Walk-In : interfaces de virtualisation flexibles pour la performance et la sécurité dans les datacenters modernes

Walk-In : flexible virtualization APIs for performance and security in the modern datacenter

• Auteur / Autrice : Ngoc Tu Dinh
• Direction : Georges Da Costa, Daniel Hagimont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et Télecommunications
• Date : Soutenance le 05/02/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de délivrance conjointe : Université Toulouse 3 Paul Sabatier (1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Noël de Palma
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Renaud Lachaize
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julia L. Lawall, David Bromberg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Centres de traitement informatique

Systèmes virtuels (informatique)

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Mots clés libres

Hyperviseurs

Virtualisation

Sécurité

Performance

Hypervisors

Virtualization

Security

Performance

Résumé

La virtualisation est un outil puissant conférant de nombreuses avantages pour la sécurité, l'efficacité et la gestion des systèmes informatiques. Par conséquent, la virtualisation est largement utilisée dans les infrastructures informatiques modernes. Cependant, les couches matérielles et logicielles supplémentaires posent de nouveaux défis aux administrateurs systèmes. Dans cette thèse, nous présentons notre analyse des défis liés à la virtualisation. Nous constatons que les nombreux composants de virtualisation doivent être tenus à jour, ce qui complique fortement la maintenance logicielle. Deuxièmement, nous remarquons que la virtualisation masque les spécificités du matériel. Enfin, elle réduit les performances des systèmes du fait de la coordination entre les logiciels impliqués par la virtualisation. Nous étudions trois approches pour relever les défis présentés ci-dessus en augmentant la flexibilité de la pile de logiciels de virtualisation. - Notre première contribution concerne la maintenabilité et la sécurité des plateformes de machines virtuelles en tenant compte du besoin de les maintenir à jour. Nous présentons notre cadre "HyperTP" pour la mise à jour des hyperviseurs et l'atténuation des vulnérabilités pendant le délai entre leur découverte et leur correction. - Notre deuxième contribution concerne la perte de performance résultant du manque de visibilité des topologies NUMA dans les machines virtuelles. Nous étudions la performance des charges de travail d'E/S virtuelles afin de déterminer une politique d'allocation des ressources pour l'optimisation des E/S. - Notre troisième contribution concerne la virtualisation des systèmes de stockage à haute performance. Nous présentons la plateforme de stockage NVM-Router, qui permet la réalisation de fonctions de stockage performantes grâce à sa flexibilité et à sa facilité d'utilisation. En résumé, nos contributions montrent les compromis présents dans les configurations des machines virtuelles, ainsi que la réduction des coûts de virtualisation par la manipulation dynamique de ces configurations.

Virtualization is a powerful tool that brings numerous benefits for the security, efficiency and management of computer systems. Modern infrastructure therefore makes heavy use of virtualization in almost every software component. However, the extra hardware and software layers present various challenges to the system operator. In this work, we analyze and identify the challenges relevant to virtualization. Firstly, we observe a complexification of maintenance from the numerous software layers that must be constantly updated. Secondly, we notice a lack of transparency on details of the underlying infrastructure from virtualization. Thirdly, virtualization has a damaging effect on system performance, stemming from how the layers of virtualization have to be navigated during operation. We explore three approaches of solving the challenges of virtualization through adding flexibility into the virtualization stack. - Our first contribution tackles the issue of maintainability and security of virtual machine platforms caused by the need to keep these platforms up-to-date. We introduce HyperTP, a framework based on the hypervisor transplant concept for updating hypervisors and mitigating vulnerabilities. - Our second contribution focuses on performance loss resulting from the lack of visibility of non-uniform memory access (NUMA) topologies on virtual machines. We thoroughly evaluate I/O workloads on virtual machines running on NUMA architectures, and implement a unified hypervisor-VM resource allocation strategy for optimizing virtual I/O on said architectures. - For our third work, we focus our attention on high-performance storage subsystems for virtualization purposes. We present NVM-Router, a flexible yet easy to use virtual storage platform that supports the implementation of fast yet efficient storage functions. Together, our solutions demonstrate the tradeoffs present in the configuration spaces of virtual machine deployments, as well as how to reduce virtualization overhead through dynamic adjustment of these configurations.