Network Virtualization Based on Effective Packet Transformations

Abstract

Promocijas darbā ir piedāvātas divas oriģinālas tehnoloģijas, kas paaugstina datortīklu virtualizēšanas efektivitāti: ZERO tunelēšanas protokols, un Pakešu Transformāciju Valoda (Packet Transformation Language, PTL), kas ļauj kompaktā pierakstā formāli aprakstīt ZERO un citus tunelēšanas protokolus. Darbā ir piedāvāts Ethernet-pāri-IP tunelēšanas protokols, kas nodala visus Ethernet kadrus tunelēšanai NICE un UGLY kadros. UGLY kadri tiek tunelēti ar tradicionālām metodēm, kā UDP vai GRE enkapsulācija, kas būtiski palielina kopējo paketes garumu dēļ papildus galvenēm un fragmentēšanas, kas parasti nepieciešama, lai transportētu garus Ethernet kadrus pāri IP datortīklam, kam parasti maksimālais pārsūtāmās vienības lielums MTU=1500 baiti. Toties NICE Ethernet kadri tiek tunelēti, nepalielinot kopējo pakešu garumu, kā parastas IPv4 paketes, pateicoties netradicionālai “fragment offset” IP galvenes lauka lietošanai. Ir parādīts, ka tipiskai Internet plūsmai, ko transportē pāri Ethernet, piedāvātais ZERO tunelēšanas protokols 99.94% no Ethernet kadriem klasificē kā NICE un tādēļ tunelē Ethernet pāri IP praktiski bez pakešu palielinājuma un bez fragmentēšanas. Piedāvātā tunelēšanas metode aptver arī Ethernet kadrus, kas satur VLAN un MPLS birkas, kā arī IPv6 paketes – tās visas arī var tikt klasificētas kā NICE un transportētas praktiski bez pakešu palielinājuma pāri Internetam vai privātam IPv4 transporta tīklam. Nepieredzēta efektivitāte piedāvātajam tunelēšanas protokolam paver iespējas plašai 2. OSI līmeņa izplatībai pāri esošām 3. OSI līmeņa infrastruktūrām, tādējādi paverot lauku jaunām tīklu arhitektūrām, kas nepieciešamas mūsdienīgiem pielietojumiem, piemēram, “lietu Internets” (Internet of things) vai mākoņu (clouds) infrastruktūras. Reālās dzīves testi ar ZERO protokola realizāciju Linux kodola veidā parādīja jaunā protokola praktiskumu un arī atklāja jaunu novērojumu – arī reti sūtītās kanālu sinhronizācijas paketes tiek fragmentētas tikai 2-6% apmērā nepastāvīgu tīkla plūsmu, piemēram, Tīmekļa pārlūkošanas, gadījumos. Balstoties uz piedāvāto efektīvas tunelēšanas tehnoloģiju, šinī darbā ir piedāvātas arhitektūras divām sistēmām: nākamās paaudzes Zinātniskais mākonis, un reālā laika astronomisko datu straumju apstrādes sistēma. ZERO protokols ir piedāvāts kā efektīvs tunelēšanas risinājums federatīvu infrastruktūras mākoņu (IaaS) savienošanai. Atslēgas vārdi: datoru tīkli, Internets, tunelēšana, Ethernet, straumes apstrāde, mākoņdatošana.

Two original technologies are proposed in this thesis that improve network virtualization effectiveness: ZERO tunneling protocol, and Packet Transformation Language (PTL) that can formally describe ZERO and other tunneling protocols in a compact language. ZERO is the proposed Ethernet over IP tunneling protocol, which divides all Ethernet frames to be tunneled into NICE and UGLY frames. The UGLY frames are tunneled by traditional methods, such as UDP or GRE encapsulation, resulting in substantial overhead due to additional headers and fragmentation typically required to transport long Ethernet frames over IP network traditionally limited to MTU=1500 bytes. Meanwhile the NICE Ethernet frames are tunneled without any overhead as plain IPv4 packets due to non-traditional reuse of “fragment offset” field in the IP header. It is shown that for typical Internet traffic transported over Ethernet, the proposed ZERO tunneling protocol classifies 99.94% of Ethernet frames as NICE and thus results in nearly zero-overhead, no fragmenting Ethernet over IP tunneling. The proposed tunneling method extends also to Ethernet frames containing VLAN and MPLS tags, as well as IPv6 packets – all of these also can be classified as NICE and transported with zero-overhead over Internet or private IPv4 transport network. Unprecedented efficiency of the proposed tunneling protocol enables wide use of L2 transparency across existing L3 infrastructures thus leading to new network design patterns essential for modern applications such as Internet of things or cloud infrastructures. Real world tests of a Linux kernel ZERO protocol implementation proved practicality of the new protocol and also uncovered a new observation – even the rare channel synchronization packets get fragmented only at 2-6% rate on burst traffic like Web browsing. Based on the effective tunneling technology, the architecture of next generation Scientific Cloud and real time stream processing of astronomical data systems are proposed. The ZERO protocol is proposed as effective tunneling solution for joining federated IaaS clouds. Keywords: computer networks, Internet, tunneling, Ethernet, stream processing, cloud computing.