클라우드 컴퓨팅 서버에서의 I/O 가상화 성능 최적화 연구

Abstract

클라우드 데이터센터 내 각 서버는 다수의 사용자 간 자원 분배와 보안을 효율적으로 수행하기 위해 가상화 기법을 도입하였다. 이러한 시스템 가상화는 하드웨어부터 운영체제, 응용에 이르기까지 시스템 전반을 가상화하여 게스트 시스템을 구성한다. 이 게스트 시스템의 가상화된 OS 즉, 게스트 OS는 I/O 작업을 수행하기 위해서 별도의 에뮬레이터를 필요로 한다. 그러나 이 에뮬레이터의 수행 오버헤드가 크기 때문에 게스트 OS의 I/O 성능이 호스트 OS의 I/O 성능에 비해 현저히 낮다. 따라서, 본 논문에서는 메모리, NIC (Network Interface Card), 디스크의 세 하드웨어에 대한 I/O 가상화 기법을 소개하고 I/O 성능 최적화를 위한 기존 방안들을 분석한다. 그리고 본 논문의 목적인 클라우드 서버의 I/O 가상화 성능 최적화를 위해 클라우드 서버가 갖는 요구 사항들을 정리한다. 그 결과 우리가 찾는 최적화 방안은 최소한의 하드웨어 변경을 요구하고, 낮은 CPU 점유율을 가지며, 멀티코어 시스템에 대한 확장성을 보장하고, 가상 머신 개수의 동적 변화에 대처할 수 있어야 한다는 것을 알았다. 그리고 이 요구 사항들을 모두 만족하는 최적화 방안을 찾고 대상 시스템에서 실험을 통해 검증한다. 검증한 최적화 방안은 커널 모드 NIC 에뮬레이션과 호스트 페이지 캐시의 write-back 정책의 두 가지 기법이다. 실험 결과, 커널 모드 NIC 에뮬레이션은 이전 네트워크 가상화 성능을 송수신 트래픽의 경우 각각 89%, 30% 만큼 향상시켰고, 호스트 페이지 캐시의 write-back 정책은 이전 디스크 가상화 성능을 write 접근 속도만 22% 만큼 향상시켰다.

A cloud server, in the cloud data center, adopts virtualization technique for effectively performing resource allocation and security among multiple clients. The system virtualization technique builds guest system by providing virtualized hardware, operating system, and user application. Guest OS which is virtualized OS of the guest system needs hardware emulator for I/O operations. But, because execution overhead of the I/O emulator is considerable, the guest OS has lower I/O performance than host OS's I/O performance. Therefore, this paper introduces the concept of I/O virtualization technique about memory, NIC (Network Interface Card), and disk, and analyzes existing approaches for optimizing I/O performance of the virtualized hardwares. Then, we defines target cloud server's system architecture and requirements that the cloud server needs for optimizing I/O virtualization performance. The requirements show that the existing approaches should meet the minimum modification of the hardware, low CPU utilization, the scalability for multi-core system, and the ability which can cope with dynamic rearrangement of virtual machines. So, the paper finds the target approaches which satisfy the whole requirements among the existing ones and verifies them by some experiments in the target server. There are two target approaches, kernel mode NIC emulation and write-back policy of host's page cache. From the experiments, we knew that kernel mode NIC emulation increases Tx/Rx network performance of the guest system, which used user mode NIC emulation, upto 89% and 30% each. Also, write-back policy of hosts page cache makes write disk I/O performance of the guest system 22% better than before.