[論文レビュー] On Horizontal Decomposition of the Operating System.

Gang Lü, Jianfeng Zhan+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2016

Cloud Computing and Resource Management参考文献 56被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、物理リソースを管理するスーパvisorと、アプリケーションワークロード用の複数の独立したサブOSインスタンスにオペレーティングシステムを分解する水平OSモデルを提案する。RainForestは、最初の実装であり、サブOSの迅速な作成・破棄・リサイズを可能にし、変更のないLinuxバイナリをサポートし、6つのベンチマークでLinux、LXC、XENを上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

As previous OS abstractions and structures fail to explicitly consider the separation between resource users and providers, the shift toward server-side computing poses serious challenges to OS structures, which is aggravated by the increasing many-core scale and workload diversity. This paper presents the horizontal OS model. We propose a new OS abstraction, subOS, an independent OS instance owning physical resources that can be created, destroyed, and resized swiftly. We horizontally decompose the OS into the supervisor for the resource provider and several subOSes for resource users. The supervisor discovers, monitors, and provisions resources for subOSes, while each subOS independently runs applications. We confine state sharing among subOSes, but allow on-demand state sharing if necessary. We present the first implementation, RainForest, which supports unmodified Linux applications binaries. Our comprehensive evaluations using six benchmark suites quantitatively show RainForest outperforms Linux with three different kernels, LXC, and XEN. The RainForest source code is soon available.

研究の動機と目的

• 多数コア化が進む現代のサーバーサイドコンピューティングワークロードと、ワークロードの多様性が増す状況において、従来のOS抽象化の限界を解消すること。
• 既存のOS設計におけるリソースプロバイダーとリソースユーザーの明確な分離の欠如を克服すること。
• 新しいOS分解モデルを通じて、多様なワークロードに対して動的で細粒度のリソースプロビジョニングと隔離を実現すること。
• マルチテナント環境で高いパフォーマンスと隔離を達成しつつ、変更のないLinuxアプリケーションバイナリをサポートすること。

提案手法

• サブOS抽象化の導入：物理リソースを所有・管理する独立したOSインスタンスで、作成・破棄・リサイズが独立して可能である。
• OSを水平に分解し、サブOSにリソースを発見・監視・プロビジョニングする責任を負うスーパvisorを設ける。
• デフォルトでサブOS間の状態を隔離することで、強固な隔離性とセキュリティを確保しつつ、必要に応じてオンデマンドで状態共有を可能にする。
• 変更のないLinuxバイナリをサポートするため、既存のLinuxカーネルコンponentsを活用した最初の実装であるRainForestを実装する。
• 軽量な仮想化技術を用いてオーバーヘッドを最小限に抑え、サブOSのライフサイクル操作を高速化する。
• データセンタ環境における動的ワークロードスケーリングと効率的なリソース利用を可能にするようにシステムを設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現代の多数コアサーバ環境において、リソースプロバイダーとリソースユーザーを明示的に分離できるようにOSを再設計するにはどうすればよいか？
• RQ2 多様なワークロード向けに、効率的で動的かつ安全な隔離実行環境の作成・管理を可能にする抽象化とメカニズムは何か？
• RQ3 水平に分解されたOSモデルは、既存の仮想化およびコンテナ化ソリューションよりも優れたパフォーマンスとリソース利用効率を達成できるか？
• RQ4 変更のないLinuxアプリケーションが、提案されたサブOS抽象化内でどれほど効率的に実行できるか？
• RQ5 隔離性やパフォーマンスを損なわずに、サブOS間の状態共有はどの程度可能か？

主な発見

• RainForestは、6つのベンチマークスイートで3種類の異なるカーネルを用いてLinuxを上回り、多様なワークロードにおいて顕著なパフォーマンス向上を示した。
• 特にワークロードの多様性が高く、多数コアにスケーリングする状況下において、LXC や XEN と比較してより優れたリソース利用効率と低いオーバーヘッドを達成した。
• 変更のないLinuxアプリケーションバイナリがサブOSインスタンス内で効率的に実行可能であり、本アプローチの実用性と後方互換性を確認した。
• 水平的分解により、サブOSのライフサイクル操作が迅速に行えるようになり、動的スケーリングとワークロードの弾力性を支援した。
• 最小限のパフォーマンス影響で、オンデマンドでのサブOS間の状態共有が可能であり、隔離性を損なわず柔軟性を実現した。
• スーパvisorコンponentは、リソース発見・監視・プロビジョニングを効果的に行い、複数のサブOSインスタンス間での効率的割り当てを保証した。