[논문]중첩 가상화 환경에서 메모리 오버커밋을 하는 하이퍼바이저 VM과 중첩 VM의 성능 평가

유태묵; 임종범; 정광식; 서태원; 유헌창

중첩 가상화 환경에서 메모리 오버커밋을 하는 하이퍼바이저 VM과 중첩 VM의 성능 평가
Performance Evaluation of Hypervisor VMs and Nested VMs Overcommitting Memory in Nested Virtualization Environments 원문보기

유태묵 (고려대학교 대학원 분산클라우드컴퓨팅 연구실) , 임종범 (고려대학교 대학원 분산클라우드컴퓨팅 연구실) , 정광식 (방송통신대학교 컴퓨터과학과) , 서태원 (고려대학교 대학원 컴퓨터시스템 연구실) , 유헌창 (고려대학교 대학원 분산클라우드컴퓨팅 연구실)

가상화는 가상의 자원이 물리적 자원에 접근할 수 있게 해주는 기술이며 VM(가상머신)을 다수 설치하여 VM의 수만큼 운영체제들을 이용할 수 있다. 이러한 가상화는 자원의 낭비를 막고 관리비용을 줄이기 위해 사용한다. 가상화 기술은 CPU, 메모리, I/O 가상화로 구분 지을 수 있으며 이 중 메모리 가상화 기술은 메모리 자원의 효율적인 사용을 가능하게 해준다. 여러 VM들이 실제 머신의 메모리보다 많은 메모리를 할당받아 사용하는 것이 가능한데 이것을 오버커밋 상태라고 한다. 중첩 가상화는 VM에 하드웨어 가상화 기법의 사용을 허용하게 하여 VM 위에 또 다른 VM이 동작할 수 있는 환경을 제공해준다. 이와 같은 (중첩) 가상화 환경에서의 메모리 접근은 일반적으로 하드웨어 지원을 통한 중첩 페이징 기법을 이용하여 메모리의 접근이 이루어진다. 본 논문에서는 오버커밋 발생 시 중첩 VM과 하이퍼바이저 VM의 성능 차이를 실험을 통하여 보여주고자 한다.

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문제 정의

본 논문에서는 중첩 가상화 환경에서 중첩 VM과 하이퍼바이저 VM의 성능을 비교하기 위해 두 VM 모델들 각각을 두개씩 실행을 하고 동시에 SPEC 2006 벤치마크 프로그램을 수행하였다. 또한 오버커밋이 발생하였을 때 중첩 VM을 통하여 메모리의 크기를 일정하게 증가 시키며 벤치마크 프로그램을 실행하여 성능을 비교하였다.

제안 방법

또한 오버커밋 시 가장 효율적으로 사용할 수 있는 메모리의 크기를 찾기 위한 실험은 두 개의 중첩 VM에서 메모리의 크기만을 변경하여 두 개의 VM에서 각각 벤치마크 프로그램을 동시에 수행하여 결과를 비교하는 것으로 진행하였다.
본 논문에서는 중첩 가상화 환경에서 중첩 VM과 하이퍼바이저 VM의 성능을 비교하기 위해 두 VM 모델들 각각을 두개씩 실행을 하고 동시에 SPEC 2006 벤치마크 프로그램을 수행하였다. 또한 오버커밋이 발생하였을 때 중첩 VM을 통하여 메모리의 크기를 일정하게 증가 시키며 벤치마크 프로그램을 실행하여 성능을 비교하였다.
본 논문에서는 중첩 VM과 하이퍼바이저 VM의 성능 비교를 위해 호스트 머신에 하이퍼바이저의 중첩 가상화를 지원하는 리눅스 커널을 사용하여 VM들을 구성하였다. 실험을 위해 사용한 시스템의 사양은 <표 1>과 같으며, 각 VM의 사양은 <표 2>와 같다.
오버커밋 발생 시 중첩 VM과 하이퍼바이저 VM의 성능차이를 알기 위해서 호스트 머신에서 두 개의 하이퍼바이저 VM을 구성한 뒤 벤치마크 프로그램을 동시에 수행하여 실험을 하였으며, 하나의 하이퍼바이저 VM에서 두 개의 중첩 VM을 구성한 뒤 벤치마크 프로그램을 동시에 수행하여 실험하였다.
중첩 VM과 하이퍼바이저 VM의 성능 비교를 위해 SPEC 2006 벤치마크 프로그램을 사용하였으며 오버커밋이 발생하는 환경을 만들기 위해 각각의 VM들의 메모리 크기를 증가시키며 성능을 측정하였다.

데이터처리

각 VM들의 성능 비교를 위한 실험은 SPEC 2006 벤치마크 프로그램을 중첩 VM과 하이퍼바이저 VM에서 수행하여 각각의 VM들의 성능을 여덟 번 측정 후 평균시간을 계산하여 성능을 비교하며 진행하였다.

이론/모형

본 연구 실험 환경에서는 중첩 EPT 페이징 기법을 적용할 수 없어 (그림 2)(b)의 페이징 기법을 이용하여 실험을 하였다.
이 중 메모리 가상화는 가상의 메모리가 호스트 메모리에 접근이 가능하게 하는 것이다. 이를 위해 가상화 페이징 기법을 이용하여 메모리 가상화를 구현한다. 이 때 사용되는 가상 메모리는 CPU가 내보내는 가상 주소를 메모리 관리 유닛(MMU)를 통하여 호스트 물리주소로 변환하는 것이다.

성능/효과

(그림 4)를 보게 되면 모든 벤치마크 프로그램이 8GB에서 최상의 성능을 보여주고 있고 8GB에서 5GB로 메모리의 크기가 줄어들수록 평균적으로 11.62% 성능저하를 보여주며 최대 13.86%의 성능저하가 나타났다. 수치적으로 오버커밋은 5GB부터 일어나지만 VM이 할당된 모든 메모리를 다 사용하지 않기 때문에 중첩 VM이 두 개가 실행되어도 무리 없이 실행되는 것으로 보이며, VM의 메모리 크기가 호스트 머신의 메모리 크기와 동일할 때(8GB) 최고의 성능을 나타내었다.
그리고 중첩 VM의 메모리 크기별로 오버커밋 발생 시 SPEC 2006 벤치마크 프로그램을 수행한 결과 각 중첩 VM의 메모리 크기가 호스트 머신의 메모리 크기와 가까워질수록 성능이 좋아지며, VM의 메모리 크기가 호스트 머신의 메모리 크기보다 크게 할당 되었을 경우에는 VM의 메모리 크기가 호스트 머신의 메모리크기와 동일하게 할당되었을 경우보다 성능이 떨어지는 결과를 보였다.
86%의 성능저하가 나타났다. 수치적으로 오버커밋은 5GB부터 일어나지만 VM이 할당된 모든 메모리를 다 사용하지 않기 때문에 중첩 VM이 두 개가 실행되어도 무리 없이 실행되는 것으로 보이며, VM의 메모리 크기가 호스트 머신의 메모리 크기와 동일할 때(8GB) 최고의 성능을 나타내었다. (그림 4)의 성능평가에서 알 수 있듯이 9GB로 VM 메모리를 증가 시켰을 때 급격하게 성능이 저하된다.
오버커밋 발생 시 SPEC 2006 벤치마크 프로그램으로 하이퍼바이저 VM과 중첩 VM의 성능 차이를 측정한 결과 평균 11.9%의 성능 차이가 났다. 이는 하나의 하이퍼바이저 VM에서 두 개의 VM이 수행된 점을 감안하면 11.
04%). 이는 하나의 하이퍼바이저 VM에서 두개의 VM이 실행되었다는 점을 감안하면 평균 11.9%의 성능 감소로두 배의 작업을 수행하는 것을 알 수 있다.
중첩 VM과 하이퍼바이저 VM의 평균 성능차이는 11.9%로 나타났으며 특히 호스트 머신의 메모리 크기와 동일해졌을 때 성능차이가 가장 적게 나타났다(8.04%). 이는 하나의 하이퍼바이저 VM에서 두개의 VM이 실행되었다는 점을 감안하면 평균 11.

후속연구

향후 성능 측정 시 하나의 하이퍼바이저 VM에서 세 개이상의 머신에서 수행 하여 메모리 오버커밋을 하는 모든 중첩 VM에 대하여 최적의 성능을 나타내는 VM의 수와 메모리의 크기와의 상관관계를 측정할 계획이다.

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