Virtualisation des composants micro-architecturaux en utilisant des solutions logiciels

Virtualization of micro-architectural components using software solutions

• Auteur / Autrice : Vo Quoc Bao Bui
• Direction : Daniel Hagimont, Alain Bouzaïde Tchana
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, Télécommunications, Systèmes et Architecture
• Date : Soutenance le 29/09/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Huet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Hagimont, Alain Bouzaïde Tchana, Fabienne Boyer, Jalil Boukhobza
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabienne Boyer, Jalil Boukhobza

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes virtuels (informatique)

iCloud (informatique)

Mots clés libres

Virtualisation

Cache de processeur

NUMA

Gestion de ressources

Virtualization

CPU cache

NUMA

Resource management

Résumé

Le cloud computing est devenu un paradigme dominant dans l'industrie informatique en raison de sa flexibilité et de son efficacité dans le partage et la gestion des ressources. La technologie clé qui permet le cloud computing est la virtualisation. L'isolation et la prédictibilité de performance sont des exigences essentielles d'un système virtualisé où plusieurs machines virtuelles (MVs) s'exécutent sur une même machine physique. Pour mettre en œuvre ces propriétés, le logiciel de virtualisation (appelé l'hyperviseur) doit trouver un moyen de diviser les ressources physiques (par exemple, la mémoire physique, le temps processeur) du système et de les allouer aux MVs en fonction de la quantité de ressources virtuelles définies pour chaque MV. Cependant, les machines modernes ont des architectures complexes et certaines ressources de niveau microarchitectural telles que les caches de processeur, les contrôleurs de mémoire, les interconnexions ne peuvent pas être divisées et allouées aux MVs. Elles sont partagées globalement entre toutes les MVs qui rivalisent pour leur utilisation, ce qui conduit à la contention. Par conséquent, l'isolation et la prédictibilité de performance sont compromises. Dans cette thèse, nous proposons des solutions logicielles pour prevenir la non-prédictibilité des performances due aux composants micro-architecturaux. La première contribution s'appelle Kyoto, une solution pour le problème de contention du cache, inspirée du principe pollueur-payeur. Une MV est pollueuse si elle provoque des remplacements importants de lignes de cache qui ont un impact sur la performance des autres MVs. Désormais, en utilisant le système Kyoto, le fournisseur peut encourager les utilisateurs du cloud à réserver des permis de pollution pour leurs MVs. La deuxième contribution aborde le problème de la virtualisation efficace des machines NUMA. Le défi majeur vient du fait que l'hyperviseur reconfigure régulièrement le placement d'une MV sur la topologie NUMA. Cependant, ni les systèmes d'exploitation (OSs) invités ni les librairies de l'environnement d'exécution (par exemple, HotSpot) ne sont conçus pour prendre en compte les changements de topologie NUMA pendant leur exécution, conduisant les applications de l'utilisateur final à des performances imprévisibles. Nous présentons eXtended Para-Virtualization (XPV), un nouveau principe pour virtualiser efficacement une architecture NUMA. XPV consiste à revisiter l'interface entre l'hyperviseur et l'OS invité, et entre l'OS invité et les librairies de l'environnement d'exécution afin qu'ils puissent prendre en compte de manière dynamique les changements de topologie NUMA

Cloud computing has become a dominant computing paradigm in the information technology industry due to its flexibility and efficiency in resource sharing and management. The key technology that enables cloud computing is virtualization. Essential requirements in a virtualized system where several virtual machines (VMs) run on a same physical machine include performance isolation and predictability. To enforce these properties, the virtualization software (called the hypervisor) must find a way to divide physical resources (e.g., physical memory, processor time) of the system and allocate them to VMs with respect to the amount of virtual resources defined for each VM. However, modern hardware have complex architectures and some microarchitectural-level resources such as processor caches, memory controllers, interconnects cannot be divided and allocated to VMs. They are globally shared among all VMs which compete for their use, leading to contention. Therefore, performance isolation and predictability are compromised. In this thesis, we propose software solutions for preventing unpredictability in performance due to micro-architectural components. The first contribution is called Kyoto, a solution to the cache contention issue, inspired by the polluters pay principle. A VM is said to pollute the cache if it provokes significant cache replacements which impact the performance of other VMs. Henceforth, using the Kyoto system, the provider can encourage cloud users to book pollution permits for their VMs. The second contribution addresses the problem of efficiently virtualizing NUMA machines. The major challenge comes from the fact that the hypervisor regularly reconfigures the placement of a VM over the NUMA topology. However, neither guest operating systems (OSs) nor system runtime libraries (e.g., HotSpot) are designed to consider NUMA topology changes at runtime, leading end user applications to unpredictable performance. We presents eXtended Para-Virtualization (XPV), a new principle to efficiently virtualize a NUMA architecture. XPV consists in revisiting the interface between the hypervisor and the guest OS, and between the guest OS and system runtime libraries so that they can dynamically take into account NUMA topology changes.