[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了水平操作系统（OS）模型，将操作系统分解为一个负责管理物理资源的监督者（supervisor）和多个用于应用程序工作负载的独立子OS实例。RainForest是首个实现，支持子OS的快速创建、销毁和动态调整大小，兼容未经修改的Linux二进制文件，并在六个基准测试中优于Linux、LXC和XEN。

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.

研究动机与目标

• 解决传统操作系统抽象在处理日益增长的多核规模和工作负载多样性时的局限性。
• 克服现有操作系统设计中资源提供者与用户之间缺乏显式分离的问题。
• 通过一种新型的操作系统分解模型，实现对多样化工作负载的动态、细粒度资源分配与隔离。
• 在多租户环境中支持未经修改的Linux应用程序二进制文件，同时实现高性能与强隔离。

提出的方法

• 引入子OS抽象：一个独立的操作系统实例，拥有并管理物理资源，可独立创建、销毁和调整大小。
• 将操作系统水平分解为一个监督者，负责发现、监控并为子OS实例分配资源。
• 默认情况下隔离子OS之间的状态，以确保强隔离性和安全性，同时在需要时支持按需状态共享。
• 实现RainForest作为首个工作原型，复用现有的Linux内核组件，以支持未经修改的Linux二进制文件。
• 采用轻量级虚拟化技术以最小化开销，并支持子OS的快速生命周期操作。
• 设计系统以支持数据中心环境中工作负载的动态扩展和高效资源利用。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何重新设计操作系统，以在现代多核服务器环境中显式分离资源提供者与资源使用者？
• RQ2 哪些抽象和机制能够实现对多样化工作负载的高效、动态且安全的隔离执行环境的创建与管理？
• RQ3 水平分解的操作系统模型是否能在性能和资源利用率方面优于现有的虚拟化和容器化解决方案？
• RQ4 未经修改的Linux应用程序在所提出的子OS抽象中能够以多大程度高效运行？
• RQ5 系统如何在不损害隔离性或性能的前提下，实现子OS之间的状态共享？

主要发现

• RainForest在六个基准测试套件中，相较于使用三种不同内核的Linux，均表现出显著的性能提升，证明了其在多样化工作负载下的优越性能。
• 与LXC和XEN相比，该系统实现了更高的资源利用率和更低的开销，尤其在工作负载多样性高且多核扩展性强的场景下表现更优。
• 未经修改的Linux应用程序二进制文件可在子OS实例中高效运行，证实了该方法的实用性与向后兼容性。
• 水平分解支持子OS的快速生命周期操作，实现了动态扩展和工作负载弹性。
• 按需在子OS之间共享状态是可行的，且性能影响极小，实现了灵活性而不牺牲隔离性。
• 监督者组件有效管理了资源发现、监控与分配，确保了在多个子OS实例间高效分配资源。