[論文レビュー] A Generic Checkpoint-Restart Mechanism for Virtual Machines

Rohan Garg, Komal Sodha+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2012

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ひとこと要約

本稿では、DMTCPをプラグインベースの外部チェックポイント再起動フレームワークとして用いることで、仮想マシン用の汎用的チェックポイント再起動メカニズムを提示する。フォークドチェックポイントとmmapベースの再起動により、0.2秒という高速で一貫性のあるスナップショットを実現し、コードオーバーヘッドは最小限（KVM/QEMU用に200行、Lguest用に40行）であり、VM や DMTCP の変更なしに動作し、ユーザースペースQEMU、KVM/QEMU、Lguestのすべてと互換性を示した。

ABSTRACT

It is common today to deploy complex software inside a virtual machine (VM). Snapshots provide rapid deployment, migration between hosts, dependability (fault tolerance), and security (insulating a guest VM from the host). Yet, for each virtual machine, the code for snapshots is laboriously developed on a per-VM basis. This work demonstrates a generic checkpoint-restart mechanism for virtual machines. The mechanism is based on a plugin on top of an unmodified user-space checkpoint-restart package, DMTCP. Checkpoint-restart is demonstrated for three virtual machines: Lguest, user-space QEMU, and KVM/QEMU. The plugins for Lguest and KVM/QEMU require just 200 lines of code. The Lguest kernel driver API is augmented by 40 lines of code. DMTCP checkpoints user-space QEMU without any new code. KVM/QEMU, user-space QEMU, and DMTCP need no modification. The design benefits from other DMTCP features and plugins. Experiments demonstrate checkpoint and restart in 0.2 seconds using forked checkpointing, mmap-based fast-restart, and incremental Btrfs-based snapshots.

研究の動機と目的

• VM固有の手作業によるチェックポイントソリューションの必要性をなくし、汎用的で再利用可能なメカニズムを提供すること。
• 外部のユーザースペースチェックポイントパッケージ（DMTCP）を用いて、仮想マシンの高速かつ一貫性のあるスナップショットを実現すること。
• パラバーチャライズド（Lguest）、フルバーチャライズド（KVM/QEMU）、ユーザースペース（QEMU）といった多様な仮想化タイプを、最小限のコード変更でサポートすること。
• DMTCPの既存機能を活用して、フォークドチェックポイントやインクリメンタルスナップショットといった高度なチェックポイント機能を透明に継承すること。
• 新しい仮想マシンにチェックポイント機能を追加する際の開発作業を軽減すること。開発工数は、カーネルドライバAPIの可用性に応じて5〜10人日程度を推定。

提案手法

• チェックポイントのコアエンジンとして、ユーザースペースで動作し、透過的なチェックポイント再起動パッケージであるDMTCPを活用する。
• VM固有のカーネルドライバ（例：KVM、Lguest）との状態転送を実現するために、DMTCPプラグインを用いる。
• チェックポイント画像のインクリメンタルかつ高速なスナップショットを実現するために、コピーオンライト（Copy-on-Write）ファイルシステムBtrfsを採用する。
• フォークドチェックポイントを適用：親プロセスが実行を継続する一方で、子プロセスがチェックポイントを実行する。
• チェックポイントされたメモリ画像から効率的にVM状態を復元するため、mmapベースの高速再起動を採用する。
• ユーザースペースQEMUの場合、カーネルドライバ通信が存在しないため、DMTCPが直接チェックポイントを実行し、追加のコードやプラグインが不要である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VM やチェックポイントフレームワークを変更せずに、仮想マシン用の汎用的チェックポイント再起動メカニズムを構築可能か？
• RQ2 外部チェックポイントパッケージを用いて、新しい仮想マシンにチェックポイント機能を追加する際の最小限のコードオーバーヘッドはどの程度か？
• RQ3 このメカニズムは、さまざまな仮想化タイプにおいて、どれほど効率的に高速で一貫性のあるスナップショットを実現できるか？
• RQ4 フォークドチェックポイントやインクリメンタルスナップショットといった高度な機能が、下位のチェックポイントシステムの機能を透明に継承できるか？
• RQ5 実際のワークロードを実行した際の、このメカニズムのパフォーマンスオーバーヘッドはどの程度か？

主な発見

• フォークドチェックポイントとmmapベースの高速再起動を組み合わせ、Btrfs上で0.2秒のチェックポイントおよび再起動時間を達成した。
• nbench2ベンチマークを実行した際のメカニズムのランタイムオーバーヘッドは測定不能なほど小さく、ほぼゼロのパフォーマンス影響であることが示された。
• ユーザースペースQEMUは、カーネルドライバコンponentが存在しないため、DMTCPが追加のコードやプラグインなしに直接チェックポイントを実行できる。
• KVM/QEMUとLguestは、それぞれ200行および40行のコードでプラグインおよびカーネルドライバ拡張が可能であり、効率的な状態転送が実現された。
• 完全なカーネルドライバAPIが利用可能であれば、新しいVMにチェックポイント機能を追加する開発工数は5人日程度、そうでなければ10人日程度と推定された。
• 本アプローチは、異種および分散チェックポイントをサポートしており、VMクラスターやボトムプロセスの整合性のあるスナップショットを可能にした。