[論文レビュー] IRQ Coloring: Mitigating Interrupt-Generated Interference on ARM Multicore Platforms

Ralf Ramsauer, Jan Kiszka+7 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2017

Real-Time Systems Scheduling参考文献 12被引用数 54

ひとこと要約

この論文では、ARMおよびx86マルチコアプラットフォーム上で静的ハードウェアパーティショニングを可能にする、最小限でオープンソースのLinuxベース仮想化ソフトウェア「Jailhouse」を提示する。Linuxがハードウェアを初期化した後、仮想化ソフトウェアのアクティベートを延期することで実現される。パラバーティションやスケジューリングを経由せずに物理リソースを隔離されたゲストドメインに直接割り当てることで、仮想化ソフトウェアのオーバーヘッドをほぼゼロに抑え、リアルタイムワークロードが決定論的で低遅延の割り込み処理（平均810ns、最大約5µs）を実現する。非重要部品については、完全なLinux互換性を維持する。

ABSTRACT

Mixed-criticality systems, which consolidate workloads with different criticalities, must comply with stringent spatial and temporal isolation requirements imposed by safety-critical standards (e.g., ISO26262). This, per se, has proven to be a challenge with the advent of multicore platforms due to the inner interference created by multiple subsystems while disputing access to shared resources. With this work, we pioneer the concept of Interrupt (IRQ) coloring as a novel mechanism to minimize the interference created by co-existing interrupt-driven workloads. The main idea consists of selectively deactivating specific ("colored") interrupts if the QoS of critical workloads (e.g., Virtual Machines) drops below a well-defined threshold. The IRQ Coloring approach encompasses two artifacts, i.e., the IRQ Coloring Design-Time Tool (IRQ DTT) and the IRQ Coloring Run-Time Mechanism (IRQ RTM). In this paper, we focus on presenting the conceptual IRQ coloring design, describing the first prototype of the IRQ RTM on Bao hypervisor, and providing initial evidence about the effectiveness of the proposed approach on a synthetic use case.

研究の動機と目的

• 組み込みシステムにおける安全上の重要なワークロードと非重要ワークロードを共有ハードウェア上で統合する課題に対処すること。
• スケジューリング、仮想CPU、パラバーティションを回避することで、仮想化ソフトウェアの複雑さと認証の負荷を低減すること。
• 変更のないレガシーアプリケーションを最小限のパフォーマンスオーバーヘッドで、隔離されたリアルタイムクリティカルドメインで実行可能にする。
• 現代のマルチコアプラットフォーム上で、直接的ハードウェア割り当てと延期された仮想化ソフトウェアアクティベートを組み合わせることで、決定論的なリアルタイム動作を達成できることを実証すること。

提案手法

• Linuxが完全に起動した後、カーネルモジュールを介してJailhouse仮想化ソフトウェアをアクティベートし、Linuxをルートセルゲストに変換すること。
• ハードウェア仮想化拡張機能（例：ARM MMU、x86 VMX）を用いて、各ゲストドメインに隔離され、重複しない物理メモリおよびI/O領域を確立すること。
• デバイスエミュレーションやパラバーティションドライバの必要性を排除するため、ゲストに直接ハードウェアを割り当てること。
• 仮想化ソフトウェアのアクティベートを延期することで、Linuxの広範なハードウェア初期化およびドライバサポートを活用し、パーティショニングの前段階で活用すること。
• コア部分の仮想化ソフトウェアコードを3.4k SLOC未満に最小限に抑える。構成および監視のための最小限の管理ハイパーコールのみを実装する。
• スケジューリングや仮想CPU管理を回避する非スケジューリング・非仮想化アーキテクチャを採用し、コンテキストスイッチやスケジューリングのオーバーヘッドを排除。隔離と割り込みルーティングにのみ焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パラバーティションなしで、非スケジューリングの最小限の仮想化ソフトウェアが、現代のマルチコアプラットフォーム上でリアルタイムの決定論的動作を達成できるか？
• RQ2 延期された仮想化ソフトウェアアクティベートが、システムの初期化およびリアルタイムパフォーマンスに与える影響は何か？
• RQ3 最小限の仮想化ソフトウェアが、混合クリティカルティ環境で実際にどの程度の割り込み遅延オーバーヘッドを引き起こすか？
• RQ4 変更のないLinuxおよびレガシーアプリケーションが、隔離されたドメインでリアルタイムワークロードと共存できる範囲はどの程度か？
• RQ5 直接的ハードウェア割り当てにより、複雑な仮想化レイヤーの必要性を排除しつつ、強固な隔離性とパフォーマンス保証を達成できるか？

主な発見

• Jailhouse環境における平均割り込み遅延は約810nsであり、分散が小さく、高い決定論的動作を示している。
• 割り込み遅延の外れ値は、周囲のゲストドメインとの共有システムバスの競合により、最大でほぼ5µsに達する。
• 仮想化ソフトウェアが引き起こす割り込み遅延は、割り込み頻度に大きく依存せず、周囲のゲストドメインの利用度に依存する（バス競合による）。
• 仮想化ソフトウェアコアは、すべての対応アーキテクチャで3.4k SLOC未満であり、攻撃面積と認証負荷を顕著に低減している。
• このアプローチにより、変更のないLinuxおよびレガシーアプリケーションが、最小限のパフォーマンスオーバーヘッドで、隔離された非重要ドメインで実行可能である。
• スケジューリングや仮想CPU管理を回避することで、高コストなコンテキストスイッチを排除し、リアルタイム動作の単純化が図られている。