desencriptadas. Walrus ha sido diseñado para ser modular, como en la autentificación o en el traspaso de datos, y como sistema base de almacenamiento puede ser personalizado para lograr cumplir con las necesidades de quien lo implemente. Controlador de la Nube Los recursos virtualizados y disponibles que utiliza la nube de Eucalyptus son manejados por el controlador de la Nube. El CLC es un conjunto de servicios Web, los cuales para un mejor entendimiento se han agrupado en 3 grupos, según su rol en el sistema: Servicio de recursos: administra la asignación de recursos, permite a los usuarios manipular las propiedades de las VM y la red, como también monitorear ambos componentes del sistema y los recursos virtuales. Servicio de datos: maneja usuarios persistentes y el sistema de datos, proveyendo un ambiente usuario configurable para las solicitudes de asignación de recursos. Así es como maneja la creación, modificación, consultas y almacenamiento de un estado del sistema y la información del usuario. Servicio de interfaz: presenta una interfaz visible al usuario, controlando las autentificaciones 6

7 y protocolos de traducción, y presenta la herramienta de manejo del sistema Ventajas Las características[8] que hacer a Eucalyptus una excelente opción cuando se desea implementar una nube computacional son: Optimización del Data Center: esto lo realiza gracias a la virtualización de los elementos del data center, tales como máquinas, los discos y la red. Sobre lo mismo, Eucalyptus es compatible con la mayoría de las tecnologías de virtualización. Auto-servicio automatizado: los recursos computacionales son automatizados al permitir a los usuarios ingresar su propia configuración a las máquinas, almacenamiento y los servicios de conexión según necesiten, a través de servicios Web estandarizados. Basado en servicios Web: se utilizan protocolos internacionales de servicios Web universalmente aceptados, haciendo la instalación, operación y mantención de Eucalyptus un proceso similar a los sitios de e-commerce de gran calidad. Escalable infraestructura del data center: permite a la organización escalar los recursos del data center tanto hacia arriba como así abajo de manera eficiente, acorde a las necesidades de la empresa. Entrega de recursos elásticamente: permite a los usuarios reconfigurar elásticamente los recursos computacionales según vayan cambiando los requerimientos. Esta flexibilidad ayuda a la empresa a adaptarse a los cambios del negocio, cuan abruptos sean estos. Innovación de código abierto: altamente transparente y extensible, el núcleo arquitectónico de Eucalyptus de código abierto puede ser personalizado. Además todas las innovaciones entregadas por la comunidad de desarrollo de código abierto se encuentran online de manera gratuita. Capacidad de formar una nube híbrida: diseñado para emular el servicio Web de Amazon (AWS), Eucalyptus interactúa sin problemas con el servicio de nube pública de Amazon (tanto EC2 y S3), sin la necesidad de modificaciones del software. Esta compatibilidad permite a las organizaciones de las TI utilizar de manera rápida la nube pública durante momentos de alta demanda del data center, así no adquirir hardware adicional para el mismo. Referencias [1] Cloud Security Alliance. Security guidance for critical areas of focus in cloud computing v2.1, [2] C. Baun and M. Kunze. Building a private cloud with eucalyptus. In E-Science Workshops, th IEEE International Conference on, pages 33 38, [3] Thomas J. Bittman. Server virtualization: One path that leads to. cloud computing. Gartner RAS Core Research Note, October Available online (3 pages). [4] R Buyya, S Pandey, and C Vecchiola. Cloudbus toolkit for market-oriented cloud computing. In In CloudCom 09: Proceedings of the 1st International Conference on Cloud Computing, volume 5931 of LNCS, pages Springer, [5] Jeffrey Dean and Sanjay Ghemawat. Mapreduce: Simplified data processing on large clusters. OSDI, page 13, [6] Scott W. Devine et Al. Virtualization system including a virtual machine monitor for a computer with a segmented architecture. U.S. Patent #6,397,242 issued 28/05/2002, filed [7] Inc. Eucalyptus Systems. Eucalyptus opensource cloud computing infrastructure - an overview, [8] Inc. Eucalyptus Systems. Cloud computing and open source: It climatology is born, [9] Armando Fox, Anthony Joseph, Randy Katz, and David Patterson. Above the clouds: A berkeley view of cloud computing. video interview. In February CERCS Technical Report 32 Liza Daly. Processing the Deep Backlist at the. Publishing, [10] Robert P. Goldberg. A survey of virtual machine research. Computer, 7(6):34 45, June

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