[论文解读] A Survey of Virtualization Techniques Focusing on Secure On-Demand Cluster Computing

Nadir Kiyanclar|ArXiv.org|Nov 2, 2005

Cloud Computing and Resource Management参考文献 27被引用 10

一句话总结

本文综述了用于安全按需集群计算的虚拟化技术，基于安全性、性能和可移植性对Xen、VMware ESX Server、Linux-VServer等系统进行了评估。研究结论认为，由于Xen具备开源特性、优异的性能以及在通用硬件上的有效隔离机制，因此是按需安全集群计算项目（On-Demand Secure Cluster Computing project）的最优选择。

ABSTRACT

Virtualization, a technique once used to multiplex the resources of high-priced mainframe hardware, is seeing a resurgence in applicability with the increasing computing power of commodity computers. By inserting a layer of software between the machine and traditional operating systems, this technology allows access to a shared computing medium in a manner that is secure, resource-controlled, and efficient. These properties are attractive in the field of on-demand computing, where the fine-grained subdivision of resources provided by virtualized systems allows potentially higher utilization of computing resources. It this work, we survey a number of virtual machine systems with the goal of finding an appropriate candidate to serve as the basis for the On-Demand Secure Cluster Computing project at the National Center for Supercomputing Applications. Contenders are reviewed on a number of desirable properties including portability and security. We conclude with a comparison and justification of our choice.

研究动机与目标

• 确定适用于美国国家超级计算应用中心（National Center for Supercomputing Applications）按需安全集群计算（On-Demand Secure Cluster Computing, ODSCC）项目的合适虚拟化平台。
• 基于安全性、性能、可移植性和硬件支持等关键标准，评估虚拟机监视器（VMMs）。
• 比较托管型（hosted）与裸金属型（bare-metal）虚拟化系统，以确定其在基于通用硬件的按需计算基础设施中的适用性。
• 为未来ODSCC系统开发中选择Xen作为首选虚拟化技术提供依据。

提出的方法

• 调研了多种虚拟化系统，包括VMware ESX Server、Xen、Linux-VServer、用户模式Linux（User-Mode Linux, UML）、Denali、Disco以及Cellular Disco。
• 根据性能、安全隔离、资源控制、硬件支持以及客户操作系统（guest OS）端口的可用性等标准对系统进行评估。
• 通过已发表的基准测试数据和系统设计原理分析性能特征，尤其关注系统调用开销和CPU效率。
• 评估客户操作系统修改的可行性，优先选择对Linux和Unix变体提供稳定、公开可用端口的系统。
• 比较托管型与裸金属型虚拟化，重点关注各自的性能与管理权衡。
• 对虚拟机监视器（VMM）进行对比分析，以确定其在安全、可扩展的按需集群计算中的适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪种虚拟化技术能在通用硬件上为按需集群计算提供性能、安全性与可移植性之间的最佳平衡？
• RQ2 与Xen和VMware ESX Server等裸金属系统相比，VMware Workstation和UML等托管型虚拟化系统在资源效率和隔离性方面有何差异？
• RQ3 对客户操作系统进行修改的实际影响是什么？这些修改如何影响系统的部署与维护？
• RQ4 硬件支持能力与I/O虚拟化功能如何影响虚拟化平台的可扩展性与可维护性？
• RQ5 使用VMware ESX Server等专有虚拟化解决方案与Xen等开源替代方案相比，其成本与许可条款有何影响？

主要发现

• Xen因其出色的性能、开源许可以及对Linux和Unix客户操作系统的成熟支持，被选定为ODSCC项目的最优虚拟化平台。
• VMware ESX Server在性能上优于托管版VMware产品，但由于许可限制，缺乏公开的性能数据，导致独立基准测试无法进行。
• Linux-VServer提供了强大的安全隔离机制，已在PlanetLab中应用，但缺乏原生的磁盘资源隔离，且需对应用程序进行修改才能利用资源控制功能。
• User-Mode Linux（UML）可实现接近原生的CPU性能，但因系统调用开销，在I/O密集型工作负载中性能显著下降。
• Denali在高客户机密度方面展现出潜力，但需要直接访问硬件，导致其可移植性降低，且相比Xen，维护复杂度更高。
• 综上，本调研认为Xen在性能、开源可用性以及稳定客户内核端口方面的综合优势，使其成为在通用硬件上实现安全、可扩展按需集群计算的最可行方案。