[논문 리뷰] On Horizontal Decomposition of the Operating System.

Gang Lü, Jianfeng Zhan외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 05.

Cloud Computing and Resource Management참고 문헌 56인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 운영체제를 물리적 자원을 관리하는 수퍼바이저와 애플리케이션 워크로드를 위한 다수의 독립적인 서브OS 인스턴스로 분해하는 수평적 OS 모델을 제안한다. RainForest는 첫 번째 구현체로, 서브OS의 생성, 파괴, 크기 조정을 빠르게 지원하며, 수정되지 않은 리눅스 바이너리와 호환되며, 여섯 가지 벤치마크에서 리눅스, LXC, XEN을 모두 앞서는 성능을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 증가하는 다수의 코어 스케일과 워크로드 다양성을 가진 현대의 서버 컴퓨팅 워크로드를 다루는 데에 기존 운영체제 추상화의 한계를 해결하기 위해.
• 기존 운영체제 설계에서 자원 제공자와 사용자 간의 명시적 분리가 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 새로운 운영체제 분해 모델을 통해 다양한 워크로드에 대해 동적이고 세밀한 자원 할당 및 격리 기능을 제공하기 위해.
• 다중 테넌트 환경에서 높은 성능과 격리를 달성하면서도 수정되지 않은 리눅스 애플리케이션 바이너리 지원을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 서브OS 추상화 도입: 물리적 자원을 소유하고 관리하는 독립적인 운영체제 인스턴스로, 자원을 독립적으로 생성, 파괴, 크기 조정할 수 있음.
• 운영체제를 수평적으로 분해하여, 서브OS들에게 자원을 탐지, 모니터링, 할당하는 책임을 지닌 수퍼바이저를 담당하게 함.
• 기본적으로 서브OS 간 상태 격리를 통해 강력한 격리성과 보안성을 확보하면서도, 필요에 따라 상태 공유를 즉시 활성화할 수 있도록 설계함.
• 기존 리눅스 커널 구성 요소를 활용하여 수정되지 않은 리눅스 바이너리 지원을 가능하게 하는 첫 번째 실현 프로토타입인 RainForest를 구현함.
• 경량 가상화 기법을 사용하여 오버헤드를 최소화하고 서브OS 수명 주기 운영을 빠르게 구현함.
• 데이터센터 환경에서의 동적 워크로드 스케일링과 효율적인 자원 활용을 지원하도록 시스템 설계함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현대의 다수 코어 서버 환경에서 자원 제공자와 자원 사용자를 명시적으로 분리할 수 있는 운영체제 재설계 방법은 무엇인가?
• RQ2 다양한 워크로드를 위한 격리된 실행 환경을 효율적이고 동적, 안전하게 생성 및 관리할 수 있는 추상화 및 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 수평적으로 분해된 운영체제 모델이 기존의 가상화 및 컨테이너 솔루션보다 더 뛰어난 성능과 자원 활용도를 달성할 수 있는가?
• RQ4 수정되지 않은 리눅스 애플리케이션은 제안된 서브OS 추상화 내에서 얼마나 효율적으로 실행될 수 있는가?
• RQ5 격리성이나 성능을 해치지 않으면서 서브OS 간 상태 공유는 어떻게 처리할 수 있는가?

주요 결과

• RainForest는 여섯 가지 벤치마크 세트에서 세 가지 다른 커널을 사용해 리눅스를 초월하며, 다양한 워크로드에서 뚜렷한 성능 향상을 입증함.
• 특히 높은 워크로드 다양성과 다수 코어 스케일링 환경에서 LXC와 XEN 대비 더 나은 자원 활용도와 낮은 오버헤드를 달성함.
• 수정되지 않은 리눅스 애플리케이션 바이너리가 서브OS 인스턴스 내에서 효율적으로 실행되며, 이는 접근법의 실용성과 역호환성의 확립을 확인함.
• 수평적 분해 덕분에 서브OS 수명 주기 운영이 매우 빠르게 이루어져 동적 스케일링과 워크로드 탄력성 지원이 가능함.
• 필요 시 상태 공유가 최소한의 성능 영향으로 가능하며, 격리성 손상 없이도 유연성을 확보함.
• 수퍼바이저 컴ponent는 자원 탐지, 모니터링, 할당을 효과적으로 관리하여 다수의 서브OS 인스턴스 간 효율적 할당을 보장함.