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研究生中文姓名:李旻蒼
研究生英文姓名:Li, Min-Tsang
中文論文名稱:Kubernetes 服務在SEAL2資料中心網路系統上的效能分析
英文論文名稱:A Performance Evaluation Study of Kubernetes Service on the SEAL2 Datacenter network
指導教授姓名:葉春超
口試委員中文姓名:副教授︰林正偉
業界委員︰高偉超
助理教授︰吳俊興
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣海洋大學
系所名稱:資訊工程學系
學號:10557025
請選擇論文為:學術型
畢業年度:108
畢業學年度:107
學期:
語文別:中文
論文頁數:56
中文關鍵詞:資料中心網路軟體定義網路OpenFlowKubernetes
英文關鍵字:data center networksoftware-defined networkOpenFlowKubernetes
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本論文探討kubernetes 雲端服務作業平台在SEAL2資料中心的網路架構下的效能分析。SEAL2資料中心網路架構是本實驗室過去開發的一個多租戶資料中心網路架構。SEAl2將資料中心分成多個伺服器集群,每一伺服器集群擁有多個虛擬機器,並使用快速轉送的交換器將全部的服務器集群串連起來,伺服器集群內使用L2 Routing解決虛擬機器IP Routing的問題,而不同伺服器集群之間使用Label Routing進行封包的快速轉發。系統實作上使用軟體定義網路(Software-defined networking),以Open vSwitch做為OpenFlow Switch並搭配Ryu Controller實現SDN。
SEAL2支援多租戶網路,同時也支援動態VM migration,VM 可以被任意migrate 到任何一個實體伺服器而不受IP subnet segmentation 的影響。將kubernetes 雲端服務作業平台架設到SEAL2這樣高度支援IP mobility的架構上將可以使kubernetes 雲端服務營運商可以更加彈性的使用底層計算結點的資源。
為驗證系統設計的可行性,我們以多台PC建構一個小型的雛形系統,其中包含利用PC及SDN軟體來實做的各種特殊功能的交換器。並使用此雛形系統量測kubernetes 雲端服務作業平台在傳統網路架構與SEAL2 架構上的效能差異。從我們的實驗結果驗證kubernetes可以在SEAL2架構上運作,同時我們也驗證與傳統網路比較,SEAL2對於多租戶與動態IP的支援僅需少量的overhead 。我們以Jmeter效能量測比較,得知 SEAL2 的overhead 只有3~5%。
his thesis evaluates the performance of Kubernetes cloud service under SEAL2 data center network architecture. SEAL2 data center network architecture is a multi-tenant data center network architecture, which divides the data center servers into multiple server clusters interconnected with SEAL2 label switch fabric. SEAL2 data center network supports multi-tenant and dynamic VM migration, in which VM can be arbitrarily migrated to any physical server without being affected by restriction of IP subnet hierarchy. One of main benefit to run Kubernetes cloud service over SEAL2 data center network is to provide high flexibility of Kubernetes node deployment over cloud, in which the VMs hosting Kubernetes nodes can be dynamically placed in and migrated to any physical server node in the data center, with multitenancy support.
To verify the feasibility of running Kubernetes cloud service under SEAL2 data center network architecture and compare the performance difference with conventional L2/L3 network architecture, we build a small experimental Kubernetes cluster over the two different underlying physical network frameworks: conventional L2/L3 network architecture and the SEAL2 network architecture. From our experimental results, we verify that the Kubernetes cluster can work correctly on the SEAL2 architecture. And the experiment results show that compared with conventional network architecture the additional overhead induced by SEAL2 network software agent is 3~5% only.
摘要 I
Abstract II
目次 III
圖次 IV
表次 VI
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與主題 1
1.2 論文架構 2
第二章 相關研究及背景知識 3
2.1 軟體定義網路 3
2.2 OpenFlow協定 4
2.3 OpenvSwitch網路模組 6
2.4 SDN控制器 9
2.5 Kubernetes 10
2.6 網路效能測試工具 11
2.7 SEAL2資料中心網路封包路由機制 11
第三章 實驗設計與系統架構 14
3.1 實驗系統架構 14
3.2 SEA2 Director Server 與 Agent Switch 17
3.3 Kubernetes伺服器集群 17
第四章 系統效能評估 21
4.1 Kubernetes上Container重啟效能比較分析 21
4.2 Kubernetes上Pod重啟效能比較分析 26
4.3 Kubernetes上Worker節點重啟效能比較分析 28
4.4 Kubernetes負載平衡流量效能比較分析 30
4.5 網路延遲效能比較分析 38
第五章 結論與未來展望 39
5.1 結論 39
5.2 未來展望 40
參考文獻 41
附錄 42

[1] Kubernetes. Production-Grade Container Orchestration-automated container deployment, scaling and management. Available: https://kubernetes.io.
[2] Kubernetes. Concepts: Cluster Networking. Available: https://kubernetes.io/docs/concepts/cluster-administration/networking/
[3] Chun-Chao Yeh, Jun-Wei Qiu, and Shi-Jia Chang, "SEAL2: An SDN-Enabled All-Layer2 Packet Forwarding Network Architecture for Multi-Tenant Datacenter Networks", International Journal of Communication Systems (IJCS), John Wiley & Sons Ltd, Online ISSN: 1099-1131, 2019 (to appear).
[4] Open Networking Foundation (ONF). Open Datapath. Available: https://www.opennetworking.org
[5] Xinguard. Xinguard 衛信科技 | OpenFlow 原理. Available: http://www.xinguard.com/content.aspx?id=15
[6] Flowgrammable. SDN / OpenFlow | Flowgrammable. Available: http://flowgrammable.org/sdn/openflow/
[7] OpenNetworkingFoundation. OpenFlow Switch Specification V1.3.4. Available: https://www.opennetworking.org/
[8] LinuxFoundation. Open vSwitch. Available: http://www.openvswitch.org/
[9] RyuSDNFrameworkCommunity. Ryu SDN Framework. Available: https://osrg.github.io/ryu/
[10] Calico for Kubernetes. Available: https://docs.projectcalico.org/v2.0/getting-started/kubernetes/
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