Doctor requirement deliverable
[doctor.git] / requirements / 03-architecture.rst
1 High level architecture and general features
2 ============================================
3
4 Functional overview
5 -------------------
6
7 The Doctor project circles around two distinct use cases: 1) management of
8 failures of virtualized resources and 2) planned maintenance, e.g. migration, of
9 virtualized resources. Both of them may affect a VNF/application and the network
10 service it provides, but there is a difference in frequency and how they can be
11 handled.
12
13 Failures are spontaneous events that may or may not have an impact on the
14 virtual resources. The Consumer should as soon as possible react to the failure,
15 e.g., by switching to the STBY node. The Consumer will then instruct the VIM on
16 how to clean up or repair the lost virtual resources, i.e. restore the VM, VLAN
17 or virtualized storage. How much the applications are affected varies.
18 Applications with built-in HA support might experience a short decrease in
19 retainability (e.g. an ongoing session might be lost) while keeping availability
20 (establishment or re-establishment of sessions are not affected), whereas the
21 impact on applications without built-in HA may be more serious. How much the
22 network service is impacted depends on how the service is implemented. With
23 sufficient network redundancy the service may be unaffected even when a specific
24 resource fails.
25
26 On the other hand, planned maintenance impacting virtualized resources are events
27 that are known in advance. This group includes e.g. migration due to software
28 upgrades of OS and hypervisor on a compute host. Some of these might have been
29 requested by the application or its management solution, but there is also a
30 need for coordination on the actual operations on the virtual resources. There
31 may be an impact on the applications and the service, but since they are not
32 spontaneous events there is room for planning and coordination between the
33 application management organization and the infrastructure management
34 organization, including performing whatever actions that would be required to
35 minimize the problems.
36
37 Failure prediction is the process of pro-actively identifying situations that
38 may lead to a failure in the future unless acted on by means of maintenance
39 activities. From applications' point of view, failure prediction may impact them
40 in two ways: either the warning time is so short that the application or its
41 management solution does not have time to react, in which case it is equal to
42 the failure scenario, or there is sufficient time to avoid the consequences by
43 means of maintenance activities, in which case it is similar to planned
44 maintenance.
45
46 Architecture Overview
47 ---------------------
48
49 NFV and the Cloud platform provide virtual resources and related control
50 functionality to users and administrators. :num:`Figure #figure3` shows the high
51 level architecture of NFV focusing on the NFVI, i.e., the virtualized
52 infrastructure. The NFVI provides virtual resources, such as virtual machines
53 (VM) and virtual networks. Those virtual resources are used to run applications,
54 i.e. VNFs, which could be components of a network service which is managed by
55 the consumer of the NFVI. The VIM provides functionalities of controlling and
56 viewing virtual resources on hardware (physical) resources to the consumers,
57 i.e., users and administrators. OpenStack is a prominent candidate for this VIM.
58 The administrator may also directly control the NFVI without using the VIM.
59
60 Although OpenStack is the target upstream project where the new functional
61 elements (Controller, Notifier, Monitor, and Inspector) are expected to be
62 implemented, a particular implementation method is not assumed. Some of these
63 elements may sit outside of OpenStack and offer a northbound interface to
64 OpenStack.
65
66 General Features and Requirements
67 ---------------------------------
68
69 The following features are required for the VIM to achieve high availability of
70 applications (e.g., MME, S/P-GW) and the Network Services:
71
72 * Monitoring: Monitor physical and virtual resources.
73 * Detection: Detect unavailability of physical resources.
74 * Correlation and Cognition: Correlate faults and identify affected virtual
75   resources.
76 * Notification: Notify unavailable virtual resources to their Consumer(s).
77 * Recovery action: Execute actions to process fault recovery and maintenance.
78
79 The time interval between the instant that an event is detected by the
80 monitoring system and the Consumer notification of unavailable resources shall
81 be < 1 second (e.g., Step 1 to Step 4 in :num:`Figure #figure4` and :num:`Figure
82 #figure5`).
83
84 .. _figure3:
85
86 .. figure:: images/figure3.png
87    :width: 100%
88
89    High level architecture
90
91 Monitoring
92 ^^^^^^^^^^
93
94 The VIM shall monitor physical and virtual resources for unavailability and
95 suspicious behavior.
96
97 Detection
98 ^^^^^^^^^
99
100 The VIM shall detect unavailability and failures of physical resources that
101 might cause errors/faults in virtual resources running on top of them.
102 Unavailability of physical resource is detected by various monitoring and
103 managing tools for hardware and software components. This may include also
104 predicting upcoming faults. Note, fault prediction is out of scope of this
105 project and is investigated in the OPNFV "Data Collection for Failure
106 Prediction" project [PRED]_.
107
108 The fault items/events to be detected shall be configurable.
109
110 The configuration shall enable Failure Selection and Aggregation. Failure
111 aggregation means the VIM determines unavailability of physical resource from
112 more than two non-critical failures related to the same resource.
113
114 There are two types of unavailability - immediate and future:
115
116 * Immediate unavailability can be detected by setting traps of raw failures on
117   hardware monitoring tools.
118 * Future unavailability can be found by receiving maintenance instructions
119   issued by the administrator of the NFVI or by failure prediction mechanisms.
120
121 Correlation and Cognition
122 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
123
124 The VIM shall correlate each fault to the impacted virtual resource, i.e., the
125 VIM shall identify unavailability of virtualized resources that are or will be
126 affected by failures on the physical resources under them. Unavailability of a
127 virtualized resource is determined by referring to the mapping of physical and
128 virtualized resources.
129
130 The relation from physical resources to virtualized resources shall be
131 configurable, as the cause of unavailability of virtualized resources can be
132 different in technologies and policies of deployment.
133
134 Failure aggregation is also required in this feature, e.g., a user may request
135 to be only notified if failures on more than two standby VMs in an (N+M)
136 deployment model occurred.
137
138 Notification
139 ^^^^^^^^^^^^
140
141 The VIM shall notify the alarm, i.e., unavailability of virtual resource(s), to
142 the Consumer owning it over the northbound interface, such that the Consumers
143 impacted by the failure can take appropriate actions to recover from the
144 failure.
145
146 The VIM shall also notify the unavailability of physical resources to its
147 Administrator.
148
149 All notifications shall be transferred immediately in order to minimize the
150 stalling time of the network service and to avoid over assignment caused by
151 delay of capability updates.
152
153 There may be multiple consumers, so the VIM has to find out the owner of a
154 faulty resource. Moreover, there may be a large number of virtual and physical
155 resources in a real deployment, so polling the state of all resources to the VIM
156 would lead to heavy signaling traffic. Thus, a publication/subscription
157 messaging model is better suited for these notifications, as notifications are
158 only sent to subscribed consumers.
159
160 Note: the VIM should only accept individual notification URLs for each resource
161 by its owner or administrator.
162
163 Notifications to the Consumer about the unavailability of virtualized
164 resources will include a description of the fault, preferably with sufficient
165 abstraction rather than detailed physical fault information. Flexibility in
166 notifications is important. For example, the receiver function in the
167 consumer-side implementation could have different schema, location, and policies
168 (e.g. receive or not, aggregate events with the same cause, etc.).
169
170 Recovery Action
171 ^^^^^^^^^^^^^^^
172
173 In the basic "Fault management using ACT-STBY configuration" use case, no
174 automatic actions will be taken by the VIM, but all recovery actions executed by
175 the VIM and the NFVI will be instructed and coordinated by the Consumer.
176
177 In a more advanced use case, the VIM shall be able to recover the failed virtual 
178 resources according to a pre-defined behavior for that resource. In principle
179 this means that the owner of the resource (i.e., its consumer or administrator)
180 can define which recovery actions shall be taken by the VIM. Examples are a
181 restart of the VM, migration/evacuation of the VM, or no action.
182
183
184
185 High level northbound interface specification
186 ---------------------------------------------
187
188 Fault management
189 ^^^^^^^^^^^^^^^^
190
191 This interface allows the Consumer to subscribe to fault notification from the
192 VIM. Using a filter, the Consumer can narrow down which faults should be
193 notified. A fault notification may trigger the Consumer to switch from ACT to
194 STBY configuration and initiate fault recovery actions. A fault query
195 request/response message exchange allows the Consumer to find out about active
196 alarms at the VIM. A filter can be used to narrow down the alarms returned in
197 the response message.
198
199 .. _figure4:
200
201 .. figure:: images/figure4.png
202    :width: 100%
203
204    High-level message flow for fault management
205
206 The high level message flow for the fault management use case is shown in
207 :num:`Figure #figure4`.
208 It consists of the following steps:
209
210 1. The VIM monitors the physical and virtual resources and the fault management
211    workflow is triggered by a monitored fault event.
212 2. Event correlation, fault detection and aggregation in VIM. Note: this may
213    also happen after Step 3.
214 3. Database lookup to find the virtual resources affected by the detected fault.
215 4. Fault notification to Consumer.
216 5. The Consumer switches to standby configuration (STBY)
217 6. Instructions to VIM requesting certain actions to be performed on the
218    affected resources, for example migrate/update/terminate specific
219    resource(s). After reception of such instructions, the VIM is executing the
220    requested action, e.g., it will migrate or terminate a virtual resource.
221
222 NFVI Maintenance
223 ^^^^^^^^^^^^^^^^
224
225 The NFVI maintenance interface allows the Administrator to notify the VIM about
226 a planned maintenance operation on the NFVI. A maintenance operation may for
227 example be an update of the server firmware or the hypervisor. The
228 MaintenanceRequest message contains instructions to change the state of the
229 resource from 'normal' to 'maintenance'. After receiving the MaintenanceRequest,
230 the VIM will notify the Consumer about the planned maintenance operation,
231 whereupon the Consumer will switch to standby (STBY) configuration to allow the
232 maintenance action to be executed. After the request was executed successfully
233 (i.e., the physical resources have been emptied) or the operation resulted in an
234 error state, the VIM sends a MaintenanceResponse message back to the
235 Administrator.
236
237 .. _figure5:
238
239 .. figure:: images/figure5.png
240    :width: 100%
241
242    High-level message flow for NFVI maintenance
243
244 The high level message flow for the NFVI maintenance use case is shown in
245 :num:`Figure #figure5`.
246 It consists of the following steps:
247
248 1. Maintenance trigger received from administrator.
249 2. VIM switches the affected NFVI resources to "maintenance" state, i.e., the
250    NFVI resources are prepared for the maintenance operation. For example, the
251    virtual resources should not be used for further allocation/migration
252    requests and the VIM will coordinate with the Consumer on how to best empty
253    the physical resources.
254 3. Database lookup to find the virtual resources affected by the detected
255    maintenance operation.
256 4. StateChange notification to inform Consumer about planned maintenance
257    operation.
258 5. The Consumer switches to standby configuration (STBY)
259 6. Instructions from Consumer to VIM requesting certain actions to be performed
260    (step 6a). After receiving such instructions, the VIM executes the requested
261    action in order to empty the physical resources (step 6b) and informs the
262    Consumer is about the result of the actions. Note: this step is out of scope
263    of Doctor.
264 7. Maintenance response from VIM to inform the Administrator that the physical
265    machines have been emptied (or the operation resulted in an error state).
266 8. The Administrator is coordinating and executing the maintenance
267    operation/work on the NFVI. Note: this step is out of scope of Doctor.
268
269 Faults
270 ------
271
272 Faults in the listed elements need to be immediately notified to the Consumer in
273 order to perform an immediate action like live migration or switch to a hot
274 standby entity. In addition, the Administrator of the host should trigger a
275 maintenance action to, e.g., reboot the server or replace a defective hardware
276 element.
277
278 Faults can be of different severity, i.e., critical, warning, or
279 info. Critical faults require immediate action as a severe degradation of the
280 system has happened or is expected. Warnings indicate that the system
281 performance is going down: related actions include closer (e.g. more frequent)
282 monitoring of that part of the system or preparation for a cold migration to a
283 backup VM. Info messages do not require any action. We also consider a type
284 "maintenance", which is no real fault, but may trigger maintenance actions
285 like a re-boot of the server or replacement of a faulty, but redundant HW.
286
287 Faults can be gathered by, e.g., enabling SNMP and installing some open source
288 tools to catch and poll SNMP. When using for example Zabbix one can also put an
289 agent running on the hosts to catch any other fault. In any case of failure, the
290 Administrator should be notified. Table 1 provides a list of high level faults
291 that are considered within the scope of the Doctor project requiring immediate
292 action by the Consumer.
293
294
295 +------------------+---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+------------------+-------------------+------------------------------------------------------------------------------------------+----------------------------------------------------------------------+
296 | Service          | Fault                                                                                                                     | Severity         | How to detect?    | Comment                                                                                  | Action to recover                                                    |
297 +------------------+---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+------------------+-------------------+------------------------------------------------------------------------------------------+----------------------------------------------------------------------+
298 | Compute Hardware | Processor/CPU failure, CPU condition not ok                                                                               | Critical         | Zabbix            |                                                                                          | Switch to hot standby                                                |
299 +                  +---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+------------------+-------------------+------------------------------------------------------------------------------------------+----------------------------------------------------------------------+
300 |                  | Memory failure/Memory condition not ok                                                                                    | Critical         | Zabbix (IPMI)     |                                                                                          | Switch to hot standby                                                |
301 +                  +---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+------------------+-------------------+------------------------------------------------------------------------------------------+----------------------------------------------------------------------+
302 |                  | Network card failure, e.g. network adapter connectivity lost                                                              | Critical         | Zabbix/Ceilometer |                                                                                          | Switch to hot standby                                                |
303 +                  +---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+------------------+-------------------+------------------------------------------------------------------------------------------+----------------------------------------------------------------------+
304 |                  | Disk crash                                                                                                                | Info             | RAID monitoring   | Network storage is very redundant (e.g. RAID system) and can guarantee high availability | Inform OAM                                                           |
305 +                  +---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+------------------+-------------------+------------------------------------------------------------------------------------------+----------------------------------------------------------------------+
306 |                  | Storage controller                                                                                                        | Critical         | Zabbix (IPMI)     |                                                                                          | Live migration if storage is still accessible; otherwise hot standby |
307 +                  +---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+------------------+-------------------+------------------------------------------------------------------------------------------+----------------------------------------------------------------------+
308 |                  | PDU/power failure, power off, server reset                                                                                | Critical         | Zabbix/Ceilometer |                                                                                          | Switch to hot standby                                                |
309 +                  +---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+------------------+-------------------+------------------------------------------------------------------------------------------+----------------------------------------------------------------------+
310 |                  | Power degradation, power redundancy lost, power threshold exceeded                                                        | Warning          | SNMP              |                                                                                          | Live migration                                                       |
311 +                  +---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+------------------+-------------------+------------------------------------------------------------------------------------------+----------------------------------------------------------------------+
312 |                  | Chassis problem (.e.g fan degraded/failed, chassis power degraded), CPU fan problem, temperature/thermal condition not ok | Warning          | SNMP              |                                                                                          | Live migration                                                       |
313 +                  +---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+------------------+-------------------+------------------------------------------------------------------------------------------+----------------------------------------------------------------------+
314 |                  | Mainboard failure                                                                                                         | Critical         | Zabbix (IPMI)     |                                                                                          | Switch to hot standby                                                |
315 +                  +---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+------------------+-------------------+------------------------------------------------------------------------------------------+----------------------------------------------------------------------+
316 |                  | OS crash (e.g. kernel panic)                                                                                              | Critical         | Zabbix            |                                                                                          | Switch to hot standby                                                |
317 +------------------+---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+------------------+-------------------+------------------------------------------------------------------------------------------+----------------------------------------------------------------------+
318 | Hypervisor       | System has restarted                                                                                                      | Critical         | Zabbix            |                                                                                          | Switch to hot standby                                                |
319 +                  +---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+------------------+-------------------+------------------------------------------------------------------------------------------+----------------------------------------------------------------------+
320 |                  | Hypervisor failure                                                                                                        | Warning/Critical | Zabbix/Ceilometer |                                                                                          | Evacuation/switch to hot standby                                     |
321 +                  +---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+------------------+-------------------+------------------------------------------------------------------------------------------+----------------------------------------------------------------------+
322 |                  | Zabbix/Ceilometer is unreachable                                                                                          | Warning          | ?                 |                                                                                          | Live migration                                                       |
323 +------------------+---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+------------------+-------------------+------------------------------------------------------------------------------------------+----------------------------------------------------------------------+
324 | Network          | SDN/OpenFlow switch, controller degraded/failed                                                                           | Critical         | ?                 |                                                                                          | Switch to hot standby or reconfigure virtual network topology        |
325 +                  +---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+------------------+-------------------+------------------------------------------------------------------------------------------+----------------------------------------------------------------------+
326 |                  | Hardware failure of physical switch/router                                                                                | Warning          | SNMP              | Redundancy of physical infrastructure is reduced or no longer available                  | Live migration if possible, otherwise evacuation                     |
327 +------------------+---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+------------------+-------------------+------------------------------------------------------------------------------------------+----------------------------------------------------------------------+
328
329 ..
330  vim: set tabstop=4 expandtab textwidth=80: