Caches collaboratifs noyau adaptés aux environnements virtualisés

A kernel cooperative cache for virtualized environments

• Auteur / Autrice : Maxime Lorrillere
• Direction : Pierre Sens, Sébastien Monnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 04/02/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIP6 (1997-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Sopena, Edouard Bugnion, Gilles Muller, Étienne Rivière
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Morin, Vivien Quéma

Mots clés

Mots clés contrôlés

Linux (logiciels)

Systèmes virtuels (informatique)

Mots clés libres

Systèmes d'exploitation

Caches répartis

Virtualisation

Mémoire

Systèmes de fichiers

Linux

Operating system

Cooperative caching

Virtualization

Résumé

Avec l'avènement du cloud computing, la virtualisation est devenue aujourd'hui incontournable. Elle offre isolation et flexibilité, en revanche elle implique une fragmentation des ressources, et notamment de la mémoire. Les performances des applications qui effectuent beaucoup d'entrées/sorties (E/S) en sont particulièrement impactées. En effet, celles-ci reposent en grande partie sur la présence de mémoire libre, utilisée par le système pour faire du cache et ainsi accélérer les E/S. Ajuster dynamiquement les ressources d'une machine virtuelle devient donc un enjeu majeur. Dans cette thèse nous nous intéressons à ce problème, et nous proposons Puma, un cache réparti permettant de mutualiser la mémoire inutilisée des machines virtuelles pour améliorer les performances des applications qui effectuent beaucoup d'E/S. Contrairement aux solutions existantes, notre approche noyau permet à Puma de fonctionner avec les applications sans adaptation ni système de fichiers spécifique. Nous proposons plusieurs métriques, reposant sur des mécanismes existants du noyau Linux, qui permettent de définir le niveau d'activité « cache » du système. Ces métriques sont utilisées par Puma pour automatiser le niveau de contribution d'un noeud au cache réparti. Nos évaluations de Puma montrent qu'il est capable d'améliorer significativement les performances d'applications qui effectuent beaucoup d'E/S et de s'adapter dynamiquement afin de ne pas dégrader leurs performances.

With the advent of cloud architectures, virtualization has become a key mechanism for ensuring isolation and flexibility. However, a drawback of using virtual machines (VMs) is the fragmentation of physical resources. As operating systems leverage free memory for I/O caching, memory fragmentation is particularly problematic for I/O-intensive applications, which suffer a significant performance drop. In this context, providing the ability to dynamically adjust the resources allocated among the VMs is a primary concern.To address this issue, this thesis proposes a distributed cache mechanism called Puma. Puma pools together the free memory left unused by VMs: it enables a VM to entrust clean page-cache pages to other VMs. Puma extends the Linux kernel page cache, and thus remains transparent, to both applications and the rest of the operating system. Puma adjusts itself dynamically to the caching activity of a VM, which Puma evaluates by means of metrics derived from existing Linux kernel memory management mechanisms. Our experiments show that Puma significantly improves the performance of I/O-intensive applications and that it adapts well to dynamically changing conditions.