Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής Κωνσταντίνος Κοντοδήμας, Διπλωματούχος Μηχανικός Η/Υ και Πληροφορικής c

Transcript

1 Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής Ανάλυση και Αξιολόγηση Πολιτικών Χρονοπρογραμματισμού για Ενοποιημένες Λειτουργίες Εισόδου-Εξόδου Διπλωματική Εργασία για την απόκτηση Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης στην: «Επιστήμη και Τεχνολογία Υπολογιστών» του Κωνσταντίνου Γ. Κοντοδήμα Τριμελής Επιτροπή : Κωνσταντίνος Μπερμπερίδης, Καθηγητής (Επιβλέπων) Εμμανουήλ Βαρβαρίγος, Καθηγητής Σωτήρης Νικολετσέας, Αναπληρωτής Καθηγητής Πάτρα, Ιούνιος 2016

2 Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής Κωνσταντίνος Κοντοδήμας, Διπλωματούχος Μηχανικός Η/Υ και Πληροφορικής c 2016 Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος

3 Στους φίλους μου.

4

5 Ευχαριστίες Θα ήθελα, πρώτα απ όλα, να ευχαριστήσω τον καθηγητή κ. Κωνσταντίνο Μπερμπερίδη για την επίβλεψη αυτής της Διπλωματικής Εργασίας. Επίσης ευχαριστώ ιδιαίτερα τον καθηγητή κ. Εμμανουήλ Βαρβαρίγο και το Δρ. Παναγιώτη Κόκκινο για την καθοδήγησή τους και την εξαιρετική συνεργασία που είχαμε όλο αυτό το διάστημα κατά την εκπόνηση της εργασίας. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου και τους φίλους μου, για την ηθική συμπαράσταση που μου προσέφεραν όλα αυτά τα χρόνια και για τη στήριξή τους σε όλες μου τις επιλογές. Η έρευνα που οδήγησε στα αποτελέσματα που παρουσιάστηκαν σε αυτή την εργασία έχει χρηματοδοτηθεί από το έργο ORBIT του εβδόμου προγραμματικού πλαισίου της Ευρωπαϊκής Ενωσης (FP ) υπό τη σύμβαση επιχορήγησης με αριθμό i

6

7 Περίληψη Η ομαλή λειτουργία των hypervisors και η αποδοτική επίδοση έχουν άμεση επίδραση στις υποστηριζόμενες υπηρεσίες του cloud. Ερευνούμε αλγόριθμους χρονοπρογραμματισμού (scheduling) που αντιστοιχούν τις αιτήσεις εισόδου-εξόδου που δημιουργούνται από τους εικονικούς πόρους με τις φυσικές CPUs που κάνουν την πραγματική επεξεργασία. Εξετάζουμε ένα νέο μοντέλο ενοποίησης των εικονικών πόρων, όπου οι πόροι εισόδου-εξόδου που απαιτούνται από της εικονικές μηχανές (virtual machines VMs) σε διαφορετικούς φυσικούς hosts, παρέχονται από μία (ή περισσότερες) εξωτερική ισχυρή αφιερωμένη συσκευή (ή συσκευές), που ονομάζεται I/O Hypervisor (IOH). Για αυτό το λόγο οι λειτουργίες εισόδου-εξόδου μεταφέρονται από τις εικονικές μηχανές στον IOH, όπου και εκτελούνται. Προτείνουμε και αξιολογούμε έναν αριθμό αλγορίθμων χρονοπρογραμματισμού για αυτό το μοντέλο hypervisor, επικεντρώνοντας στην παροχή εγγυημένης δικαιοσύνης (fairness) μεταξύ των εικονικών πόρων. Ενας προσομοιωτής έχει αναπτυχθεί που περιγράφει αυτό το μοντέλο και χρησιμοποιείται για την υλοποίηση και την αξιολόγηση των αλγορίθμων. Αναλύουμε επίσης την επίδοση των διαφορετικών μοντέλων hypervisor και επισημαίνουμε τη σημασία του δίκαιου χρονοπρογραμματισμού. Λέξεις Κλειδιά I/O Hypervisor, cloud computing, εικονικοποίηση, ενοποίηση πόρων, είσοδος-έξοδος iii

8

9 Abstract Hypervisors smooth operation and efficient performance has an immediate effect in the supported Cloud services. We investigate scheduling algorithms that match I/O requests originated from virtual resources, to the physical CPUs that do the actual processing. We envisage a new paradigm of virtualized resource consolidation, where I/O resources required by several Virtual Machines (VMs) in different physical hosts, are provided by one (or more) external powerful dedicated appliance(s), namely the I/O Hypervisor (IOH). For this reason I/O operations are transferred from the VMs to the IOH, where they are executed. We propose and evaluate a number of scheduling algorithms for this hypervisor model, concentrating on providing guaranteed fairness among the virtual resources. A simulator has been built that describes this model and is used for the implementation and the evaluation of the algorithms. We also analyze the performance of the different hypervisor models and highlight the importance of fair scheduling. Keywords I/O Hypervisor, cloud computing, virtualization, scheduling, resource consolidation v

10

11 Περιεχόμενα Ευχαριστίες Περίληψη Abstract Κατάλογος Σχημάτων Κατάλογος Πινάκων i iii v x xi 1 Εισαγωγή Αντικείμενο της διπλωματικής Οργάνωση της εργασίας Θεωρητικό Υπόβαθρο Συνέχεια Επιχείρησης και Διαθεσιμότητα Υπηρεσιών Cloud Computing Απαραίτητα Χαρακτηριστικά Μοντέλα Υπηρεσιών Μοντέλα Εγκατάσταση Εικονικοποίηση (Virtualization) Ιστορική Αναδρομή Τύποι Εικονικοποίησης/Hypervisors Πλεονεκτήματα, Μειονεκτήματα και Προκλήσεις Εικονικοποίηση Εισόδου-Εξόδου και Ενοποίηση Πόρων Paravirtual Εικονικοποιημένη Εισόδος-Εξόδος Αρχιτεκτονική της Υλοποίηση I/O Hypervisor Χρονοπρογραμματισμός σε QoS Βασικές Πολιτικές Χρονοπρογραμματισμού σε QoS Εξελιγμένες Πολιτικές Χρονοπρογραμματισμού Πόρων vii

12 viii Περιεχόμενα 3 Ανάλυση του Προβλήματος και Αλγόριθμοι Μαθηματική Διατύπωση του I/O Hypervisor Λειτουργίες Εισόδου-Εξόδου Ανάλυση Επίδοσης του I/O Hypervisor Κριτήρια Αξιολόγησης Επίδοσης Υλοποιημένοι Αλγόριθμοι Ο Αλγόριθμος midrr-ioh Άλλοι Αλγόριθμοι Πειραματική Αξιολόγηση Προσομοιωτής Χρονοπρογραμματιστή του I/O Hypevisor Περιγραφή Αρχιτεκτονικής και Μονάδων Διαδικασία Προσομοίωσης Πειραματικά Αποτελέσματα Τεχνικές Λεπτομέρειες και Συμβάσεις Συνεισφορά και Επεκτάσεις 57 Βιβλιογραφία 59 Μεταφράσεις ξένων όρων 65

13 Κατάλογος Σχημάτων 2.1 Πλήρης εικονικοποίηση Εικονικοποίηση Επιπέδου Λειτουργικού Συστήματος Εικονικοποίηση Επιπέδου Υλικού Σύγκριση των συστατικών στοιχείων που χρησιμοποιούνται για την υλοποίηση μιας εικονικής δικτυακής συσκευής μεταξύ των τεσσάρων μοντέλων εικονικής εισόδου-εξόδου. Το βασικό (baseline) virtio, το Elvis και το vrio μπορούν να δεχτούν την παρεμβολή, ενώ το SRIOV όχι. Το vrio αντικαθιστά τους buffers κοινής μνήμης με δικτυακή επικοινωνία. Οι εικονικές block συσκευές δε φαίνονται στο σχήμα, αλλά υλοποιούνται παρόμοια Συνοπτική περιγραφή της αρχιτεκτονική του I/O Hypervisor Σύγκριση του κλασικού μοντέλου hypervisor και του μοντέλου του I/O Hypervisor ως συστήματα ουρών Συνοπτική περιγραφή των βασικών συστατικών στοιχείων/μονάδων του προσομοιωτή και των αντίστοιχων μεταξύ του διασυνδέσεων Σύγκριση της τυπικής απόκλισης του μεριδίου χωρητικότητας που ανατίθεται σε κάθε ζεύγος συσκευών, ενώ αυξάνεται η διαφοροποίηση στα μεγέθη των αιτήσεων εισόδου-εξόδου Σύγκριση της τυπικής απόκλισης της μέσης καθυστέρησης παραμονής στις ουρές για κάθε ζεύγος συσκευών, ενώ αυξάνεται η διαφοροποίηση στα μεγέθη των αιτήσεων εισόδου-εξόδου Σύγκριση ποσοστού μεριδίου χωρητικότητας που ανατίθεται σε κάθε εικονική μηχανή, ενώ χρησιμοποιούνται βάρη στο vm0 και στο vm Σύγκριση μέσης καθυστέρηση παραμονής στις ουρές κάθε εικονικής μηχανής, ενώ χρησιμοποιούνται βάρη στο vm0 και στο vm Σύγκριση του μέγιστου πλήθους εικονικών συσκευών που μπορούν να εξυπηρετηθούν χωρίς απορρίψεις (drops), από ένα μεταβαλλόμενο πλήθος από πυρήνες CPU, από διαφορετικά πλήθη IOHs (1, 2 ή 4) Σύγκριση του μέγιστου πλήθους εικονικών συσκευών που μπορούν να εξυπηρετηθούν χωρίς απορρίψεις (drops), από διάφορα σενάρια ρυθμών αφίξεων, από διαφορετικά πλήθη IOHs (1, 2 ή 4) ix

14

15 Κατάλογος Πινάκων 4.1 Ιδιότητες Οντοτήτων του Προσομοιωτή Παράμετροι Προσομοίωσης Μεγέθη Αιτήσεων και Απαντήσεων Πλήθος Συσκευών ανά Εικονική Μηχανή Σενάρια Μεριδίων Φόρτου Κίνησης Μεταξύ των Ομάδων xi

16

17 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Τα τελευταία χρόνια, υπάρχει μια ραγδαία ανάπτυξη στο υπολογιστικό μοντέλο νέφους (cloud) σε διάφορα πεδία. Από τη φύση τους τα clouds παρέχουν ένα επίπεδο αφαίρεσης μεταξύ του τι προσφέρεται ως υπηρεσία ή ως πόρος, και του τι απαιτείται πραγματικά (τόσο σε λογισμικό όσο και σε υλικό) για αυτή την προσφορά. Αυτή η αφαίρεση μειώνει την πολυπλοκότητα και το κόστος, ενώ αυξάνει την αποδοτικότητα, εφόσον μπορεί να υπάρξει υψηλή χρησιμοποίηση των πραγματικών πόρων. Επιπρόσθετα, αυτή η αφαίρεση διευκολύνει την παροχή ανοχής σε σφάλματα. Οι hypervisors, το απαραίτητο λογισμικό για τη δημιουργία και την εκτέλεση των εικονικών μηχανών (virtual machines VMs), είναι οι βασικές δομικές μονάδες που επιτρέπουν αυτή την αφαίρεση. Αυτός είναι ο λόγος που η λειτουργία τους και η επίδοσή τους έχει απευθείας επίδραση στις παρεχόμενες υπηρεσίες που βασίζονται στο cloud. Παραδοσιακά, το σύστημα αποτελείται από μόνο μία φυσική μηχανή, έναν hypervisor και πολλαπλές guest (φιλοξενούμενες) εικονικές μηχανές που εκτελούνται «από πάνω». Τα clouds υποστηρίζονται από κέντρα δεδομένων (data centers) που αποτελούνται από αρκετές χιλιάδες φυσικών μηχανών. Οι υπολογιστικοί, αποθηκευτικοί και δικτυακοί πόροι ενός data center ενορχηστρώνονται χρησιμοποιώντας ενδιάμεσο λογισμικό cloud (middleware) όπως το OpenStack [40], το οποίο μεταξύ άλλων αλληλεπιδρά με τον hypervisor που εκτελείται σε κάθε φυσική μηχανή για τη διαχείριση των εικονικών μηχανών. Ο χρονοπρογραμματισμός εργασιών (task scheduling) είναι εμφανής σε πολλαπλά επίπεδα: σε υψηλό επίπεδο το λογισμικό ενορχήστρωσης είναι εξοπλισμένο με δυνατότητα χρονοπρογραμματισμού ούτως ώστε να αποφασίζει τον φυσικό host όπου θα ξεκινήσει μία guest εικονικών μηχανών, ενώ σε χαμηλότερο επίπεδο ο μηχανισμός scheduling του hypervisor αντιστοιχίζει τις αιτήσεις (requests) από τους εικονικούς πόρους στους φυσικούς πυρήνες της host μηχανής. Σε αυτή τη Διπλωματική Εργασία, προτείνονται και αξιολογούνται αλγόριθμοι χρονοπρογραμματισμού (scheduling) για το χαμηλότερο επίπεδο σε ένα, κάπως, διαφορετικό μοντέλο λειτουργίας από του κλασικού hypervisor. Αυτό το αρχιτεκτονικό μοντέλο προκύπτει από το έργο «ORBIT: Business Continuity as a Service» [41], με κύριο στόχο να διευθύνει τις ανάγκες των κρίσιμων υπηρεσιών, υπό την έννοια του να επιτρέπεται υψηλής επίδοσης ανοχή σε σφάλματα και αποκατάσταση καταστροφών. Σε αυτό το νέο παράδειγμα ενοποίησης των εικονικών πόρων, οι πόροι εισόδου-εξόδου, που 1

18 2 Κεφάλαιο 1. Εισαγωγή χρησιμοποιούνται από αρκετές εικονικές μηχανές, εκτελούνται «πάνω» σε πολλαπλούς φυσικούς hosts και παρέχονται από μία (ή περισσότερες) εξωτερική ισχυρή αφιερωμένη (dedicated) συσκευή (ή συσκευές), που ονομάζεται I/O Hypervisor στο εξής IOH. Η εξωτερίκευση (από τη σκοπιά της guest εικονικής μηχανής) και η ενοποίηση των εικονικών πόρων εισόδουεξόδου γίνεται μεταφέροντας τις λειτουργίες εισόδου-εξόδου που έχουν αιτηθεί από τις εικονικές μηχανές στον I/O Hypervisor, όπου και εκτελούνται. Με αυτόν τον τρόπο οι υπηρεσίες εισόδου-εξόδου, όπως ένα firewall, το Deep Packet Inspection (DPI) και η block-level κρυπτογράφηση που καταναλώνουν αρκετούς πόρους CPU, μπορούν να ενοποιηθούν σε έναν αφιερωμένο εξυπηρετητή, αυξάνοντας τη χρησιμοποίηση της CPU και φιλοξενώντας αλλαγές στις συνθήκες φόρτου όπου υπάρχει διακύμανση στις απαιτήσεις μεταξύ διαφορετικών hosts. Ο τρόπος με τον οποίο οι λειτουργίες εισόδου-εξόδου που προέρχονται από (ή προορίζονται σε) πολλαπλές εικονικές μηχανές σε αρκετούς φυσικούς hosts, χρονοπρογραμματίζονται για εκτέλεση στους διαθέσιμους πυρήνες του I/O Hypervisor, είναι κρίσιμος για της αποδοτικότητα τις ενοποίησης εισόδου-εξόδου. Αυτή η αποδοτικότητα μπορεί να μεταφραστεί στο πλήθος των εικονικών μηχανών που μπορεί να εξυπηρετήσει ταυτόχρονα ένα IOH, στη ρυθμαπόδοση της εξυπηρέτησης (serving throughput) και σε άλλες παραμέτρους. Οι λειτουργίες εισόδου-εξόδου είναι δομές πακέτων που αποστέλλονται αμφίδρομα μεταξύ εικονικών και φυσικών συσκευών και ο στόχος είναι η επιλογή του πυρήνα του IOH που θα επεξεργαστεί καθεμιά από αυτές. 1.1 Αντικείμενο της διπλωματικής Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία, υλοποιούμε και αξιολογούμε έναν αριθμό από δίκαιους αλγορίθμους χρονοπρογραμματισμού άμεσης απόκρισης (online fair scheduling) για τον IOH. Για αυτό το λόγο, ο IOH μοντελοποιείται ως ένα σύστημα πολλαπλών-ουρών και πολλαπλώνεξυπηρετητών. Αυτές οι ουρές αντιστοιχούν στις εικονικές και φυσικές συσκευές, που βρίσκονται στις εικονικές μηχανές και στον IOH αντίστοιχα, ενώ οι εξυπηρετητές στους πραγματικούς πυρήνες CPU του IOH που επεξεργάζονται τις λειτουργίες εισόδου-εξόδου. Επίσης, έχει υλοποιηθεί ένας προσομοιωτής (simulator) που περιγράφει αυτό το μοντέλο της paravirtual εισόδου-εξόδου και χρησιμοποιείται στην υλοποίηση και την αξιολόγηση των διαφόρων αλγορίθμων. Η δικαιοσύνη (fairness) είναι το κύριο κριτήριο που εξετάζεται. Επιπρόσθετα, αναλύουμε την επίδοση των διαφορετικών μοντέλων hypervisor και δείχνουμε ότι το μοντέλο της ενοποίησης εισόδου-εξόδου που μελετάται επιτυγχάνει μικρότερες καθυστερήσεις παραμονής στις ουρές. 1.2 Οργάνωση της εργασίας Η Διπλωματική Εργασία οργανώνεται ως εξής: αρχικά στο Κεφάλαιο 2 δίνεται ένα θεωρητικό υπόβαθρο για τα επιμέρους αντικείμενα που σχετίζονται άμεσα με τη συγκεκριμένη εργασία και συγκεκριμένα με το cloud computing, την εικονικοποίηση, ενοποίηση και χρονοπρογραμματισμό πόρων. Στη συνέχεια, στο Κεφάλαιο 3 δίνεται η μαθηματική έκφραση και η

19 1.2 Οργάνωση της εργασίας 3 ανάλυση του προβλήματος, καθώς και οι υλοποιημένοι αλγόριθμοι. Τέλος, στο Κεφάλαιο 4 δίνεται η περιγραφή του πειραματικού πλαισίου και των πειραματικών αποτελεσμάτων.

20

21 Κεφάλαιο 2 Θεωρητικό Υπόβαθρο Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται αναλυτικά οι βασικές τεχνολογίες που σχετίζονται με το αντικείμενο της εργασίας. 2.1 Συνέχεια Επιχείρησης και Διαθεσιμότητα Υπηρεσιών Ως Συνέχεια Επιχείρησης (Business Continuity) ορίζεται η διαδικασία και το αποτέλεσμα της διασφάλισης υψηλής διαθεσιμότητας (high availability) για υπηρεσίες, ανεξάρτητα από τις αναπόφευκτες αποτυχίες. Ως υψηλή διαθεσιμότητα ορίζεται ένα σύνολο αρχών μέτρησης και σχεδίασης, ούτως ώστε να μειώνεται ο χρόνος της πτώσης λειτουργίας των υπολογιστικών συστημάτων. Οι οργανισμοί που ενδιαφέρονται για το αν οι βοηθητικές υπολογιστικές υπηρεσίες έχουν επαρκή διαθεσιμότητα και αυτό κάνει κάποιους να είναι επιφυλακτικοί με το cloud computing. Ωστόσο, τα υπάρχοντα προϊόντα SaaS έχουν θέσει υψηλές προδιαγραφές σε αυτό. Η «Google Αναζήτηση» έχει τη φήμη της υψηλής διαθεσιμότητάς της, σε τέτοιο επίπεδο που ακόμα και μικρές διακοπές λειτουργίες (outages) δημοσιεύονται από μεγάλες ειδησεογραφικές πηγές. Οι χρήστες προσδοκούν αντίστοιχη διαθεσιμότητα από τις νέες υπηρεσίες, το οποίο ε- ίναι δύσκολο να γίνει. Εκτός από τις περιπτώσεις που υπάρχουν τεχνικά προβλήματα, ένας πάροχος cloud θα μπορούσε να υφίσταται διακοπές λειτουργίας για μη-τεχνικούς λόγους, συμπεριλαμβανομένου του κλεισίματος της επιχείρησης. Διακοπή λειτουργίας μπορεί να είναι ένα καταστροφικό γεγονός που προκαλείται από παρατεταμένο χρόνος πτώσης που έχει ως αποτέλεσμα την αποδιοργάνωση του απαραίτητου επιχειρησιακού συστήματος επεξεργασίας δεδομένων, της υποστήριξης υπηρεσιών και/ή άλλων δραστηριοτήτων που μπορούν να έχουν ως αποτέλεσμα την απώλεια εσόδων ή σχετικών υποχρεώσεων. Παρόλο που δεν το έχουν κάνει, οι πωλητές του cloud θα μπορούσα να προσφέρουν εξειδικευμένες τεχνικές υλικού και λογισμικού ούτως ώστε να παράσχουν μεγαλύτερη διαθεσιμότητα, πιθανώς σε μεγαλύτερη τιμή. Η αξιοπιστία θα μπορούσε τότε να πωληθεί στους χρήστες ως SLA. Αλλά αυτή η προσέγγιση δεν μπορεί να πάει πιο μακριά. Η κοινότητα των υπολογιστών υψηλής διαθεσιμότητας έχει για καιρό ακολουθήσει την αρχή του να μην υπάρχουν 5

22 6 Κεφάλαιο 2. Θεωρητικό Υπόβαθρο μοναδικά σημεία αποτυχίας (single points of failure), ωστόσο η διαχείριση μιας υπηρεσίας cloud computing από μια εταιρεία είναι στην πραγματικότητα ένα μοναδικό σημείο αποτυχίας. Ακόμα και αν η εταιρεία έχει πολλαπλά κέντρα δεδομένων σε διαφορετικές γεωγραφικές περιοχές χρησιμοποιώντας διαφορετικούς παρόχους δικτύου, μπορεί να έχει κοινή υποδομή λογισμικού και κοινά λογιστικά συστήματα, ή η εταιρία μπορεί και να κλείσει. Οι μεγάλοι πελάτες μπορεί να είναι απρόθυμοι να μεταβούν στο cloud computing χωρίς μια στρατηγική συνέχειας της επιχείρησης (business continuity) για τέτοιες περιπτώσεις. Υπάρχει η αντίληψη ότι η καλύτερη πιθανότητα για την ύπαρξη ανεξάρτητων στοιβών λογισμικού είναι αυτές να παρέχονται από διαφορετικές εταιρείες, αφού είναι δύσκολο να για μια εταιρεία να καλύψει τόσο τη δημιουργία όσο και τη συντήρηση δύο στοιβών στο όνομα της αξιοπιστίας του λογισμικού. Οσο μεγάλοι πάροχοι υπηρεσιών Internet χρησιμοποιούν πολλαπλούς παρόχους δικτύου έτσι ώστε η αποτυχία μιας εταιρείας να μην τους «ρίξει», η μοναδική εύλογη αντίληψη για πολύ υψηλή διαθεσιμότητα φαίνεται να είναι η ύπαρξη πολλαπλών παρόχων cloud computing. Οι πτώσεις λειτουργίας μπορούν να έχουν σοβαρές προεκτάσεις στους χρήστες των υπολογιστικών συστημάτων σε περιοχές που απαιτούν 24ωρη λειτουργία, όπως: επεξεργασία των online συναλλαγών των επιχειρήσεων υπηρεσίες πολυμέσων και δημοσίευσης νέων ιατρική πληροφορική δίκτυα παροχής ενέργειας οικονομικές και τραπεζικές υπηρεσίες υπηρεσίας κράτησης αερογραμμών πάροχοι υπηρεσιών cloud Και έτσι οι μη-σχεδιασμένες διακοπές λειτουργίας είναι προβλήματα στης Τεχνολογίες Πληροφορικής και Επικοινωνιών, είναι εν τέλει επιχειρησιακά προβλήματα που οδηγούν σε χαμένα έσοδα, βλάβη της φήμης και χαμένη παραγωγικότητα. 2.2 Cloud Computing Το cloud computing σύμφωνα με το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας των Ηνωμένων Πολιτειών (National Institute of Standards and Technology NIST) [36] είναι ένα μοντέλο που επιτρέπει την εύκολη και κατ αίτηση (on-demand) απ οπουδήποτε πρόσβαση μέσω δικτύου σε μία διαμοιραζόμενη «δεξαμενή» από υπολογιστικούς πόρους (π.χ. δίκτυα, εξυπηρετητές, αποθήκευση, εφαρμογές και υπηρεσίες) που μπορούν γρήγορα να προβλεφθούν (provisioned) και να απελευθερωθούν με ελάχιστη προσπάθεια διαχείρισης ή αλληλεπίδραση με τον πάροχο υπηρεσιών. Αυτό το μοντέλο του cloud αποτελείται από πέντε απαραίτητα χαρακτηριστικά (παράγραφος 2.2.1), τρία μοντέλα υπηρεσιών (παράγραφος 2.2.2) και τέσσερα μοντέλα εγκατάστασης (παράγραφος 2.2.3).

23 2.2 Cloud Computing Απαραίτητα Χαρακτηριστικά Κατ αίτηση αυτο-εξυπηρέτηση. Ενας πελάτης μπορεί μονομερώς να προβλέψει τις υπολογιστικές δυνατότητες, όπως το χρόνο λειτουργίας του εξυπηρετητή και την δικτυακή αποθήκευση, όπως χρειάζονται, χωρίς να απαιτείται ανθρώπινη αλληλεπίδραση μεταξύ των παρόχων υπηρεσιών. Ευρεία δικτυακή πρόσβαση. Οι δυνατότητες είναι διαθέσιμες μέσω δικτύου και προσβάσιμες από καθιερωμένους μηχανισμούς που προωθούν τη χρήση από ετερογενείς πλατφόρμες πελατών (π.χ. κινητά τηλέφωνα, tablets, φορητούς υπολογιστές και σταθμούς εργασίας). Ενοποίηση πόρων σε «δεξαμενή» (pool). Οι υπολογιστικοί πόροι του παρόχου ε- νοποιούνται για να εξυπηρετούν πολλαπλούς πελάτες, χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο πολλαπλής «ενοικίασης», με διαφορετικούς φυσικούς και εικονικούς πόρους που ανατίθενται δυναμικά σύμφωνα με τις απαιτήσεις του καταναλωτή. Υπάρχει μια αίσθηση ανεξαρτησίας από την τοπικότητα αφού ο καταναλωτής γενικά δεν έχει έλεγχο ή γνώση για την ακριβή τοποθεσία από των παρεχόμενων πόρων αλλά μπορεί να είναι ικανός να προσδιορίσει την τοποθεσία σε μεγαλύτερο επίπεδο αφαίρεσης (π.χ. χώρα, περιοχή ή κέντρο δεδομένων). Παραδείγματα πόρων περιλαμβάνουν αποθήκευση, επεξεργαστική ισχύ, μνήμη ή εύρος ζώνης δικτύου. Γρήγορη ελαστικότητα. Οι δυνατότητες μπορούν να προβλεφθούν και να απελευθερωθούν ελαστικά, σε κάποιες περιπτώσεις αυτόματα, για να υπάρχει γρήγορη κλιμάκωση ανάλογη με τις απαιτήσεις. Στον πελάτη, οι δυνατότητες που είναι διαθέσιμες για πρόβλεψη συχνά εμφανίζονται να είναι απεριόριστες και προς δέσμευση σε οποιαδήποτε ποσότητα, οποιαδήποτε χρονική στιγμή. Μετρημένη υπηρεσία. Τα συστήματα cloud ελέγχουν και βελτιστοποιούν αυτόματα τη χρήση των πόρων σταθμίζοντας μια δυνατότητα μέτρησης σε ένα ορισμένο επίπεδο αφαίρεσης για κάθε τύπο υπηρεσίας (π.χ. αποθήκευση, επεξεργαστική ισχύ, εύρος ζώνης και ενεργούς λογαριασμούς χρηστών). Η χρήση των πόρων μπορεί να παρακολουθηθεί (monitored), να ελεγχθεί και να αναφερθεί (reported) παρέχοντας διαφάνεια τόσο για τον πάροχο όσο και για τον πελάτη για την χρησιμοποίηση της υπηρεσίας Μοντέλα Υπηρεσιών Λογισμικό ως Υπηρεσία (Software as a Service SaaS). Η δυνατότητα που παρέχεται στον πελάτη είναι η χρήση των εφαρμογών του παρόχου που εκτελούνται σε μια υποδομή cloud. Οι εφαρμογές είναι προσβάσιμες από διάφορες συσκευές πελατών είτε μέσω μιας «λεπτής» διεπαφής πελάτη, όπως ένας περιηγητής ιστού (π.χ. μέσω ιστού), ή μια διεπαφή προγράμματος. Ο καταναλωτής δε διαχειρίζεται και δεν ελέγχει την υποδομή cloud που βρίσκεται «από κάτω», συμπεριλαμβανομένου του δικτύου, των

24 8 Κεφάλαιο 2. Θεωρητικό Υπόβαθρο εξυπηρετητών, των λειτουργικών συστημάτων, της αποθήκευσης ή ακόμα και μεμονωμένων δυνατοτήτων των εφαρμογών, με την πιθανή εξαίρεση περιορισμένων ρυθμίσεων των εφαρμογών που διαμορφώνονται από τους χρήστες. Πλατφόρμα ως Υπηρεσία (Platform as a Service Paas). Η δυνατότητα που παρέχεται στον πελάτη είναι να εγκαθιστά εφαρμογές πάνω στην υποδομή του cloud που έχουν δημιουργηθεί από τους καταναλωτές ή ανήκουν στους καταναλωτές και οι οποίες έχουν δημιουργηθεί χρησιμοποιώντας κάποια γλώσσα προγραμματισμού, βιβλιοθήκες, υπηρεσίες και εργαλεία που να υποστηρίζονται από τον πάροχο. Ο καταναλωτής δε διαχειρίζεται και δεν ελέγχει την υποδομή cloud που βρίσκεται από κάτω, συμπεριλαμβανομένου του δικτύου, των εξυπηρετητών, των λειτουργικών συστημάτων ή της αποθήκευσης, αλλά έχει έλεγχο στις εγκατεστημένες εφαρμογές και πιθανόν και στις ρυθμίσεις διαμόρφωσης του περιβάλλοντος που φιλοξενούνται οι εφαρμογές. Υποδομή ως Υπηρεσία (Infrastructure as a Service IaaS). Η δυνατότητα που παρέχεται στον καταναλωτή είναι η πρόβλεψη της επεξεργαστικής ισχύος, της αποθήκευσης, του δικτύου και άλλων βασικών υπολογιστικών πόρων όπου ο πελάτης έχει τη δυνατότητα να εγκαταστήσει και να εκτελέσει αυθαίρετα λογισμικό, το οποίο μπορεί να περιλαμβάνει λειτουργικά συστήματα και εφαρμογές. Ο καταναλωτής δε διαχειρίζεται και δεν ελέγχει την υποδομή του cloud που βρίσκεται από κάτω αλλά έχει έλεγχο πάνω στα λειτουργικά συστήματα, στην αποθήκευση, στις εγκατεστημένες εφαρμογές και είναι πιθανό να έχει και περιορισμένο έλεγχο σε επιλεγμένα δικτυακά στοιχεία (π.χ. firewalls των hosts) Μοντέλα Εγκατάσταση Ιδιωτικό cloud. Η υποδομή του cloud προβλέπεται για αποκλειστική χρήση από ένα μεμονωμένο οργανισμό που περιλαμβάνει πολλαπλούς καταναλωτές (π.χ. επιχειρησιακές μονάδες). Μπορεί να ανήκει, να διαχειρίζεται και να λειτουργεί από τον οργανισμό, από τρίτους ή από κάποιο συνδυασμό αυτών και μπορεί να υπάρχει εντός ή εκτός των κτιριακών εγκαταστάσεων. Κοινοτικό cloud. Η υποδομή του cloud προβλέπεται για αποκλειστική χρήση από μια συγκεκριμένη κοινότητα καταναλωτών από πολλαπλούς οργανισμούς που έχουν κοινά ενδιαφέροντα (π.χ. αποστολή, απαιτήσεις ασφαλείας ή πολιτική). Μπορεί να ανήκει, να διαχειρίζεται και να λειτουργεί από έναν ή περισσότερους από τους οργανισμούς που ανήκουν στην κοινότητα, κάποιον τρίτο, ή κάποιο συνδυασμό αυτών και μπορεί να υπάρχει εντός ή εκτός των κτιριακών εγκαταστάσεων. Δημόσιο cloud. Η υποδομή του cloud προβλέπεται για ανοιχτή χρήση από το ευρύ κοινό. Μπορεί να ανήκει, να διαχειρίζεται και να λειτουργεί από μια επιχείρηση, από κάποιο ακαδημαϊκό ή κυβερνητικό οργανισμό, ή κάποιο συνδυασμό αυτών. Υπάρχει στις κτιριακές εγκαταστάσεις του παρόχου του cloud.

25 2.3 Εικονικοποίηση (Virtualization) 9 Υβριδικό cloud. Η υποδομή του cloud είναι μια σύνθεση από δύο ή περισσότερες διακριτές υποδομές cloud (ιδιωτικές, κοινοτικές ή δημόσιες) που παραμένουν μοναδικές οντότητες αλλά διαπλέκονται μεταξύ τους μέσω καθιερωμένης ή ιδιόκτητης τεχνολογίας που επιτρέπει τη φορητότητα των δεδομένων και των εφαρμογών (π.χ. εξισορρόπηση φορτίου μεταξύ των clouds). 2.3 Εικονικοποίηση (Virtualization) Ως εικονικοποίηση (virtualization) ορίζεται συχνά ως η τεχνολογία που εισάγει ένα ε- πίπεδο αφαίρεσης στο λογισμικό ανάμεσα στο υλικό και το λειτουργικό σύστημα και στις εφαρμογές που τρέχουν πάνω σε αυτό. Αυτό το επίπεδο αφαίρεσης λέγεται ελεγκτής εικονικής μηχανής (virtual machine monitor VMM) ή hypervisor και κατά βάση αυτό που κάνει είναι να αποκρύπτει τους φυσικούς πόρους του υπολογιστικού συστήματος από το λειτουργικό σύστημα. Εφόσον οι πόροι υλικού ελέγχονται απευθείας από τον hypervisor και όχι από το λειτουργικό σύστημα, είναι πιθανό να τρέχουν πολλαπλά (πιθανώς διαφορετικά) λειτουργικά συστήματα παράλληλα, στο ίδιο υλικό. Ως αποτέλεσμα, η πλατφόρμα του υλικού διαμερίζεται σε μία ή περισσότερες λογικές μονάδες που ονομάζονται εικονικές μηχανές (virtual machines VMs). Αξίζει να σημειωθούν ορισμένα πρωταρχικά οφέλη ασφαλείας που προκύπτουν μέσω της χρήσης οποιαδήποτε τεχνολογίας εικονικοποίησης: Διαμοιρασμός πόρων Αντίθετα με περιβάλλοντα που δε χρησιμοποιούν εικονικοποίηση, όπου όλοι οι πόροι είναι αφιερωμένοι στα εκτελούμενα προγράμματα, στα περιβάλλοντα με εικονικοποιημένα περιβάλλοντα οι εικονικές μηχανές διαμοιράζονται τους φυσικούς πόρους όπως μνήμη, δίσκους και δικτυακές συσκευές του host. Απομόνωση (isolation) Ενα από τα κύρια χαρακτηριστικά της εικονικοποίησης είναι ότι παρέχει απομόνωση μεταξύ των εικονικών μηχανών που εκτελούνται στο ίδιο φυσικό υλικό. Τα προγράμματα που εκτελούνται εσωτερικά σε κάποια εικονική μηχανή δεν μπορούν να δουν τα προγράμματα που εκτελούνται σε άλλη Ιστορική Αναδρομή Η εικονικοποίηση αναπτύχθηκε πρώτη φορά τη δεκαετία του 60 από την IBM, με αρχικό στόχο τη διαμέριση των μεγάλων υπολογιστικών συστημάτων (mainframes) σε πολλαπλά λογικά στιγμιότυπα που να εκτελούνται ταυτόχρονα στο φυσικό υλικό του ίδιου mainframe (host) [49]. Αυτή η δυνατότητα εφευρέθηκε επειδή η διατήρηση των μεγαλύτερων mainframes έγινε ασύμφορη. Οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι η δυνατότητα διαμέρισης επιτρέπει πολλαπλές διεργασίες και εφαρμογές να τρέχουν την ίδια στιγμή, έτσι αυξάνεται η αποδοτικότητα του περιβάλλοντος και μειώνεται η επιβάρυνση (overhead) της συντήρησης. Η έννοια της εικονικοποίησης πιστεύεται γενικά ότι προέρχεται από την εποχή των κεντρικών υπολογιστών (mainframes) στα τέλη της δεκαετίας του 60 και στις αρχές του 70, όταν η IBM επένδυσε πολύ χρόνο και προσπάθεια στην ανάπτυξη εύρωστων συστημάτων

26 10 Κεφάλαιο 2. Θεωρητικό Υπόβαθρο διαμοιρασμού χρόνου (time-sharing). Η έννοια του διαμοιρασμού χρόνου αναφέρεται στη διαμοιραζόμενη χρήση των υπολογιστικών πόρων μεταξύ ομάδων πολλών χρηστών, στοχεύοντας στην αύξηση της αποδοτικότητας τόσο των χρηστών, όσο και των ακριβών υπολογιστικών πόρων που διαμοιράζονταν. Αυτό το μοντέλο αποτελούσε μεγάλο άλμα της υπολογιστικής τεχνολογίας: το κόστος παροχής υπολογιστικής δυνατότητας μειώθηκε αξιοσημείωτα, και έγινε δυνατό σε οργανισμούς, ακόμη και σε ιδιώτες, να χρησιμοποιούν έναν υπολογιστή χωρίς να έχουν πραγματικά στην κατοχή τους έναν. Παρόμοιοι λόγοι οδηγούν την εικονικοποίηση σήμερα στο να γίνει ο κανόνας στους βιομηχανικούς υπολογιστές: η χωρητικότητα σε έναν εξυπηρετητή είναι τόσο μεγάλη που είναι σχεδόν αδύνατο για τα περισσότερους φόρτους εργασίας να το χρησιμοποιήσουν αποδοτικά. Ο καλύτερος τρόπος να βελτιωθεί η χρησιμοποίηση πόρων, και την ίδια στιγμή να απλοποιηθεί η διαχείριση των κέντρων δεδομένων, είναι μέσω της εικονικοποίησης. Τα κέντρα δεδομένων σήμερα χρησιμοποιούν τεχνικές εικονικοποίησης για να κάνουν αφαίρεση του φυσικού υλικού, να φτιάξουν μεγάλες συγκεντρωτικές «δεξαμενές» (aggregated pools) λογικών πόρων που αποτελούνται από CPU, μνήμη, δίσκους, αποθήκευση αρχείων, εφαρμογές, δίκτυο, και προσφέρουν αυτούς τους πόρους στους χρήστες ή τους πελάτες στη μορφή ευέλικτων, επεκτάσιμων, ενοποιημένων εικονικών μηχανών. Ακόμη και αν η τεχνολογία και περιπτώσεις χρήσης (use cases), το βασικό νόημα της εικονικοποίησης παραμένει το ίδιο: να επιτρέπει στο υπολογιστικό περιβάλλον να εκτελεί πολλαπλά ανεξάρτητα συστήματα την ίδια στιγμή Τύποι Εικονικοποίησης/Hypervisors Η εικονικοποίηση επιτρέπει αφαίρεση και απομόνωση στις λειτουργίες των χαμηλότερων επιπέδων και στο χρησιμοποιούμενο υλικό. Αυτό δίνει τη δυνατότητα φορητότητας των λειτουργιών των υψηλότερων επιπέδων, διαμοιρασμού και/ή ενοποίησης των φυσικών πόρων. Στη συνέχεια ακολουθούν οι διάφορες κατηγορίες εικονικοποίησης και hypervisors που υ- πάρχουν [49]. Πλήρης Εικονικοποίηση (Full Virtualization) Σε αυτή την προσέγγιση, ο hypervisor εκτελείται πάνω από το λειτουργικό σύστημα του host, συνήθως ως μία εφαρμογή του χρήστη. Το αποτέλεσμα είναι ότι στις εικονικές μηχανές, οι εφαρμογές και το λειτουργικό σύστημα του guest εκτελούνται πάνω από το εικονικό υλικό που παρέχεται από τον hypervisor/vmm. Παρόλα αυτά, το περιβάλλον της εικονικής μηχανής που παρέχει «επαρκή αναπαράσταση του χρησιμοποιούμενου υλικού για να επιτρέπει στα guest λειτουργικά συστήματα να εκτελούνται χωρίς τροποποιήσεις» μπορεί να θεωρηθεί πλήρως εικονικοποιημένο [24]. Σε αυτό το είδος εγκατάστασης οι συσκευές εισόδου-εξόδου ανατίθενται στις guest μηχανές μιμούμενες τις φυσικές συσκευές στον hypervisor/vmm. Η αλληλεπίδραση με αυτές τις συσκευές στο εικονικό περιβάλλον κατευθύνεται τότε στις πραγματικές φυσικές συσκευές, είτε από τον οδηγό (driver) του host λειτουργικού συστήματος, ή από το VM driver [24]. Η αρχιτεκτονική δίνεται στο Σχήμα 2.1.

27 2.3 Εικονικοποίηση (Virtualization) 11 Εκτελούμενες Εφαρμογές Guest Λ.Σ. π.χ. Windows Εκτελούμενες Εφαρμογές Guest Λ.Σ. π.χ. Windows Εκτελούμενες Εφαρμογές Guest Λ.Σ. π.χ. Windows Λογισμικό Διαχ. VMs Εικονικό Εικονικό Υλικό Υλικό Hypervisor Host Λειτ. Σύστημα Επίπεδο Υλικού Εικονικό Υλικό Σχήμα 2.1: Πλήρης εικονικοποίηση. Εκτελούμενες Εφαρμογές Host Λειτ. Σύστημα (1) Εκτελούμενες Εφαρμογές Host Λειτ. Σύστημα (2) Επίπεδο Εικονικοποίησης Host Λειτ. Σύστημα Επίπεδο Υλικού Εκτελούμενες Εφαρμογές Host Λειτ. Σύστημα (3) Σχήμα 2.2: Εικονικοποίηση Επιπέδου Λειτουργικού Συστήματος. Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι ότι είναι πολύ εύκολη για χρήση. Ενας συνηθισμένος χρήστης μπορεί να εγκαταστήσει ένα προϊόν λογισμικού όπως το VMware Workstation όπως ακριβώς οποιοδήποτε άλλο λογισμικό στο λειτουργικό του. Στο εσωτερικό του VMware Workstation, ένα guest λειτουργικό μπορεί να εγκατασταθεί και να χρησιμοποιηθεί σαν να εκτελούνταν απευθείας στο υλικό. Το κύριο μειονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι η χαμηλή επίδοση, η οποία μπορεί να είναι έως και 30% χαμηλότερη από την περίπτωση που χρησιμοποιούνταν απευθείας το υλικό. Εικονικοποίηση Επιπέδου Λειτουργικού Συστήματος (OS-Layer Virtualization) Είναι επίσης γνωστή ως Single Kernel Image (SKI) ή εικονικοποίηση βασισμένη στο περιεχόμενο (container-based virtualization). Αυτή η ιδέα υλοποιεί την εικονικοποίηση ε- κτελώντας περισσότερα στιγμιότυπα του ίδιου λειτουργικού συστήματος παράλληλα. Αυτό σημαίνει ότι δεν είναι το υλικό, αλλά το λειτουργικό σύστημα του host που εικονοποιείται. Οι εικονικές μηχανές που έχουμε ως αποτέλεσμα χρησιμοποιούν όλα το ίδιο εικονικό αντίγραφο (virtualized image) λειτουργικού συστήματος. Αυτή η αρχιτεκτονική φαίνεται στο Σχήμα 2.2. Εδώ, η εικόνα του λειτουργικού συστήματος ονομάζεται επίπεδο εικονικοποίησης (virtualization layer). Αυτή η λεπτή αρχιτεκτονική διευκολύνει τη διαχείριση του συστήματος, επιτρέποντας

28 12 Κεφάλαιο 2. Θεωρητικό Υπόβαθρο Εκτελούμενες Εφαρμογές Guest Λ.Σ. π.χ. Windows Εκτελούμενες Εφαρμογές Guest Λ.Σ. π.χ. Linux Hypervisor Επίπεδο Υλικού Εκτελούμενες Εφαρμογές Guest Λ.Σ. π.χ. Solaris Σχήμα 2.3: Εικονικοποίηση Επιπέδου Υλικού. στους διαχειριστές των συστημάτων να αντιστοιχίζουν πόρους όπως μνήμη, εγγυήσεις σε CPU και χώρο σε δίσκους, τόσο κατά τη δημιουργία της εικονικής μηχανής, όσο και δυναμικά κατά το χρόνο εκτέλεσης. Σε σύγκριση με άλλες λύσεις εικονικοποίησης για εξυπηρετητές, η εικονικοποίηση επιπέδου λειτουργικού συστήματος τείνει να είναι πιο αποδοτική και αποτυγχάνει μόνο για λίγο στην παροχή της ίδιας απομόνωσης [53]. Ωστόσο αυτή η προσέγγιση έχει ένα, αλλά μεγάλο μειονέκτημα: εφόσον οι εικονικές μηχανές χρησιμοποιούν τον ίδιο πυρήνα (kernel) με το λειτουργικό σύστημα του host, το λειτουργικό σύστημα του guest θα πρέπει να είναι το ίδιο με του host (και άρα, δεν είναι δυνατό να εκτελούνται π.χ. Windows πάνω σε Linux). Εικονικοποίηση Επιπέδου Υλικού (Hardware-Layer Virtualization) Αυτή η προσέγγιση χρησιμοποιείται συνήθως στην αγορά των εξυπηρετητών λόγω της μεγάλης της απομόνωσης των εικονικών μηχανών και της επίδοσης. Σε αυτή την περίπτωση ο hypervisor εκτελείται απευθείας πάνω στο υλικό, ελέγχοντας και συγχρονίζοντας την πρόσβαση των λειτουργικών συστημάτων των guests στους πόρους του υλικού. Στο Σχήμα 2.3 απεικονίζεται αυτή η αρχιτεκτονική. Η εικονικοποίηση επιπέδου υλικού είναι η τεχνική που χρησιμοποιείται από τον Xen που παρέχει μια διεπαφή εικονικής μηχανής που αναπαριστά ένα ελαφρώς τροποποιημένο αντίγραφο του χρησιμοποιούμενου υλικού, όπου τα κομμάτια του αρχικού συνόλου εντολών (instruction set) x86 που δεν μπορούν να εικονικοποιηθούν, αντικαθιστώνται με αντίστοιχες που εικονικοποιούνται εύκολα. Paravirtualization Αντίθετα με την πλήρη εικονικοποίηση, στο paravirtualization (παρά-εικονικοποίηση) το εκτελούμενο λειτουργικό σύστημα του guest θα πρέπει να τροποποιηθεί ούτως ώστε να λειτουργεί σε εικονικοποιημένο περιβάλλον. Το paravirtualization είναι ένα υποσύνολο εικονικοποίησης εξυπηρετητή, που παρέχει μία λεπτή διεπαφή λογισμικού ανάμεσα στο υλικό του host και στο τροποποιημένο λειτουργικό σύστημα του guest. Ενα ενδιαφέρον γεγονός σε αυτή την τεχνολογία είναι ότι οι guest μηχανές γνωρίζουν το γεγονός ότι εκτελούνται σε εικονικοποιημένο περιβάλλον. Ενα από τα κύρια χαρακτηριστικά της τεχνολογίας paravirtualization είναι

29 2.3 Εικονικοποίηση (Virtualization) 13 ότι ο hypervisor/vmm είναι απλός, πράγμα που επιτρέπει στο paravirtualization να επιτύχει επίδοση που είναι πιο κοντά σε υλικό που δε χρησιμοποιεί εικονικοποίηση. Η αλληλεπίδραση των συσκευών στο περιβάλλον που χρησιμοποιεί paravirtualization είναι πολύ παρόμοια με την αλληλεπίδραση των συσκευών στο περιβάλλον πλήρους εικονικοποίησης. Οι συσκευές στο περιβάλλον πλήρους εικονικοποίησης βασίζονται επίσης στους φυσικούς οδηγούς (drivers) συσκευών του χρησιμοποιούμενου host [35]. Εικονικοποίηση Εφαρμογών (Application Virtualization) Στην εικονικοποίηση εφαρμογών, ο χρήστης μπορεί να εκτελεί μια εφαρμογή εξυπηρετητή τοπικά, χρησιμοποιώντας τους τοπικούς πόρους, χωρίς να χρειάζεται η πολυπλοκότητα της πλήρους εγκατάστασης της εφαρμογής στον υπολογιστή του/της. Τέτοιες εικονικοποιημένες εφαρμογές είναι σχεδιασμένες να εκτελούνται σε ένα μικρό εικονικοποιημένο περιβάλλον που περιέχει μόνο τους πόρους που χρειάζεται η εφαρμογή για να τρέξει. Ετσι στην εικονικοποίηση εφαρμογών κάθε χρήστης έχει εικονικοποιημένο ένα απομονωμένο περιβάλλον εφαρμογών. Αυτό το μικρό απομονωμένο εικονικό περιβάλλον λειτουργεί σαν ένα επίπεδο ανάμεσα στην εφαρμογή και στο λειτουργικό σύστημα του host. Εικονικοποίηση Πόρων (Resource Virtualization) Η εικονικοποίηση σε επίπεδο συγκεκριμένων πόρων του συστήματος, όπως αποθηκευτικές μονάδες ή δικτυακοί πόροι [35] είναι γνωστό ως εικονικοποίηση πόρων. Υπάρχουν διάφορες προσεγγίσεις για την επίτευξη της εικονικοποίησης στους πόρους. Κάποιες απ αυτές είναι: Ενοποίηση πολλών μεμονωμένων συστατικών σε μια μεγαλύτερη δεξαμενή (pool) από πόρους. Στα υπολογιστικά πλέγματα (grid computing) ή σε συστάδες (clusters) υπολογιστών όπου πολλοί διακριτοί υπολογιστές συγχωνεύονται για να σχηματίσουν ένα μεγάλο υ- περυπολογιστή (supercomputer) με τεράστιους πόρους. Διαμέριση ενός πόρου, όπως του χώρου στο δίσκο, σε ένα πλήθος από μικρότερους και εύκολα προσβάσιμους πόρους του ίδιου τύπου. Εικονικοποίηση Αποθηκευτικών Μέσων (Storage Virtualization) Η εικονικοποίηση αποθηκευτικών μέσων είναι μία μορφή εικονικοποίησης πόρων, όπου η λογική μονάδα αποθήκευσης δημιουργείται με αφαίρεση όλων των φυσικών πόρων αποθήκευσης που είναι διασκορπισμένοι στο δίκτυο [35]. Αρχικά οι εικονικοί πόροι αποθήκευσης ενοποιούνται για να σχηματίσουν μια δεξαμενή πόρων αποθήκευσης το οποίο σχηματίζει τη λογική μονάδα αποθήκευσης. Η λογική μονάδα αποθήκευσης, που στην ουσία είναι η ενοποίηση των διασκορπισμένων φυσικών πόρων, εμφανίζεται να είναι η μοναδική ενιαία συσκευή αποθήκευσης στο χρήστη.

30 14 Κεφάλαιο 2. Θεωρητικό Υπόβαθρο Πλεονεκτήματα, Μειονεκτήματα και Προκλήσεις Φυσικά η λογική της εικονικοποίησης έχει πλεονεκτήματα έναντι της κλασικής λογικής «γυμνού μετάλλου» (bare-metal), ωστόσο υπάρχουν και ζητήματα που προκύπτουν κυρίως στον τομέα της πολυπλοκότητας και της επίδοσης. Στη συνέχεια δίνεται μια αναλυτική περιγραφή των βασικών πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων της λογικής της εικονικοποίησης [49]. Πλεονεκτήματα της Εικονικοποίησης Αυξημένη ευελιξία (flexibility) η οποία παρέχεται με πολλούς τρόπους. Είτε γιατί κάποιος μπορεί να τρέξει περισσότερα από ένα στιγμιότυπα λειτουργικού συστήματος σε ένα υπολογιστή είτε γιατί είναι δυνατή η μεταφορά ενός εικονικού στιγμιότυπο σε άλλο φυσικό υπολογιστή, ενώ το εικονικό στιγμιότυπο μπορεί να εκμεταλλευθεί το λειτουργικό σύστημα του host με λειτουργίες όπως παύση (pause), συνέχιση (resume), κλείσιμο (shutdown) και εκκίνηση (boot) [47]. Είναι επίσης δυνατό να αλλάξουν οι προδιαγραφές των εικονικών υπολογιστών ενώ τρέχουν, όπως για παράδειγμα το μέγεθος της κύριας μνήμης, το μέγεθος του σκληρού δίσκου κ.α. [16]. Αυξημένη διαθεσιμότητα (availability) επειδή κάποιος μπορεί να διατηρήσει τα εικονικά στιγμιότυπα να τρέχουν ακόμα και αν ο φυσικός κόμβος πρέπει να κλείσει, π.χ. για αναβάθμιση ή συντήρηση υλικού. Αυτό γίνεται με προσωρινή μεταφορά των εικονικών στιγμιοτύπων σε άλλον υπολογιστή, και με εκ νέου μεταφορά τους στον αρχικό υπολογιστή, μόλις η συντήρηση ολοκληρωθεί και ο αρχικός υπολογιστής είναι έτοιμος να εξυπηρετήσει. Το υλικό μπορεί να αλλάξει, να αναβαθμιστεί, να συντηρηθεί και να επισκευαστεί χωρίς να σταματούν οι υπηρεσίες. Αυξημένη επεκτασιμότητα (scalability) γιατί είναι πολύ εύκολη η πρόσθεση ή η α- φαίρεση κόμβων. Αν η απαίτηση σε χωρητικότητα αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου, είναι πολύ εύκολο να προστεθεί ένας φυσικός κόμβος στη βασική εγκατάσταση της συστάδας (cluster), και θα συνδράμει στην εκτέλεση των υπαρχόντων εικονικών μηχανών που εκτελούν υπηρεσίες. Με αυτόν τον τρόπο η συστάδα επεκτείνεται με την επέκταση της εταιρείας. Αυξημένη χρησιμοποίηση υλικού (hardware utilization) κατά πάσα πιθανότητα, εάν περισσότερα από ένα λειτουργικά συστήματα φιλοξενούνται ταυτόχρονα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι εικονικές μηχανές εκμεταλλεύονται τους πόρους υλικού που δε χρησιμοποιούνται από το λειτουργικό σύστημα του host. Αυξημένη ασφάλεια (security) γιατί παρέχεται μεγαλύτερος διαχωρισμός των υπηρεσιών. Χρησιμοποιώντας πολλαπλές εικονικές μηχανές, είναι δυνατό να διαχωριστούν οι υπηρεσίες εκτελώντας μία υπηρεσία σε κάθε εικονική μηχανή. Αν μία υπηρεσία α- ντιμετωπίζει πρόβλημα, οι άλλες υπηρεσίες δεν επηρεάζονται [16]. Κάνοντας χρήση της εικονικοποίησης, ο εξυπηρετητής μπορεί να διατηρεί μία ελάχιστη εγκατάσταση που

31 2.3 Εικονικοποίηση (Virtualization) 15 μπορεί να φιλοξενεί πολλές εικονικές μηχανές. Κάθε εικονική μηχανή αποτελείται α- πό μία ελάχιστη εγκατάσταση λειτουργικού συστήματος και μια υπηρεσία, όπως για παράδειγμα έναν εξυπηρετητή ιστού (web server). Εστω ότι ο εξυπηρετητής ιστού αντιμετωπίζει κάποιο πρόβλημα. Οι σελίδες που θα φιλοξενεί θα είναι αναξιόπιστες, αλλά η διακοπή λειτουργίας δεν επηρεάζει τις άλλες υπηρεσίες τον εξυπηρετητή της βάσης δεδομένων, το εξυπηρετητή του ηλεκτρονικού ταχυδρομείου (mail server) και το διαχειριστή αρχείων (file server). Μειώνεται το κόστος. Είναι πιθανό να επιτευχθεί μείωση κόστους ενοποιώντας μικρότερους εξυπηρετητές σε ισχυρότερους. Η μείωση του κόστους προκύπτει από τις μειώσεις του κόστους του υλικού (οικονομία επέκτασης που παρατηρείται σε γρηγορότερους ε- ξυπηρετητές), μειώσεις στο κόστος λειτουργίας όσον αφορά το προσωπικό, το εμβαδό χρησιμοποιούμενης επιφάνειας και τις άδειες λογισμικού. Προσαρμογή στις μεταβολές του φόρτου εργασίας. Οι αλλαγές στο επίπεδο της έντασης του φόρτου εργασίας μπορεί εύκολα να αντιμετωπιστεί αλλάζοντας την ανάθεση πόρων και προτεραιοτήτων μεταξύ των εικονικών μηχανών. Τεχνικές αυτόνομης ανάθεσης πόρων που βασίζονται στην ανάγκη υπολογιστικών δυνατοτήτων, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μεταφέρονται δυναμικά επεξεργαστές από μία εικονική μηχανή σε άλλη. Εξισορρόπηση φορτίου (load balancing). Εφόσον η κατάσταση του λογισμικού μιας εικονικής μηχανής είναι τελείως ενθυλακωμένη από το VMM/hypervisor, είναι σχετικά εύκολο να μεταφερθούν εικονικές μηχανές σε άλλες πλατφόρμες ούτως ώστε να βελτιωθούν οι επιδόσεις μέσω της καλύτερης εξισορρόπησης φορτίου. Παρωχημένες εφαρμογές. Ακόμα κι αν ένας οργανισμός αποφασίσει να αλλάξει λειτουργικό σύστημα, είναι δυνατό να συνεχίσει να εκτελεί παλιότερες εφαρμογές στο παλιό λειτουργικό που θα εκτελείται ως guest λειτουργικό μέσα στην εικονική μηχανή. Αυτό μειώνει το κόστος μεταφοράς. Μειονεκτήματα της Εικονικοποίησης Η εικονικοποίηση προφανώς έχει πολλά πλεονεκτήματα, αλλά επίσης έχει και μειονεκτήματα: Η επιβάρυνση φόρτου (overhead) που προκαλεί μειωμένη επίδοση είναι το μεγαλύτερο μειονέκτημα της εικονικοποίησης. Η επίδοση συχνά πέφτει λόγω της ευελιξίας. Οι προγραμματιστές έχουν δουλέψει σκληρά να μειώσουν την επιβάρυνση και να το φτάσουν πολύ κοντά στα επίπεδα επίδοσης του αυτόνομου φυσικού υπολογιστή. Η ύπαρξη μοναδικού σημείου αποτυχίας (single point of failure) στο υλικό ε- ξακολουθεί να είναι πρόβλημα. Ακόμα και αν η εικονική μηχανή έχει αποσυνδεθεί από το υλικό, εξακολουθεί να εξαρτάται από τη λειτουργία του υλικού. Η αποτυχία στο υλικό

32 16 Κεφάλαιο 2. Θεωρητικό Υπόβαθρο κατά πάσα πιθανότητα θα οδηγήσει σε αποτυχία στην εικονική μηχανή, το οποίο θα την εξαναγκάσει σε επανεκκίνηση. Η διεπαφή διαχείρισης είναι στενά συνδεδεμένη με την αντίστοιχη πλατφόρμα εικονικοποίησης. Αυτό μπορεί να είναι πρόβλημα αφού παρεμποδίζει την ενοποίηση πολλών πλατφορμών στο ίδιο περιβάλλον. Προκλήσεις της Εικονικοποίησης Σύμφωνα με τους Popek και Goldberg, οι απαιτήσεις για μια αρχιτεκτονική που μπορεί να εικονικοποιηθεί [44] είναι οι ακόλουθες. Για οποιοδήποτε συμβατικό υπολογιστή τρίτης γενειάς, μπορεί να κατασκευαστεί ένας hypervisor αν το σύνολο των ευαίσθητων εντολών (sensitive instructions) είναι υποσύνολο των προνομιούχων εντολών (privileged instructions). Τυπικά, ο VMM/hypervisor θα πρέπει να έχει τις ακόλουθες τρεις ιδιότητες: Ιδιότητα Αποδοτικότητας (Efficiency Property): Να παρέχει την ικανότητα εκτέλεσης ακίνδυνων εντολών απευθείας στο υλικό, παρακάμπτοντας το hypervisor. Ιδιότητας Ελέγχου Πόρων (Resource Control Property): Ο hypervisor θα πρέπει να έχει τον πλήρη έλεγχο του συστήματος. Οταν τα λειτουργικά συστήματα (που εκτελούνται πάνω από τον hypervisor) προσπαθούν να αποκτήσουν πρόσβαση σε πόρους, η πρόσβαση θα πρέπει να δρομολογείται μέσω του hypervisor. Ιδιότητα Ισοδυναμίας (Equivalence Property): Κάθε πρόγραμμα που εκτελείται πάνω από τον hypervisor θα πρέπει να λειτουργεί με τέτοιο τρόπο που να μην μπορεί να διακριθεί από την περίπτωση που δεν υπάρχει hypervisor. 2.4 Εικονικοποίηση Εισόδου-Εξόδου και Ενοποίηση Πόρων Εικονικοποίηση, όπως ήδη έχει αναφερθεί σε προηγούμενη παράγραφο, είναι μια μεθοδολογία απλοποίησης της διαχείρισης, ελαχιστοποίησης του κόστους και αύξησης της επίδοσης των εξυπηρετητών σε επιχειρησιακά περιβάλλοντα. Τα περιβάλλοντα εικονικοποίησης εισόδουεξόδου δημιουργούνται μέσω αφαίρεσης των πρωτοκόλλων υψηλότερου επιπέδου από τις φυσικές συνδέσεις. Πιο συγκεκριμένα η τεχνολογία εικονικοποίησης πόρων εισόδου-εξόδου, δίνει τη δυνατότητα, για παράδειγμα, σε μια φυσική κάρτα δικτυακής διεπαφής να εμφανίζεται σαν πολλαπλές εικονικοποιημένες κάρτες δικτυακής διεπαφής, συμβατές με τα υπάρχοντα λειτουργικά συστήματα και τους hypervisors. Στη συνέχεια δίνεται το τεχνικό υπόβαθρο για τις τεχνολογίες ενοποίησης πόρων μέσω εικονικοποίησης που μελετήθηκαν στα πλαίσια του Orbit Paravirtual Εικονικοποιημένη Εισόδος-Εξόδος Τρεις βασικές τεχνικές είναι κοινές για τους hosts για την εικονικοποίηση των υπηρεσιών εισόδου-εξόδου για τους guests: (1) η εξομοίωση (emulation) [56], όπου μια μια συσκευή

33 2.4 Εικονικοποίηση Εισόδου-Εξόδου και Ενοποίηση Πόρων 17 υλικού (π.χ. μια συνηθισμένη κάρτα δικτύου) εξομοιώνεται, (2) το paravirtualization [48], το οποίο εξομοιώνει μια νέα συσκευή που είναι σχεδιασμένη να μη μοιάζει με καμία ήδη γνωστή αλλά να είναι όσο το δυνατόν πιο αποδοτική όταν χρησιμοποιείται μεταξύ του guest και του host και (3) η απευθείας αντιστοίχιση συσκευών (direct device assignment) [17] [68] όπου ο hypervisor δίνει σε ένα guest απευθείας πρόσβαση σε ένα υποσύνολο των φυσικών συσκευών του host. Παρόλο το αποδεδειγμένο πλεονέκτημα επίδοσης της απευθείας αντιστοίχισης συσκευών, το παραδοσιακό paravirtualization προτιμάται ή ακόμα και απαιτείται, επειδή η πρώτη δεν υποστηρίζει παρεμβολή (interposition) στην είσοδο-έξοδο, οπότε δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί όταν ο hypervisor χρειάζεται να διακόψει τη χρήση των καναλιών εισόδου-εξόδου για να υλοποιήσει τη δυνατότητα ανοχής σφαλμάτων. Επίσης, το μοντέλο της αντιστοίχισης συσκευών απαιτεί και ακριβότερο υλικό. Χρησιμοποιώντας paravirtual είσοδο-έξοδο, ο hypervisor που εκτελείται σε κάθε εξυπηρετητή είναι υπεύθυνος για τη παρεμβολή της εισόδου-εξόδου για κάθε guest. Ο hypervisor απαιτεί και καταναλώνει φυσικούς πόρους όπως CPU, RAM και SSDs για κάθε εξυπηρετητή, οι οποίοι εναλλακτικά θα μπορούσαν να αντιστοιχηθούν στους guests που εκτελούνται ή να χρησιμοποιηθούν για να τρέξουν επιπρόσθετοι guests. Επιπρόσθετα, αυτό το μοντέλο υποβαθμίζει την επίδοση των guests που απαιτούν αυξημένη είσοδο-έξοδο και περιορίζει την επεκτασιμότητα του συστήματος [21]. Η επιβάρυνση του παραδοσιακού paravirtualization αποτρέπεται, ωστόσο, στο νεότερο sidecore μοντέλο, μέσω της αφιέρωσης πυρήνων (sidecores) των hosts στο να κάνουν αιτήσεις μετάδοσης (polling) στις αντίστοιχες περιοχές μνήμης των guests και και να αντιδρούν ανάλογα, χωρίς εναλλαγές πλαισίου (context switches). Αλλά το να αφιερώνονται sidecores σε κάθε host μπορεί να είναι σπάταλο όταν η δραστηριότητα εισόδου-εξόδου είναι χαμηλή, ή μπορεί να μην παρέχει επαρκή υπολογιστική ισχύ όταν η δραστηριότητα εισόδου-εξόδου είναι μεγάλη. Στα πλαίσια του Orbit [41], προτάθηκε να λυθεί αυτό το πρόβλημα στο επίπεδο των racks μέσω της ενοποίησης των αφιερωμένων sidecores που βρίσκονται σε πολλαπλούς hosts σε έναν εξυπηρετητή. Ο hypervisor διαιρείται τότε αποδοτικά σε δύο μέρη: στον τοπικό hypervisor που φιλοξενεί τις εικονικές μηχανές και στον απομακρυσμένο hypervisor που επεξεργάζεται τις paravirtual λειτουργίες εισόδου-εξόδου. Αυτό το μοντέλο ονομάζεται vrio paravirtual Remote I/O. Στη συνέχεια παρουσιάζονται αναλυτικά οι χρησιμοποιούμενες τεχνολογίες του vrio. Παρεμβολή (Interposition) Η εικονικοποίηση των λειτουργιών εισόδου-εξόδου αποσυνδέει τη λογική από τη φυσική λειτουργία εισόδου-εξόδου μέσω ενός επιπέδου εμμεσότητας (indirection layer). Ο host εκθέτει μια εικονικά συσκευή εισόδου-εξόδου στις guest εικονικές μηχανές. Τότε παρεμβάλλεται («παγιδεύει») τις αιτήσεις της εικονικής μηχανής που κατευθύνονται στην εικονική συσκευή και τις εκπληρώνει («εξομοιώνει») χρησιμοποιώντας το φυσικό υλικό. Αυτή η προσέγγι-

34 18 Κεφάλαιο 2. Θεωρητικό Υπόβαθρο ση παγίδευσε-και-εξομοίωσε [20][44] επιτρέπει στον host να παρεμβληθεί στη δραστηριότητα εισόδου-εξόδου των guest του. Τα οφέλη της παρεμβολής εισόδου-εξόδου είναι ουσιώδη [62]: αυξάνεται η χρησιμοποίηση των φυσικών συσκευών μέσω της πολυπλεξίας χρόνου και χώρου, επιτρέπεται η ζωντανή μετάβαση (live migration) και αναστολή/επανέναρξη χρησιμοποιώντας το επίπεδο εμμεσότητας για την αποσύνδεση και την επανασύνδεση των εικονικών μηχανών από/προς τις φυσικές συσκευές, επιτρέπεται η αδιάλειπτη εναλλαγή μεταξύ διαφορετικών καναλιών εισόδου-εξόδου που επιτρέπει την ενοποίηση των συσκευών, την εξισορρόπηση φορτίου και την κάλυψη των αποτυχιών. Επίσης υποστηρίζονται χαρακτηριστικά όπως παρακολούθηση, SDN, εικόνες βασισμένες σε αρχείο, αντιγραφή, κατάργηση διπλότυπων δεδομένων, δημιουργία στιγμιοτύπων, καθώς και λειτουργίες σχετικές με την ασφάλεια όπως καταγραφή-επανάληψη, κρυπτογράφηση, τοίχος προστασίας, και ανίχνευση εισβολών. Single Root I/O Virtualization (SRIOV) Το επίπεδο εμμεσότητας της εικονικής εισόδου-εξόδου επιβαρύνει την επίδοση, κυρίως εξαιτίας της επιβάρυνσης που δημιουργείται από τις εξόδους [1], ονομαστικά τις εναλλαγές πλαισίου των guests-hosts των λειτουργιών εισόδου-εξόδου, οι οποίες παγιδεύονται και εξομοιώνονται. Αυτή η επιβάρυνση έχει δώσει κίνητρο στους κατασκευαστές υλικού να αναπτύξουν την τεχνολογία Single Root I/O Virtualization (SRIOV) [54][15], μέσω της οποίας μια φυσική συσκευή εισόδου-εξόδου μπορεί να αυτο-εικονικοποιηθεί, υποστηρίζοντας πολλαπλά εικονικά στιγμιότυπα του εαυτού της που μπορούν να ανατεθούν μεμονωμένα στις εικονικές μηχανές. Το SRIOV [54][15] έτσι παρακάμπτει τον host, που αφαιρείται από το κρίσιμο μονοπάτι δεδομένων. Το αποτέλεσμα δείχνει αξιοσημείωτα καλύτερη επίδοση για τους φόρτους δεδομένων με υψηλές απαιτήσεις σε είσοδο-έξοδο [55][32][34][45][64][68]. Υπάρχει ένα σοβαρό μειονέκτημα, ωστόσο, με τη χρήση του SRIOV, αφού εξαλείφει το επίπεδο εμμεσότητας και έτσι παρέχει μόνο πολυπλεξία πέραν των οφελών της εικονικής εισόδου-εξόδου που απαριθμήθηκαν πιο πάνω. Είναι αξιοσημείωτο ότι το SRIOV ακυρώνει τη ζωντανή μετάβαση (live migration), την υπερδέσμευση (overcommitment) μνήμης και άλλα τέτοια χαρακτηριστικά που βασίζονται στην παρεμβολή και που είναι κρίσιμα για τα περιβάλλοντα των εικονικών μηχανών. Paravirtualization Κατά συνέπεια, οι εφαρμογές εικονικοποίησης του σημερινού πραγματικού κόσμου που περιλαμβάνουν τα περισσότερα επιχειρησιακά κέντρα δεδομένων και οι τοποθεσίες του cloud computing, σπάνια χρησιμοποιούν SRIOV. Αντί γι αυτό, αντιλαμβάνονται την εικονική είσοδοέξοδο μέσω του paravirtualization [3][48][60][63], που αντιπροσωπεύεται από το VMware VMXNET3 [61], το KVM virtio [48] και το Xen PV [3]. Η paravirtual είσοδος-έξοδος αυξάνει την επίδοση του επιπέδου εμμεσότητας της εικονικοποίησης ενώ διατηρεί τα προαναφερθέντα οφέλη της παρεμβαλλόμενης εικονικής εισόδου-εξόδου. Το paravirtualization επιτυγχάνει αυτό το στόχο απαιτώντας από τους guests να εγκαταστήσουν έναν ειδικό ο-

35 2.4 Εικονικοποίηση Εισόδου-Εξόδου και Ενοποίηση Πόρων 19 δηγό συσκευής σε κάθε host, που βασίζεται καθαρά σε λογισμικό. Το τελευταίο δεν έχει μοντελοποιηθεί με βάση μια πραγματική συσκευή. Αντίθετα, έχει βελτιστοποιηθεί για να ελαχιστοποιεί τις επιβαρύνσεις που σχετίζονται με την επικοινωνία guest-host και την εναλλαγή πλαισίου. Sidecores Παρόλο που παρέχεται μια βελτίωση, το paravirtualization εξακολουθεί να δημιουργεί εμπόδια στην επίδοση λόγω των εξόδων που εισάγει [4][13][28][32][46][65]. Οι πρόσφατες μελέτες δείχνουν ότι η προσέγγιση των sidecores επιδρά στην αντιμετώπιση του προβλήματος [2][4][23][26][29][33]. Οι πυρήνες του host διαιρούνται σε (1) sidecores που είναι αφιερωμένοι στην επεξεργασία της εικονικής εισόδου-εξόδου και σε (2) VMcores για την εκτέλεση των εικονικών μηχανών που δημιουργούν την κίνηση εισόδου-εξόδου. Κάθε εικονική μηχανή γράφει τις αιτήσεις εισόδου-εξόδου της στη μνήμη που διαμοιράζεται με τον host, όπως είναι σύνηθες για το μοντέλο της paravirtual εισόδου-εξόδου. Είναι ασυνήθιστο, ωστόσο, η εικονική μηχανή να μην προκαλεί έξοδο. Αντί γι αυτό, ο sidecore του host κάνει αιτήσεις μετάδοσης στην αντίστοιχη περιοχή μνήμης και επεξεργάζεται την αίτηση στην άφιξη. Το όφελος αυτής της προσέγγισης είναι διπλό: περισσότεροι κύκλοι στις εικονικές μηχανές (των οποίων τα λειτουργικά συστήματα είναι ασύγχρονα στη φύση και δεν μπλοκάρουν-περιμένουν για λειτουργίες εισόδου-εξόδου) και λιγότερη μόλυνση της κρυφής μνήμης, που αποδίδει μια ουσιαστική βελτίωση της επίδοσης. Για παράδειγμα, το σύστημα Elvis το οποίο υλοποιεί paravirtual block συσκευές και δικτύου στα sidecores είναι μέχρι τρεις φορές πιο αποδοτικό από το βασικό paravirtualization και είναι συχνά σε παραλληλία με το SRIOV [23]. Το μοντέλο της εικονικής εισόδου-εξόδου με sidecores έχει ένα μειονέκτημα. Ενας sidecore πρέπει συνεχώς να κάνει αιτήσεις μετάδοσης στις αντίστοιχες περιοχές μνήμης των σχετικών εικονικών μηχανών του. Ετσι, καταναλώνεται το 100% των κύκλων του sidecore, ακόμα και όταν ο φόρτος εισόδου-εξόδου από αυτές τις εικονικές μηχανές είναι χαμηλός. Σε αυτή την περίπτωση, οι αιτήσεις μετάδοσης σπαταλούν πολύτιμους κύκλους της CPU που θα μπορούσαν αλλιώς να χρησιμοποιηθούν για να υποστηρίξουν άλλη, πιο παραγωγική, δραστηριότητα. Αντίστροφα, είναι επίσης πιθανό ο φόρτος που δημιουργείται από τις αντίστοιχες εικονικές μηχανές να ξεπερνάει τις επεξεργαστικές δυνατότητες των sidecores που τους έχουν αντιστοιχηθεί, και έτσι τα sidecores να γίνονται σημεία συμφόρησης (bottlenecks) του συστήματος. Ενοποίηση Sidecores Το πιο αξιοσημείωτο όφελος της εικονικοποίησης είναι αναμφισβήτητα η ενοποίηση πόρων, που επιτρέπει να πολυπλέκονται πολλαπλά λειτουργικά συστήματα στο φυσικό υλικό. Η ε- μπειρία δείχνει ότι πολλαπλοί εικονικοί εξυπηρετητές μπορούν να εξυπηρετούνται επαρκώς από πολύ λιγότερους φυσικούς εξυπηρετητές. Εικάζεται ότι το ίδιο ισχύει και για τους sidecores και ότι η εφαρμογή του θα ελαφρύνει το πρόβλημα του να αντιστοιχούν υπερβολικά λίγοι ή υπερβολικά πολλοί sidecores ανά εξυπηρετητή, κάνοντας αυτό το νεότερο μοντέλο

36 20 Κεφάλαιο 2. Θεωρητικό Υπόβαθρο εισόδου-εξόδου οικονομικά αποδοτικότερο. Φεύγοντας από το παραδοσιακό μοντέλο εικονικοποίησης «παγίδευσε-και-εξομοίωσε», το μοντέλο των sidecores αποσυνδέει την επεξεργασία της εισόδου-εξόδου του host από τον πυρήνα της εικονικής μηχανής, εκτελώντας το σε ένα διαφορετικό πυρήνα (ή sidecore). Σε επίπεδο υπολογιστών επιπέδου rack, προτείνεται ένα βήμα πιο πέρα για αυτό το μοντέλο, στο οποίο οι sidecores μεταφέρονται σε άλλον εξυπηρετητή. Το μοντέλο αυτό ονομάζεται Paravirtual Remote I/O (vrio). Στο vrio, οι hosts είναι είτε VMhosts, είτε IOhosts, αποτελούμενοι είτε από VMcores, είτε από sidecores. Οι VMhosts δεν επεξεργάζονται (και δε γνωρίζουν καν) την paravirtual κίνηση εισόδου-εξόδου των εικονικών μηχανών τους. Η ενοποίηση των sidecores στους IOhosts επιτρέπει την επίτευξη αυξημένης επίδοσης με το ίδιο πλήθος από CPUs ή συγκρίσιμη επίδοση χρησιμοποιώντας λιγότερες CPUs. Ως αντάλλαγμα προς τη μείωση του πλήθους των CPUs, το vrio απαιτεί περισσότερη δικτυακή υποδομή στο rack. Ενοποίηση Συσκευών Η υποστήριξης της οικονομικής αποδοτικότητας του tradeoff μεταξύ δικτύου/cpu είναι ο λόγος που το vrio παρουσιάζει ένα νέο τύπο ενοποίησης συσκευών για τις εικονικές συσκευές. Η διαίρεση του hypervisor σε τοπικά και απομακρυσμένα συστατικά μέρη κάνει τις απομακρυσμένες συσκευές αποδοτικά προσβάσιμες από τις τοπικές εικονικές μηχανές μέσω της διεπαφής της paravirtual εισόδου-εξόδου. Να σημειωθεί ότι αυτό το χαρακτηριστικό είναι συμπληρωματικό στις υπάρχουσες προσεγγίσεις ενοποίησης συσκευών, όπως τα storage area networks (SANs). Ο λόγος: εάν η εικονική μηχανή είναι ρυθμισμένη να χρησιμοποιεί το SAN απευθείας (όχι ως εικονική συσκευή), τότε χάνουμε τελείως τη δυνατότητα παρεμβολής. Αλλιώς, το SAN εκτίθεται στην εικονική μηχανή σαν μια παραδοσιακή paravirtual συσκευή και έτσι οι σχετικές επιβαρύνσεις του παραδοσιακού paravirtualization μπαίνουν ξανά στο παιχνίδι. Ανεξαρτησία του Hypervisor Το μοντέλο του vrio παρακάμπτει τον τοπικό hypervisor, με αποτέλεσμα ο οδηγός του vrio να είναι ανεξάρτητος από τον τοπικό hypervisor παρέχοντας αρκετά επιπρόσθετα πλεονεκτήματα. Είναι πιθανόν, για παράδειγμα, να υλοποιηθεί ένα εικονικό LAN Επιπέδου-2 που λειτουργεί αδιάλειπτα για τα εικονικοποιημένα λειτουργικά συστήματα μεταξύ διαφορετικών αρχιτεκτονικών επεξεργαστών και τύπων hypervisors. Αυτό το χαρακτηριστικό έχει αξία, αφού πλέον υπάρχουν λιγότερα (guest) λειτουργικά συστήματα σε ευρεία χρήση από τους hypervisors. Το vrio υποστηρίζει επίσης λειτουργικά συστήματα γυμνού μετάλλου (baremetal) για να εγκαταστήσει τον οδηγό του, π.χ. μπορούν επίσης εύκολα να ενσωματωθούν στο προαναφερθέν LAN.

37 2.4 Εικονικοποίηση Εισόδου-Εξόδου και Ενοποίηση Πόρων Αρχιτεκτονική της Υλοποίηση Οταν σχεδιάζεται το vrio, ο στόχος είναι η υποστήριξη ενοποίησης των sidecores ενώ με αντάλλαγμα όσο το δυνατόν λιγότερη καθυστέρηση ούτως ώστε να εμφανίζει συγκρίσιμη ρυθμαπόδοση με λιγότερους πόρους (ή καλύτερη ρυθμαπόδοση με παρόμοιους πόρους) σε σύγκριση με το state-of-the-art [27]. Το μοντέλο του vrio αποτελείται από αρκετά συστατικά στοιχεία που δουλεύουν μαζί για να αποφορτίσουν την επεξεργασία των λειτουργιών εισόδου-εξόδου από ένα σύνολο από VMhosts στους IOhosts τους, στους οποίους βρίσκονται οι sidecores των VMhosts. Συνήθως, οι VMhosts εκτελούν guest εικονικές μηχανές, αλλά μπορούν επίσης να φιλοξενήσουν λειτουργικά συστήματα γυμνού μετάλλου. Ετσι χρησιμοποιείται ο όρος IOclients για το συλλογικό συμβολισμό των οντοτήτων λογισμικού που εκτελούνται στους VMhosts. Ολη η επεξεργασία των λειτουργιών εισόδου-εξόδου υφίσταται στον IOhost, εκ μέρους των IOclients. Αυτή η μεταφορά αρμοδιότητας αφήνει ελεύθερους τους VMhosts να αφιερώσουν περισσότερους πυρήνες στις εργασίες τους που δεν αφορούν είσοδο-έξοδο. Το vrio υλοποιείται ως ένα σύνολο οδηγών στους IOclients και στα modules του πυρήνα στον IOhost. Παρόμοια με το βασικό μοντέλο εισόδου-εξόδου του virtio, το vrio υποστηρίζει τόσο δικτυακές, όσο και block συσκευές. Το πρωτόκολλο virtio επιβάλλει στους guests και στον host να επικοινωνούν βάζοντας σε μία προσωρινή διαμοιραζόμενη μνήμη δακτυλίου τις αιτήσεις και τις αποκρίσεις εισόδου-εξόδου (Σχήμα 2.4). Το vrio διατηρεί αυτή την αρχιτεκτονική αλλά εισάγει μια μεγάλη αλλαγή, υποκαθιστώντας το δακτύλιο διαμοιραζόμενης μνήμης με ένα κανάλι επικοινωνιών. Το τελευταίο είναι ρητά αφιερωμένο για την κωδικοποιημένη κίνηση εισόδου-εξόδου μεταξύ των IOclients και του I/O Hypervisor του λογισμικού που ελέγχει τον IOhost. Το αφιερωμένο κανάλι του vrio είναι ένα 10Gbps Ethernet, αν και θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν άλλα διασυνδετικά δίκτυα, όπως το PCIe [58] ή το RDMA, και κατά πάσα πιθανότητα θα παρείχε καλύτερη επίδοση. Για την ελαχιστοποίηση της καθυστέρησης που εισάγεται από το vrio, κάθε IOclient συνδέεται στον αντίστοιχο IOhost μέσω του δικού του στιγμιοτύπου SRIOV+Eli. Η χρήση του SRIOV με αυτόν τον τρόπο δεν ακυρώνει την παρεμβολή, αφού ο I/O Hypervisor μπορεί να χειρίζεται όπως θέλει την κίνηση εισόδου-εξόδου των πελατών του. Η μόνη υποστήριξη που απαιτεί ο vrio από τους τοπικούς hypervisors είναι να αντιστοιχίζουν guests με κανάλια SRIOV. Πλέον, οι τοπικοί hypervisors παραμένουν αμέτοχοι και χωρίς επίγνωση της εισόδου-εξόδου που εκτελείται από τους guests τους. IOclient Ο IOclient [27] έχει δύο επίπεδα οδηγών. Το πρώτο αποτελείται από τα front-ends, τα οποία εκθέτουν τις paravirtual δικτυακές και block συσκευές στους guests, όπως κάνουν το virtio και το Elvis. Το δεύτερο αποτελείται από τον οδηγό μεταφοράς (transport), αποκλειστικά στον vrio. Είναι συνδεμένο με το προαναφερθέν στιγμιότυπο SRIOV και χρησιμοποιείται για να υποστηρίζει γενικά τόσο block όσο και δικτυακούς τύπους συσκευών που επικοινωνούν με τον I/O Hypervisor όπου υπάρχει ανάγκη. Οταν εκτελείται μία αίτηση εισόδου-εξόδου, ο

38 22 Κεφάλαιο 2. Θεωρητικό Υπόβαθρο Σχήμα 2.4: Σύγκριση των συστατικών στοιχείων που χρησιμοποιούνται για την υλοποίηση μιας εικονικής δικτυακής συσκευής μεταξύ των τεσσάρων μοντέλων εικονικής εισόδου-εξόδου. Το βασικό (baseline) virtio, το Elvis και το vrio μπορούν να δεχτούν την παρεμβολή, ενώ το SRIOV όχι. Το vrio αντικαθιστά τους buffers κοινής μνήμης με δικτυακή επικοινωνία. Οι εικονικές block συσκευές δε φαίνονται στο σχήμα, αλλά υλοποιούνται παρόμοια. IOclient την παραδίδει στο σχετικό front-end οδηγό, που με τη σειρά του την παραδίδει στον οδηγό μεταφοράς. Σε αυτό το σημείο, η αίτηση θα πρέπει να συσχετίζεται με τις πληροφορίες των μεταδεδομένων, όπως το αναγνωριστικό της front-end συσκευής, του τύπου της αίτησης και του μεγέθους της αίτησης. Γι αυτό το λόγο γίνεται απευθείας χρήση του πρωτοκόλλου virtio, το οποίο παρέχει αυτές τις πληροφορίες. Ο οδηγός μεταφοράς είναι υπεύθυνος για την κατάτμηση των αιτήσεων που αποστέλλονται στον I/O Hypervisor σύμφωνα με το πρωτόκολλο Ethernet. Παρόμοια, επανασυναρμολογεί και απο-ενθυλακώνει (decapsulates) τις αποκρίσεις που προέρχονται από τον I/O Hypervisor, πριν καλέσει τις συναρτήσεις χειρισμού του αντίστοιχου paravirtual front-end, το οποίο ειδοποιεί τον IOclient ότι έχει παραληφθεί μια απόκριση για αυτόν. Στο virtio και στο Elvis, ο διαχειριστής αποφασίζει το πλήθος και τον τύπο των front-ends που έχουν αντιστοιχηθεί σε κάθε εικονική μηχανή μέσω του τοπικού hypervisor. Στο vrio, η δημιουργία συσκευής γίνεται μέσω του I/O Hypervisor. Ετσι ο οδηγός μεταφοράς έχει ένα δευτερεύον ρόλο: το να λαμβάνει εντολές από τον I/O Hypervisor για να κατασκευάζει και να καταστρέφει paravirtual συσκευές στον IOclient I/O Hypervisor Στα μοντέλα που δέχονται την παρεμβολή ως δυνατότητα, κάθε front-end συσκευή συνδέεται με ένα (IO)host back-end, το οποίο παρέχει την αναμενόμενη λειτουργικότητα. Αυτό το επίπεδο εξομοίωσης είναι όπου υφίσταται η λειτουργία της παρεμβολής, επιτρέποντας στον (IO)host να εκτελεί υπηρεσίες όπως κρυπτογράφηση επιπέδου block πακέτου, SDN, Ελέγχου Πακέτων σε Βάθος (Deep Packet Inspection DPI), ανίχνευση εισβολέων, αντιιικό λογισμικό, κατάργηση διπλότυπων δεδομένων και συμπίεση. Ο I/O Hypervisor [27] του vrio αποτελείται από ένα σύνολο από εργάτες (workers) που ο καθένας εκτελείται σε διαφορετικό πυρήνα ή (sidecore). Οι εργάτες εξυπηρετούν τις αιτήσεις εισόδου-εξόδου από τους IPclients ή από εξωτερικές ομάδες που επικοινωνούν με αυτούς. Οι