TSoR: Uma Nova Vantagem pra Rede em Nuvem

Aplicativos nativos de nuvem geralmente precisam de formas rápidas e eficientes de se comunicar através de redes. Um método promissor é usar RDMA (Acesso Direto à Memória Remota), que pode oferecer velocidades mais altas e menores latências em comparação com métodos tradicionais de rede. No entanto, existem alguns problemas a serem resolvidos ao usar RDMA com aplicativos em containers.

#Problemas com RDMA em Containers

1. Sem Mudanças no Código: Os desenvolvedores normalmente não querem mudar suas aplicações só para que elas funcionem melhor com uma nova rede. Muitas aplicações já usam sockets padrão para comunicação, e as mudanças podem ser muito difíceis ou demoradas.

2. Integração com Ferramentas de Gerenciamento: Ferramentas que ajudam a gerenciar containers, como Kubernetes, precisam funcionar de forma tranquila com novos métodos de rede. Se o novo método não for compatível, isso dá mais trabalho para configurar e executar as aplicações.

3. Utilização de Desempenho: Para aproveitar ao máximo a velocidade do RDMA, é importante projetar uma rede que possa usar o potencial do RDMA sem criar gargalos.

#TCP Socket sobre RDMA (TSoR)

Para lidar com esses desafios, uma nova solução de rede chamada TSoR foi proposta. TSoR cria uma conexão entre comunicações tradicionais de sockets TCP e redes RDMA, mantendo tudo simples para os desenvolvedores.

#Como Funciona o TSoR

TSoR permite que aplicações existentes se comuniquem via RDMA sem necessidade de mudanças no código. Ele se integra com runtimes de containers e ferramentas de orquestração como Kubernetes, tornando a utilização bem fácil. O TSoR também constrói um stack de rede especial para transferir comunicações TCP eficientemente através do RDMA.

#Avaliação do TSoR

O TSoR foi testado usando diversas aplicações populares como Redis e Node.js para medir seu desempenho em comparação com redes de containers tradicionais. Os resultados mostraram que o TSoR ofereceu taxas de Transferência de Dados muito mais altas e reduziu as latências, permitindo que as aplicações rodassem muito mais rápido sem precisar de mudanças no código.

#Principais Vantagens

• Aceleração Transparente: As aplicações podem se beneficiar da rede RDMA sem precisar mudar como funcionam.
• Integração Fácil: Compatível com Kubernetes e outras ferramentas de gerenciamento de containers, facilitando a adoção pelos usuários.
• Alto Desempenho: Capaz de aumentar significativamente a taxa de transferência de dados e reduzir a latência para aplicações em containers.

#O Papel dos Containers

Containers são as unidades básicas de aplicações nativas de nuvem. Eles oferecem várias vantagens, como facilidade de movimentação entre diferentes plataformas, eficiência no uso de recursos e melhor gerenciamento de falhas. Com sistemas de orquestração de containers, esses containers podem ser automatizados para implantação, escalonamento e rede.

#A Importância da Rede em Containers

A rede é essencial para o funcionamento eficaz das orquestrações de containers. Ela ajuda os containers a se comunicarem entre si e permite a integração sem costura com vários serviços. Soluções populares de rede para containers usam protocolos padrão TCP/IP; no entanto, podem apresentar limitações de desempenho devido a sobrecarga adicional.

#Entendendo o RDMA

O RDMA permite que uma aplicação acesse a memória de outra aplicação em uma máquina diferente diretamente, sem precisar interromper a CPU de nenhuma das máquinas. Isso resulta em latências muito menores e velocidades mais altas em comparação com métodos tradicionais de rede. O RDMA está cada vez mais sendo usado em ambientes que requerem alto processamento de dados, como aprendizado de máquina e computação de alto desempenho.

#Desafios com Soluções Existentes

Muitas soluções existentes para transferir tráfego TCP sobre redes RDMA não atendem todas as necessidades dos modernos ambientes em containers. Enquanto algumas soluções ajudam a interceptar tráfego TCP, frequentemente falham em se integrar bem com sistemas de orquestração como Kubernetes.

#Características do TSoR

O TSoR vem com várias características importantes:

1. Suporte a Sockets POSIX: O TSoR suporta a interface padrão de sockets POSIX, então as aplicações podem se comunicar pela rede RDMA sem modificações.

2. Integração com Kubernetes: O TSoR se adapta ao modelo de rede do Kubernetes. Isso significa que pode se encaixar facilmente nas infraestruturas existentes e utilizar as capacidades embutidas do Kubernetes.

3. Transferência de Dados de Alto Desempenho: O design do TSoR permite que ele utilize eficientemente o potencial do RDMA para comunicação de rede rápida e responsiva.

#Arquitetura do TSoR

A arquitetura do TSoR envolve diferentes componentes que trabalham juntos:

• Serviço TSoR: Esta é a parte principal que gerencia a comunicação entre aplicações em containers rodando em diferentes nós e redes RDMA.

• Cliente TSoR: Cada container ou gateway no cluster TSoR possui um cliente que interage com o Serviço TSoR para transferências de dados.

• Gateway TSoR: O gateway conecta o tráfego interno da rede RDMA ao tráfego TCP externo, permitindo que os containers interajam com serviços fora de sua rede.

#Detalhes do Serviço TSoR

O Serviço TSoR lida com várias tarefas:

• Gerenciamento de Clientes: Acompanha os clientes e gerencia sua comunicação.

• Gerenciamento de Conexões: Estabelece e gerencia conexões RDMA entre diferentes nós.

• Processamento de Transferência de Dados: Cuida do envio e recebimento de tráfego de dados pela rede RDMA.

#Passos para Estabelecer Conexões

Quando um novo nó entra no sistema TSoR, os seguintes passos ocorrem para configurar conexões:

1. Iniciação do Servidor TCP: O serviço inicia um servidor TCP para ouvir por conexões de nós novos.

2. Solicitação de Conexão: O novo nó contata nós existentes para configurar as conexões.

3. Configuração da Conexão RDMA: Os nós trocam informações para estabelecer conexões RDMA.

#Processo de Transmissão de Dados

A transmissão de dados pelo TSoR envolve várias etapas:

1. A aplicação envia uma solicitação de dados para o Cliente TSoR.
2. O cliente coloca a solicitação em uma fila para processamento.
3. O Serviço TSoR recupera a solicitação e envia os dados via RDMA.
4. O Serviço notifica o cliente assim que os dados estiverem prontos para serem processados.
5. O cliente recupera os dados para a aplicação.

#Otimizações na Transmissão de Dados

Para melhorar a eficiência, várias otimizações foram feitas:

• Pipeline: Isso permite o envio e recebimento simultâneo de dados, aumentando a taxa geral de transferência.

• Coalescência de Sinais: Reduz a comunicação desnecessária entre clientes e serviços quando os dados estão sendo transferidos.

• Sleep Inativo: Minimiza o uso da CPU durante períodos de espera colocando o serviço em modo de espera até ser notificado de novas solicitações.

#Integração com Kubernetes e Modelo de Rede

O TSoR funciona bem com a rede do Kubernetes, apoiando vários tipos de comunicação:

1. Pod para Pod: Permite que containers se comuniquem entre si de forma tranquila.

2. Pod para Serviço: Expõe aplicações rodando em Pods para outros serviços.

3. Externo para Serviço: Habilita clientes externos a acessar serviços no cluster TSoR.

4. Pod para Externo: Permite que Pods acessem recursos fora do cluster.

#Solução de Roteamento para TSoR

O TSoR possui um sistema de roteamento sofisticado que garante comunicação eficiente:

• Atribuição de IP: Cada Pod recebe um IP único, simplificando o roteamento.

• Múltiplas Tabelas de Consulta: O TSoR utiliza diversas tabelas para gerenciar e roteirizar diferentes tipos de tráfego de rede.

#Avaliação de Desempenho do TSoR

Em testes de desempenho, o TSoR mostrou resultados impressionantes:

• Taxa de Transferência: O TSoR alcançou taxas de transferência de dados significativamente mais altas, superando outros métodos de rede.

• Latência: As latências experimentadas durante as transferências de dados foram notavelmente menores, tornando as aplicações mais responsivas.

• Escalabilidade: O TSoR manteve alto desempenho mesmo sob cargas de trabalho aumentadas, demonstrando sua capacidade de lidar com muitas conexões simultâneas.

#Testes de Aplicação no Mundo Real

O desempenho do TSoR foi avaliado usando várias aplicações do mundo real como Redis, Node.js e etcd.

#Redis

Para o Redis, o TSoR forneceu tempos de resposta mais baixos e maior taxa de transferência do que soluções tradicionais, mostrando sua eficácia para operações de armazenamento de dados.

#Node.js

Nos testes com Node.js, o TSoR demonstrou consistentemente tempos de resposta mais rápidos ao lidar com requisições web, especialmente para tamanhos de dados maiores.

#etcd

Os testes com etcd mostraram que o TSoR podia gerenciar requisições de forma eficiente, provando ainda mais sua compatibilidade com vários tipos de aplicações distribuídas.

#Trabalho Futuro e Desenvolvimentos

À medida que o TSoR continua a evoluir, existem várias áreas para mais desenvolvimentos:

• Suporte para sockets UDP: Construir em cima da infraestrutura existente para também lidar com tráfego UDP.

• Melhorando a Comunicação Intra-Pod: Otimizar a comunicação no mesmo host para um desempenho ainda melhor.

• Descarregamento para SmartNIC: Descarregar alguns serviços do TSoR para SmartNICs pode economizar recursos da CPU e melhorar o desempenho.

#Conclusão

O TSoR representa um forte avanço em soluções de rede para aplicações nativas de nuvem. Ao combinar os benefícios dos sockets TCP e RDMA, oferece um caminho para que aplicações existentes ganhem melhor desempenho sem exigir mudanças significativas. O TSoR não só atende às demandas dos ambientes modernos em containers, mas também se integra perfeitamente com ferramentas de orquestração existentes como Kubernetes. Como demonstrado através de testes extensivos, o TSoR mostra grande potencial para aplicações futuras em computação de alto desempenho e operações intensivas em dados.