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Análise Multiparamétrica Análise Multiparamétrica do do Overhead Overhead de Redede Rede ememMáquinas VirtuaisMáquinas Virtuais
Flávio Urschei1, Éder José Pelegrini2, Márcio Augusto de Lima e Silva1, Edson Toshimi Midorikawa3, Tereza Cristina Melo de Brito Carvalho1
{furschei, carvalho, msilva}@larc.usp.br, {eder.pelegrini,edson.midorikawa}@poli.usp.br
1Laboratório de Arquitetura e Redes de Computadores2Laboratório de Linguagens e Técnicas Adaptativas3Laboratório de Arquitetura e Computação de Alto Desempenho
Departamento de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – São Paulo – Brasil
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AgendaIntroduçãoObjetivoMotivaçãoXENExperimentosResultadosConclusões
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IntroduçãoIntroduçãoMonitor de Máquinas Virtuais
(MMV) - camada de software que provê uma interface entre os recursos reais e as máquinas virtuais, fornecendo uma abstração de tais recursos para as mesmas.
MMV virtualiza a CPU, o sistema de gerenciamento de memória e o sistema de entrada/saída (E/S).
Maior overhead de virtualização: operações de E/S, em razão da complexidade dos protocolos de entrada e saída.
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Motivação
Barham, P., et al, Xen and the Art of Virtualization
Há poucos artigos que versam especificamente sobre desempenho de rede em máquinas virtuais, principalmente considerando múltiplos parâmetros.
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ObjetivoObjetivoO objetivo deste trabalho é avaliar
a influência do overhead introduzido pela camada de virtualização no desempenho de rede.
Complementar outros trabalhos por meio da análise multiparamétrica do desempenho de rede em ambientes virtualizados.
Os experimentos consideraram ambientes virtualizados pelo XEN.
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XENXENXEN é um monitor de máquinas virtuais
para plataforma x86.Utiliza a abordagem de
paravirtualização.XEN não emula dispositivos de hardware
existentes como é feito nos ambientes com virtualização completa.
Dados de entrada e saída são transferidos para (e de) cada domínio via XEN, por meio de memória compartilhada (shared-memory) e buffer-descriptor rings assíncronos
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7XEN – Anéis de XEN – Anéis de DescritoresDescritores
Um anel é uma fila circular de descritores (referente a um bulk data) alocadas por um domínio, mas acessadas internamente ao XEN.
Buffers de dados de E/S são indiretamente referenciados por estes descritores.
Baseado em dois pares de ponteiros produtor-consumidor. Função produtor/consumidor alternam-se entre XEN e o sistema operacional (SO) hóspede.
Uma vez tratado os descritores, os dados são copiados diretamente nos frames de páginas dos respectivos hóspedes/hospedeiro.
Chaveamento de E/S: Hypercall para o Hypervisor.
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XEN - RedeXEN - RedeHá dois anéis, um para transmissão e
outro para recepção.Para transmitir um pacote, o SO
hóspede enfileira um descritor de buffer no anel de transmissão.
O XEN copia o descritor e, por questões de segurança (safety), copia o cabeçalho do pacote e executa eventuais ações de filtragem de pacotes.
O payload do pacote não é copiado.Implementa uma Bridge virtual.
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XENEstrutura de rede virtual
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Experimentos (1)Experimentos (1)Métrica utilizada: Vazão da Rede
(Mbps)Fatores:
◦ MTU ◦ Tamanho do Buffer da Aplicação (Message Size) ◦ Tamanho do Buffer de Sistema (Socket Size ou
Window Size)Benchmark: NetperfIntervalo de confiança usado: 95%Dois computadores com igual
configuração ligados diretamente: Pentium D 3 GHz, 2GB de memória RAM, placa de rede gigabit.
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Experimentos (2)Experimentos (2)
Avaliar a influência do XEN hypervisor com uma máquina virtual (Xen1) na vazão da rede.
Xen13
Avaliar a influência do kernel modificado (Xen0) na vazão da rede em relação à primeira configuração.
Xen02
Medida de referência para a vazão da rede, em função dos 3 parâmetros considerados.
Linux Nativo
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ObjetivoMáquina 1
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Experimentos (3)Experimentos (3)Para cada uma das configurações
foram variados (2x7x8 medidas):◦MTU: 500 e 1500 bytes.◦Buffer do sistema: 4096, 8192, 16384,
65536, 114688, 131072 e 262144 bytes. ◦Buffer da aplicação: 512, 1024, 2048,
4096, 8192, 32768, 65536 e 1048576 bytes.
Resultados apresentados em termos de eficiência (vazão medida no experimento contra a vazão medida no Linux nativo).
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7Vazão Medidas Vazão Medidas (Comparativo)(Comparativo)
0100200300400500600700800900
1000
256 128 112 64 16 8 4
Vazão
(
Mbps)
Buffer de Sistema (KB)
Buffer de Aplicação 1MB - MTU 1500
Linux Xen0 Xen1
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Resultados (1)Resultados (1)O overhead de virtualização de rede
depende dos parâmetros de rede utilizados.
A alta eficiência do Xen0 deve-se ao fato de, apesar de utilizar uma estrutura virtual de rede (bridged), não utiliza o mecanismo de virtualização de E/S (anéis de descritores).
O aumento do overhead em função da diminuição do MTU deve-se ao fato de que cada descritor (do anel de descritores), representa uma menor quantidade de dados.
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Resultados (2)Resultados (2)Em relação aos buffers:A variação do tamanho do buffer de aplicação
e do buffer de sistema afeta a freqüência de troca de contextos entre o espaço de usuário e do sistema operacional hóspede.
Caso o buffer de sistema não seja múltiplo do MTU, existe queda de desempenho motivado pela existência de pacotes transmitidos (em uma determinada freqüência) menor que 1 MTU.
Por fim, existe uma queda de desempenho motivada pela operação de desfragmentação da fila de envio/recebimento de pacotes. ◦ Tipicamente, as posições da fila têm o espaço de 1
MTU. Entretanto, o Xen aloca um frame de memória – 4k – para pacotes recebidos e transmitidos, resultando em fragmentação interna.
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ConclusõesConclusõesA variação dos parâmetros de rede
influencia no overhead ocasionado pela camada de virtualização.
Determinados valores reduzem o overhead, aproximando o vazão da máquina virtual da vazão da máquina nativa.
Utilizar aplicações que exijam desempenho de rede em máquinas virtual requer um estudo a cerca dos parâmetros a serem usados.
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Trabalhos FuturosMonitorar outras variáveis de
sistema, como carga da CPU, número de faltas de página, etc.
Desempenho do protocolo UDPSuporte a virtualização: Intel VT /
AMD-VEstudo do KVM (Kernel Virtual
Machine)
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Departamento de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – São Paulo – Brasil
Contato: edson.midorikawa@poli.usp.br
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