بخشی از مقاله
چکیده
تثبیت سرور از طریق اجرای چند ماشین مجازی روی یک پلتفرم همراه با مجازیسازی، راهحل کارآمدی برای اجرای موازی و بهرهگیری از سیستم پردازشگرهای چند هستهای مدرن میباشد. به هر حال، کارآیی و مقیاسپذیری روش تثبیت، روی سرورهای پیشرفتهی بزرگ و مدرن، به درستی بررسی نشده است. در این مقاله، یک مطالعهی جامع از کارآیی Xen و مشخصهی مقیاسپذیری اجرای SPECvirt_s c2010، و تعیین تأثیر حافظه و کش بزرگ ناشی از سوئیچ فرکانس بالا و غیرضروری محتوا انجام شده است، این سوئیچهای غیر ضروری باعث ایجاد چالشهای دیگر در کارآیی و مقیاسپذیری سیستم میشود. ما دو روش بهینهسازی پیشنهاد میکنیم - برنامههای با امکان تخصیص به صورت دینامیک و کنترلکنندهی نرخ محتوا-سوئیچ - تا کارآیی سیستم را بهبود بخشیم. نتایج بدست آمده، کارآیی بهبودیافتهی حافظه و کش را با کاهش CPI کلی نشان میدهند که قابلیت تثبیت سرور تا %15 در SPECvirt_sc2010 افزایش یافته است. در ضمن، روش بهینهسازی ما به افزایش سرعت %50 در پاسخ سرویس دست یافته، که به میزان زیادی QoS مجازیسازی Xen را بهبود میبخشد.
کلمات کلیدی: مجازیسازی؛ تثبیت سرور؛ اندازهگیری، زمانبندی کننده، بهینهسازی کارآیی
-1 مقدمه
هر چه صنعت محاسبات وارد عرصهی چندهستهای شده و هستههای CPU بیشتری در یک قطعه ترکیب میشوند، چگونگی استفادهی کارآمد از این منابع هسته، به چالش بزرگتری برای نرمافزار تبدیل میشود. سیکلهای CPU، که برای همزمانی بین هستههای CPU به کار میرود - برای مثال، قفل-چرخش کرنل سیستم عامل - ، ممکن است با زیاد شدن تعداد هسته، به میزان زیادی افزایش پیدا کند. به عبارت دیگر، ایجاد همزمانی در یک برنامه برای محاسبهی کارآمد و موازی و استفاده از مزایای چندهستهای، نیازمند مهندسی دقیق است که ممکن است برای برخینرمافزارها قابل بکارگیری نباشد. مجازیسازی، روشی برای بهبود کارآیی موازیسازی و استفاده از هستهها، از طریق تثبیت چند ماشین مجازی VM - های - مستقل و در حال اجرا در یک ماشین فیزیکی میباشد. در مجازیسازی، یک لایهی جدید نرمافزاری به نام هایپروایزر یا مانیتور ماشین مجازی - مانند VMWare، Hyper-V، Hyper-V و Xen، غیره -
روی سختافزار اجرا میشود تا توهم وجود چند ماشین مجازی - VM - را برای اجرای OSهای میهمان ایجاد نماید. مجازیسازی یک مدل استفادهی جدید برای بهرهگیری از منابع محاسباتی - یا همان VMها - برای مثال، سرویس پرداخت به محض استفاده از ابر، است. یک سیستم مجازیسازی مانند Xen، اغلب باعث ایجاد منابع CPU میشود - در واقع تعداد کل CPUهای مجازی بیشتر از CPUهای فیزیکی خواهد شد - ، که به زمانبندی هایپروایزر برای نگاشت CPUهای فیزیکی به CPUهای مجازی مختلف در یک روش مشترک زمانی بستگی دارد. به هر حال، کارآیی و مقیاسپذیری راهحل مجازیسازی برای تثبیت سرور و تأثیر روش زمانبندی روی سرورهای پیشرفتهی بزرگ و مدرن، به عنوان یک چالش باقی مانده است.
تست SPECvirt_sc2010 یک تابع آزمایشی استاندارد برای اندازهگیری قابلیت مجازیسازی برای تثبیت سرور میباشد. این تابع تا آنجا که ممکن است اکثر قسمتهای - مجموعهای از VMها - بار کاری سرور را اجرا میکند که شامل یک سرور وب، یک سرور ایمیل، و یک سرور جاوا میباشد تا بخش معینی از انتقالات را کامل کرده و از بخشهایی که میتوانند برای نمایش ظرفیت سیستم مجازی شده اجرا شوند، استفاده نماید. زمان پاسخ، یا QoS، شاخص دیگری در Specvirt_sc2010 میباشد که نشان میدهد اکثر انتقالات بارکاری سرور، نسبت به نهفتگی و رکود حساس هستند. کارآیی SPECvirt_sc2 0 10 برای یک هایپروایزر با هدف مدل استفادهی تثبیت سرور مانند مرکز داده و محیط محاسبات ابری، لازم و ضروری میباشد، به هر حال، مشخصهی و تأثیر زمانبندی هایپروایزر روی آن، در یک سرور پیشرفته و بزرگ، هنوز مورد بررسی قرار نگرفته است.[1]
در این مقاله، یک بررسی جامع از قابلیت تثبیت سرور Xen ارائه میکنیم که روی SPECvirt_sc2010 در حال اجرا بوده و یافتههای خود را در مورد معیار سربار در یک سرور پیشرفته و بزرگ، و بهینهسازی انجام شده برای بهبود کارآیی و مقیاسپذیری Xen از نظر تثبیت سرور را به نمایش میگذاریم. ویژگیهای اصلی کار ما به شرح زیر است: - 1 ما یک بررسی جامع از کارآیی Xen و مشخصهی مقیاسپذیری SPECvirt_sc2010 که روی یک سیستم Xeon 5680 دو سوکتی جدید در حال اجرا است، انجام میدهیم - این سیستم یکی از سرورهای پیشرفته، البته نه پیشرفتهترین، در محصولات بزرگ میباشد - . نتایج نشان میدهد، زمانی که تعداد VMها افزایش مییابد - تعداد بخشها در Specvirt_sc2010 رشد پیدا میکند - ، Xen به صورت نامناسبی - سیکل CPU به ازای هر دستورالعمل، یا CPIشدیداً افزایش یافته و زمان پاسخ به صورت نمایی زیاد میشود - مقیاسدهی میگردد.
- 2 یک تحلیل کامل از معیار سربار مجازیسازی ارائه کرده، و مسئلهی مقیاسپذیری را به عنوان نتیجهای از حافظهی زیاد و تأثیر کش، بخاطر سوئیچ فرکانس بالا و غیرضروری محتوا تعیین میکنیم. تحلیل بیشتر نشان میدهد که تغییر زیاد ناشی از الف - پردازش ناکارآمد وقفهها و ب - زمانبندی هایپروایزر به صورت بسیار سنگین میباشد. - 3 بهینهسازیهایی برای بهبود کارآیی پردازش وقفه و محدود کردن زمانبندی بسیار سنگین هایپروایزر پیشنهاد شده است. برنامههایی با قابلیت تخصیص به صورت دینامیک برای حذف درگیری غیرضروری هایپروایزر برای VM بیکار مورد استفاده قرار گرفته و اگر فرکانس زمانبندی از آستانهی مشخصی بیشتر شود، کنترل نرخ زمانبندی تطبیقی هایپروایزر برای محدود کردن سوئیچ محتوا به کار برده میشود.
نتایج بدست آمده، کارآیی حافظه و کش بهبودیافته را همراه با کاهش CPI کلی نشان میدهند که منجر به بهبود قابلیت تثبیت سرور تا %15 در SPECvirt_sc2010 میشود. در ضمن، بهینهسازی ما به بیش از %50 افزایش سرعت پاسخ سرویس دست یافته، که QoS مربوط به روش مجازیسازی Xen را به میزان زیادی افزایش میدهد ادامهی این مقاله به صورت زیر ساماندهی شده است. بخش 2، پیشزمینههای تثبیت سرور را ارائه میکند که شامل مقدمهای خلاصه از Xen VMM و بار کاری تثبیت سرور بکار برده شده، میباشد. بخش 3 تنظیمات آزمایشگاهی را معرفی میکند. در بخش 4، نقطهی شکست سربار را با جزئیات کامل ارائه میکند که پس از آن دو بهینهسازی برای بررسی سوئیچ با فرکانس بالا در بخش 5 آورده شده است. کارآیی بهینهسازی ما در بخش 6 نشان داده میشود. بخش 7 تحقیقات مربوطه و بخش 8 نتیجهگیریهای این مقاله را توصیف مینماید.[2]
-2 پیشزمینه
1-2 تثبیت سرور
امکان اجرای چند ماشین مجازی روی یک سختافزار فیزیکی در مجازیسازی سیستم، وجود دارد بنابراین باعث افزایش بهرهوری سیستم و در نتیجه کاهش هزینه میشود. تثبیت سرور، تعداد و انواع اجزا در محیط را کاهش میدهد. این تثبیت ممکن است محدود به سرورها نباشد و ممکن است سایر اجزای فیزیکی مانند نوارها، دیسکها، ابزاها و اتصالات شبکه، سیستمهای عامل و دستگاههای جانبی درگیر در تثبیت سرور را نیز شامل شود. تثبیت سرور باعث میشود تا جابهجایی و تغییر سیستمها، برنامهها و ابزارهای جانبی با تعداد کمتری سختافزار و استاندارهای نرمافزاری برای مدیریت، آسان باشد. اگر چه سختافزار فیزیکی در بین ماشینهای مجازی به اشتراک گذاشته میشود، اما ماشینهای مجازی به صورت کامل از یکدیگر ایزوله بوده و هر کدام سیستم عامل جداگانهای با برنامههای مخصوص به خود را اجرا میکند.
