가상화 클라우드 데이터센터에서 가상 머신 간의 균등한 성능 보장을 위한 제어 알고리즘 논문자료

 

가상화 클라우드 데이터센터에서 가상 머신 간의 
균등한 성능 보장을 위한 제어 알고리즘
Control Algorithm for Virtual Machine-Level 
Fairness in Virtualized Cloud Data center

본 논문은 가상 머신 기반의 클라우드 데이터센터에서 가상 머신의 CPU 스케줄링으로 인해 발생할 수 있는 네트워크 불평등 현상을 해결하는 가상머신 수준의 제어 알고리즘을 제안한다. 이를 위해 이기종 호스트들로 구성된 클라우드 데이터 센터 테스트베드를 구축하고, 가상 머신간의 네트워크 불평등 현상이 발생함을 실험적으로 보인다. 그리고 이를 해결할 수 있는 PID 제어 기법 기반의 가상 머신 네트워크 성능 보장 제어 알고리즘을 설계하고, 이를 실제 시스템에 구현하기 위한 방안을 설명한다. 실제 테스트베드에 제안하는 알고리즘을 구현하여 알고리즘 동작 결과를 분석한다.

[연구 주제]

1. 문제 정의

본 논문에서는 이기종 호스트로 구성된 클라우드 네트워크에서 가상 머신간의 성능 차이로 인해 발생하는 네트워크 불평등 현상을 실험적으로 보이고, 이것이 CPU 스케쥴링에 따른 결과임을 실험적으로 분석한다.

CPU스케쥴링으로 인한 네트워크 성능 저하 현상을 실험적으로 분석한다.

테스트 베드의 서버 1 호스트에 알고리즘을 구현한다.

이기종 호스트들로 구성된 가상 머신 기반의 클라우드 데이터 센터에서 CPU 스케쥴링으로 인한 네트워크 불평등 현상을 실험적으로 분석하였다.

[연구 방법]

1. 제안 방법

가상 머신 플랫폼 수준에서 네트워크를 제어함으로써 네트워크 성능 불평등 현상을 해결할 수 있는 기법을 제안한다.

본 장에서는 클라우드 시스템 구축을 위해 널리 사용되는 Xen 가상화 기법에 대해 간략히 설명하고, 가상 머신의 CPU 스케쥴링에 따른 네트워크의 불균형 현상을 실험을 통해 확인한다.

본 논문에서는 이기종 장비들이 혼재되어 있는 클라우드 데이터 센터를 단순화 하여 서버 PC 1대, 노트북 2대, 그리고 1Gbps 라우터로 구성된 테스트베드를 구축하였다.

이기종 장비들로 구성된 시스템을 테스트하기 위해 각각 다른 사양의 서버 장비들을 사용하여 테스트베드를 구성하였다.

이기종 호스트상에서 동작하는 가상 머신간에 균등한 네트워크 성능 보장을 위해 각 가상 머신에 동일한 네트워크 사용 시간을 할당하고 사용 시간을 초과하여 사용한 가상 머신의 혼잡 윈도우를 감소시켜 네트워크 균형을 유지하도록 하는 알고리즘을 제안한다, 본 알고리즘에서는 PID 제어 기법을 적용한 Decision Probability를 사용한다.

Decision Probability에 따라 Sender의 혼잡 윈도우를 감소시켜 다른 Sender의 네트워크 성능을 보장할 수 있도록 알고리즘을 구성한다.

따라서 Xen Network Backend 모듈에서 사용되는 정보들을 바탕으로 알고리즘을 실제 시스템에 구현한다.

이를 해결하기 위해 I/O 중심의 Task의 일반적인 특징과 혼재된 워크로드 간의 Correlation을 통한 I/O Task 추론 기법, 그리고 Task 레벨에서 CPU Preemption을 수행하는 스케쥴링 기법을 제안한다.

네트워크 자원 사용에 대한 Credit, 그리고 Leaky-bucket 제어기를 통한 스케쥴링을 통해 가상 머신레벨의 차별화된 네트워크 성능 제공을 가능하도록 한다.

그리고 이를 해결하기 위한 PID 제어 이론 기반의 가상 머신 네트워크 성능 보장 알고리즘을 제안하였다.

이를 실제 시스템에 구현하기 위한 방법을 논의하고 실제 구현된 결과를 바탕으로 성능 평가를 수행하였다.

2. 이론/모형

본 논문에서 각 가상 머신간의 균등한 성능 보장을 위해 Explicit Congestion Notification (ECN)을 사용한다.

[연구 결과]

1. 성능/효과

결과를 통해 일반적인 상황에서 VM1이 VM3 보다 더 낮은 네트워크 성능을 가짐을 확인할 수 있고, 테스트베드가 이기종성을 잘 반영하고 있음을 확인할 수 있다.

이를 통해 일반 적인 상황에서 낮은 네트워크 성능을 보이는 VM1이 VM3와 동시에 네트워크를 사용할 때 심각한 성능 저하를 보임을 확인할 수 있다.

네트워크 성능 불평등 현상이 가상 머신간의 서버 1상에서 동작하는 가상 머신 VM5, VM6 간의 스케줄링으로 인해 발생하는 것임을 확인할 수 있다.

네트워크 성능이 뛰어난 VM3과 통신하는 VM6가 VM5보다 더 많은 CPU 사용률을 보임을 확인할 수 있다.

따라서 이기종 장비로 구성된 클라우드 네트워크에서 네트워크 성능이 상대적으로 좋지 않은 가상 머신에 대해 CPU가 적게 할당되고 네트워크 성능에 심각한 불균형이 초래한다는 것을 실험적으로 확인할 수 있다.

본 장의 실험 결과는 5장에서 소개하는 관련 연구들과 네트워크 성능의 공평성 유지라는 측면에서 같은 결과를 보이지만, 기존 시스템의 스케쥴러나 이벤트 처리 방식의 변경 없이 모듈 단위에서 네트워크 트래픽의 양을 제어함으로써 균등한 네트워크 성능을 보장한다는 점에서 차이를 보인다.

실험 결과를 통해 VM1, VM3의 업로드 상황에서 완전히 균등한 네트워크 수율을 보이지는 않지만 알고리즘이 동작하지 전보다 VM1의 수율이 약 100% 정도 증가했음을 확인할 수 있다.

실험 결과를 통해 제안하는 알고리즘이 동적인 네트워크 환경 변화에 잘 반응함을 확인할 수 있다.

실험 결과를 통해 본 논문에서 제안하는 네트워크 성능 보장 알고리즘이 이기종 호스트로 구성된 클라우드 시스템 환경에서 효율적으로 각 가상 머신의 네트워크 성능을 보장할 수 있음을 확인할 수 있다.

이와 다르게 본 연구에서 제안하는 알고리즘은 가상 머신의 스케쥴러는 기존과 동일하게 유지하면서 네트워크 트래픽의 양을 제어함으로써 네트워크 성능의 균형을 유지하기 때문에 구현상의 복잡도를 낮추면서도 효율적으로 동작할 수 있다.

성능 평가 실험 결과를 통해 본 논문에서 제안하는 알고리즘이 이기종 호스트로 구성된 가상 머신 기반 클라우드에서 효율적으로 동작하는 것을 확인할 수 있다. 

▼출처 및 바로가기 : 
https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO201320360167370

[논문]가상화 클라우드 데이터센터에서 가상 머신 간의 균등한 성능 보장을 위한 제어 알고리즘