Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 1 Análise Multiparamétrica do Overhead.

Apresentação em tema: "Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 1 Análise Multiparamétrica do Overhead."— Transcrição da apresentação:

1 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 1 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais Flávio Urschei 1, Éder José Pelegrini 2, Márcio Augusto de Lima e Silva 1, Edson Toshimi Midorikawa 3, Tereza Cristina Melo de Brito Carvalho 1 {furschei, carvalho, msilva}@larc.usp.br, {eder.pelegrini,edson.midorikawa}@poli.usp.br 1 Laboratório de Arquitetura e Redes de Computadores 2 Laboratório de Linguagens e Técnicas Adaptativas 3 Laboratório 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

2 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 2 Agenda Introdução Objetivo Motivação XEN Experimentos Resultados Conclusões

3 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 3 Introdução Monitor 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.

4 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 4 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.

5 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 5 Objetivo O 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.

6 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 6 XEN XEN 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

7 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 7 XEN – Anéis de Descritores 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.

8 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 8 XEN - Rede Há 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.

9 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 9 XEN Estrutura de rede virtual

10 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 10 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: Netperf Intervalo de confiança usado: 95% Dois computadores com igual configuração ligados diretamente: Pentium D 3 GHz, 2GB de memória RAM, placa de rede gigabit.

11 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 11 Experimentos (2) Avaliar a influência do XEN hypervisor com uma máquina virtual (Xen1) na vazão da rede. Xen1 3 Avaliar a influência do kernel modificado (Xen0) na vazão da rede em relação à primeira configuração. Xen0 2 Medida de referência para a vazão da rede, em função dos 3 parâmetros considerados. Linux Nativo 1 ObjetivoMáquina 1

12 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 12 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).

13 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 13 Eficiência XEN Dom0/MTU 500

14 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 14 Eficiência XEN Dom0/MTU 1500

15 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 15 Eficiência XEN Dom1/MTU 500

16 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 16 Eficiência XEN Dom1/MTU 1500

17 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 17 Vazão Medidas (Comparativo)

18 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 18 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.

19 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 19 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.

20 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 20 Conclusões A 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.

21 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 21 Trabalhos Futuros Monitorar outras variáveis de sistema, como carga da CPU, número de faltas de página, etc. Desempenho do protocolo UDP Suporte a virtualização: Intel VT / AMD-V Estudo do KVM (Kernel Virtual Machine)

22 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais WSO 2007 – Rio de Janeiro/RJ – 4 e 5 de julho de 2007 22 Análise Multiparamétrica do Overhead de Rede em Máquinas Virtuais Flávio Urschei 1, Éder José Pelegrini 2, Márcio Augusto de Lima e Silva 1, Edson Toshimi Midorikawa 3, Tereza Cristina Melo de Brito Carvalho 1 Departamento de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – São Paulo – Brasil Contato: edson.midorikawa@poli.usp.br