WCGA-SBRC 2016

Plataforma de áreas de trabalho virtuais escalável

para nuvens privadasDemis Gomes

Nichene VerçosaVictor Medeiros

Glauco Gonçalves

WCGA-SBRC 2016 2

Roteiro• Introdução• Objetivos• Apresentação da Plataforma• Especificação do Protótipo• Avaliação da Plataforma• Resultados • Conclusão• Trabalhos Futuros30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 3

Introdução• O artigo tem como base o projeto iniciado

em 2013 que buscava desenvolver uma plataforma de áreas de trabalho virtuais para laboratórios de informática

• Dentre os principais objetivos:– Redução dos custos de implantação– Redução do consumo de energia– Escalabilidade– Disponibilidade– Administração facilitada

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 4

Introdução

30/05/2016

Envia comandos para o servidor por mouse, teclado ou toque

Envia a tela modificada pelas ações do usuário para o cliente

PROTOCOLO

Área de trabalho executada no servidor

Área de trabalho virtual remota

Uso de thin clients

Servidores virtualizados

WCGA-SBRC 2016 5

Introdução

30/05/2016

• A plataforma apresenta as soluções para os objetivos buscadosObjetivos Soluções

EscalabilidadeProvisionamento de

servidores virtuais sob demanda

DisponibilidadeManter o sistema

funcionando mesmo com a falha de um servidor

Redução do consumo de energia elétrica

Uso de thin clients, reduzindo o custo em 80%

em relação a máquinas convencionais [1]

Redução de custos Uso de software livre e compra de thin clients

Administração Facilitada Gerenciamento de usuários centralizado

WCGA-SBRC 2016 6

Introdução• A plataforma pode ser aplicada para nuvens

privadas de comportamento homogêneo

30/05/2016

A ociosidade pode ocorrer nestes casos, levando a um desperdício de

recursos

WCGA-SBRC 2016 7

Introdução• Para diminuir a ociosidade e,

consequentemente o consumo de energia elétrica, podemos compartilhar recursos

• Este compartilhamento pode ser feito por uma plataforma de áreas de trabalho virtual

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 8

Objetivos• Apresentar uma solução eficiente,

robusta e escalável de uma plataforma de área de trabalho virtual para nuvens privadas

• Realizar testes com a plataforma a fim de entender os pontos a serem melhorados e possíveis gargalos no sistema

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 9

Apresentação da plataforma• Uma área de trabalho virtual pode ser

disponibilizada para o usuário ou na forma de VDI ou na forma de sessão virtualizada [2]

VM client1

VM client2

VDI: Acesso a uma VM hospedada no servidor

Sessão: Acessa o servidor por meio de uma conta de usuário

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 10

Apresentação da plataforma• Comparação entre VDI e sessões

virtualizadas

30/05/2016

Características

VDI Sessão

Consumo de recursos

Maior Menor

Custo Maior MenorAdministraçã

oMais complexa Mais simples

Disponibilidade de

ferramentas

Maior Menor

Customização do Usuário

Melhor Pior

WCGA-SBRC 2016 11

Apresentação da plataforma• A partir das características

apresentadas, escolhemos criar a plataforma baseada em sessões pois se adequava melhor ao cenário proposto

• Cada servidor é virtualizado em máquinas virtuais a fim de oferecer tolerância à falhas e escalabilidade

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 12

Arquitetura da Plataforma• Baseada em sessões, a plataforma

se divide em cinco camadas

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 13

Arquitetura da PlataformaTerminais: Dispositivos que acessam

o servidor

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 14

Serviços•Boot Remoto: envia o SO mínimo ao cliente e distribui IPs•Administração: Permite aos administradores gerenciar usuários•Desktop Virtual: disponibiliza área de trabalho e aplicações aos usuários

Arquitetura da Plataforma

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 15

Arquitetura da Plataforma Gerência de nuvemCompreende serviços de elasticidade,

economia de energia e alocação de recursos na Nuvem, importantes para manter a eficiência

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 16

Arquitetura da PlataformaVirtualização e Armazenamento•Virtualização: Camada que permite virtualizar servidores e aplicações•Armazenamento: repositório de imagens dos servidores virtuais e dados dos usuários

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 17

Arquitetura da PlataformaServidores/Dispositivos de RedeServidores físicos onde serão

hospedados os serviços da plataforma, além de dispositivos como roteadores e switches para a comunicação entre eles

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 18

Protótipo

30/05/2016

Após revisões na academia, escolhemos as opções que mais se encaixavam em nossa proposta para criarmos o protótipo da ferramenta

WCGA-SBRC 2016 19

Protótipo• Terminais: Raspberry Pi, um

singleboard computer que pode atuar como thin client, consumindo ainda menos energia

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 20

Protótipo• Serviços –Desktop Virtual e Boot Remoto: LTSP

Cluster, uma alternativa linux para a comunicação entre thin clients e servidores

– Administração: LDAP, permitindo criar e autenticar usuários

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 21

Protótipo• Gerência da Nuvem– Recomendamos o uso do OpenStack

para o gerenciamento de máquinas virtuais

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 22

Protótipo• Virtualização: Utilizamos o KVM

devido às suas otimizações no kernel Linux e por oferecer desempenho superior no quesito processamento

• Armazenamento: Recomendamos o uso do OpenStack Storage

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 23

Protótipo

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 24

Avaliação da Plataforma• O objetivo da avaliação é realizar o

planejamento de capacidade de um único Application Server– Entender o comportamento do sistema

quando submetido a variação de carga entre 5 e 40 clientes

– Simular o comportamento dos clientes através de uma ferramenta de emulação, configurando o número de clientes e os tipos

– Os clientes foram divididos em dois tipos: pesados e leves [3]

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 25

Avaliação da Plataforma

30/05/2016

Fatores NíveisNúmero de

clientes5,10,15,20,25,30,

35,40% de clientes

pesados0%,25%,50%,75%

,100%• Métricas• CPU• Memória• Vazão de rede

WCGA-SBRC 2016 26

Avaliação da PlataformaFerramenta de execução e avaliação

automática

30/05/2016

Ferramentade execução

TRÁFEGO

Configuração do

experimento (inputs)

Relatórios gerados

(outputs)

Emulação de clientes

da plataforma

(VMs)

Coleta de parâmetro

s nos servidores

(CPU, memória e

rede)

Execução de programas:LibreOffice

WriterLibreOffice

CalcLibreOffice

Impress

Arquivos

Comandos

WCGA-SBRC 2016 27

Avaliação da PlataformaFerramenta de execução automática

30/05/2016

Ferramentade execução

TRÁFEGO

Configuração do

experimento (inputs)

Relatórios gerados

(outputs)

São executados na mesma máquina física: 2 Xeon 2.40 GHz, 64GB RAM

App Server: 20 vCPUs, 20GB RAM

São emulados em uma

configuração da Raspberry Pi A: 256 MB RAM, 1 vCPU

AppServer

WCGA-SBRC 2016 28

Resultados

30/05/2016

Consumo de memória no Application Server O consumo máximo

de memória tem um comportamento linear

O consumo total de memória em sessões foi de 80% (~16 GB), menor do que em VDI (40 clientes ~20 GB)

WCGA-SBRC 2016 29

Resultados• Vazão de rede no Application Server– Vazão máxima

30/05/2016

0% 25%

50%

75%

100% 0% 25

%50

%75

%10

0% 0% 25%

50%

75%

100% 0% 25

%50

%75

%10

0% 0% 25%

50%

75%

100% 0% 25

%50

%75

%10

0% 0% 25%

50%

75%

100% 0% 25

%50

%75

%10

0%5 10 15 20 25 30 35 40

0100200300400500600700800900

Vazão de Rede

Consumo Máx. Dados Rece-bidosConsumo Máx. Dados Envia-dos

Número de clientes e pctg. de clientes pesados

Vazã

o em

Mbi

ts/s

A vazão máxima dos dados recebidos chega próximo dos 400 Mbps, enquanto dos dados enviados em cerca de 900 Mbps

WCGA-SBRC 2016 30

Resultados• Vazão de rede no Application Server– Vazão máxima (quartis)

30/05/2016

O quartil de 0.75 não passa de 100 Mbps em nenhum dos casos. Desta forma, a maior parte do tráfego pode ser transferida em uma rede Fast-Ethernet

0% 25%

50%

75%

100% 0% 25

%50

%75

%10

0% 0% 25%

50%

75%

100% 0% 25

%50

%75

%10

0% 0% 25%

50%

75%

100% 0% 25

%50

%75

%10

0% 0% 25%

50%

75%

100% 0% 25

%50

%75

%10

0%

5 10 15 20 25 30 35 40

0100200300400500600700800900

Vazão de rede em quartis

Quartile 0.75 (Recebidos)Quartile 0.75 (Enviados)

Número de clientes e porcentagem de clientes pesados

Vazã

o em

Mbi

t/s

WCGA-SBRC 2016 31

Resultados

30/05/2016

Consumo de CPU no App Server Segundo [4], o

sistema é inaceitável ao usuário quando deixa de responder por mais de 5 segundos

No nosso caso, 95% de consumo torna o sistema irresponsivo

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 9680

85

90

95

100

Os 100 segundos de maior consumo de CPU Experimento 1 - 40 clientes - 100% pesados

Tempo de experimento onde ocorreu maior consumo de CPU (s)

(%)

do co

nsum

o de

CPU

Abordagem do pico sustentado: Coletamos amostras que ultrapassavam os 95% de consumo em cinco ocorrências consecutivas

WCGA-SBRC 2016 32

Resultados

30/05/2016

Consumo de CPU no App ServerEm nosso cenário, assumimos que se o sistema tiver em torno de 2% de amostras acima do pico sustentado, ele estará com um desempenho aceitável

O gráfico mostra que, quando o número de clientes pesados (100%) é 25 e o de leves (0%) é 30, o sistema se encontra utilizável

WCGA-SBRC 2016 33

Conclusão• Analisamos os aspectos necessários a

construção da plataforma, escolhendo o acesso dos clientes por meio da virtualização de sessões em máquinas virtuais

• Definimos os componentes do protótipo da plataforma, buscando oferecer baixo custo, redução do consumo de energia e escalabilidade por meio do uso de singleboard computers, software livre e gerenciamento da Nuvem

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 34

Conclusão• O consumo de memória de virtualização

por sessões é menor do que na VDI• Exceto por picos esporádicos, a vazão

de rede fica abaixo de 100 Mbps• A CPU apresentou-se como o gargalo da

plataforma• O sistema se comporta de modo

aceitável com 25 clientes pesados e 30 clientes leves

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 35

Trabalhos Futuros• Realizar a pinagem das CPUs de

modo a evitar o compartilhamento de recursos entre clientes e servidores– Fixar os cores virtuais do Application

Server em um único processador físico• Realização de testes qualitativos

para medir a satisfação dos usuários

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 36

Agradecimentos

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 37

Agradecimentos• A todos e todas que me ajudaram na

vaquinha, fundamental para que apresentasse este trabalho

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 38

Agradecimentos

OBRIGADO!

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 39

Referências1. Dasilva, D. A., Liu, L., Bessis, N., & Zhan, Y. (2012,

October). Enabling green IT through building a virtual desktop infrastructure.

2. S. Dernbecher, R. Beck, and M. Toenker, “Cloudifying Desktops–A Taxonomy for Desktop Virtualization,” 2013.

3. A. R. Shabaitah, “Server-Based Desktop Virtualization,” Rochester Institute of Technology, 2014.

4. Tolia, Niraj, David G. Andersen, and Mahadev Satyanarayanan. "Quantifying interactive user experience on thin clients." Computer 39.3 (2006): 46-52.

30/05/2016

WCGA-SBRC 2016 40

Fluxo de execução dos clientes

30/05/2016

Leve

WCGA-SBRC 2016 41

Fluxo de execução dos clientes

• Pesado

30/05/2016