[논문]디스크 I/O 성능에 따른 가상 서버 통합에 대한 고찰

한성근; 신영호; 김규석; 김중백; 김주영

[국내논문] 디스크 I/O 성능에 따른 가상 서버 통합에 대한 고찰
A Study on Virtual Machine Consolidation According to DISK I/O Performance 원문보기

한성근 (한국과학기술정보연구원) , 신영호 (한국과학기술정보연구원) , 김규석 (한국과학기술정보연구원) , 김중백 (한국과학기술정보연구원) , 김주영 (한국과학기술정보연구원)

스마트폰이나 태블릿PC와 같은 모바일기기 보급의 확산으로 모바일 클라우드 컴퓨팅이 발전하고 있다. 이와 같은 클라우드 컴퓨팅의 핵심 기술은 가상화 기술이며 서버 가상화가 근간을 이룬다. 가상 서버는 물리 서버의 성능 이상을 추구하고 있으며 디스크 I/O에 따라 성능이 크게 좌우된다. 본 논문에서는 가상 서버 상에서 NAS, Local SAS, PCI-SSD와 같은 다양한 디스크에 대한 I/O 성능을 테스트하였고, 이를 근거로 디스크 I/O 성능에 따른 가상 서버 통합에 대해 고찰하였다.

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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 가상 서버 운영이나 가상 서버 통합 비율을 계산함에 있어 디스크 I/O 성능이 큰 영향을 미치고 있음을 감안하여, 디스크 I/O 성능에 따라서 얼마나 많은 가상 서버들을 통합하여 운영할 수 있는지 테스트 해 보았으며, 가상 서버 통합 비율에 따른 이점들을 논한다.
물리 서버를 가상 서버로 통합할 때 성능적인 측면에서 고려해야 할 부분으로 디스크 I/O가 중요한 요소임을 앞 절에서 설명하였다. 본 절에서는 앞에서 실험한 데이터를 근거로 가상 서버로 통합할 때 디스크 I/O 측면에서 어느 정도의 통합 비율을 이룰 수 있는가를 논한다.

제안 방법

L2, L3, L7 스위치, 네트워크 방화벽, 보안 장비들을 가상 서버로 구현하고, 네트워킹 자원들이 하나의 공유된 물리적인 환경에서도 내부적으로는 가상화를 통해 분리되어 동작하도록 한다. Multi-Tenancy를 갖춘 IaaS 구현 기반 기술을 제공한다.
가상 서버의 CPU는 4코어(cores)를 할당하였다. ioMeter 부하 프로그램을 통해 8개의 쓰레드를 생성한 후, 데이터 블럭 크기를 4KB, 8KB, 16KB로 설정하고, Read 70%, Write 30% 비율로 각 디스크 장치에 Random I/O를 발생시켜 성능을 측정하였다. <표 1>은 한 대의 가상 서버 구동 시에 테스트한 디스크 I/O 성능에 대한 결과를 나타내며, (그림 1)은 디스크별 IOPS(Input/Output Operations Per Second) 성능을 나타낸다.
4를 설치하였고, 가상 서버마다 2코어(cores)씩의 CPU를 할당하였다. ioMeter 부하 프로그램을 통해 다섯 대의 가상 서버에 대해 각각 8개의 쓰레드를 생성한 후, 데이터 블럭 크기를 4KB, 8KB, 16KB로 설정하고, Read 70%, Write 30% 비율로 각 디스크 장치에 Random I/O를 발생시켜 성능을 측정하였다. <표 2>는 열 다섯 대의 가상 서버 구동 시에 테스트한 디스크 I/O 성능에 대한 결과를 나타내며, (그림 2)는 열 다섯 대의 가상 서버에 대한 디스크별 평균 IOPS를 나타낸다.
이 추상화 계층은 VMM(Virtual Machine Monitor) 또는 호스트 서버(Hypervisor)라고 불리는 운영체제로부터 컴퓨팅 시스템의 물리적 자원을 감추고 논리적 자원 풀(Resource Pool)을 제공한다. 가상화 기술을 통해 한 대의 서버에서 복수의 운영체제를 가동할 수 있도록 하여 데이터 센터 내의 수십 대의 물리적인 서버 워크로드들을 몇 대의 가상 서버로 통합 및 집적이 가능하도록 한다. 이를 통해 물리적인 상면 비용, 관리적인 측면의 비용, Green IT 측면의 전력량을 포함하여 서버 자원 활용도를 증대시킨다.
디스크마다 다섯 대의 가상 서버를 할당함으로써 실제 현실 상황에서 발생할 수 있는 I/O 경합을 고려하여 테스트하였다. 각 가상 서버에는 실험-1과 마찬가지로 OS로는 Linux RHEL 5.
가상화 기술의 근간인 가상 서버 통합은 디스크 I/O 성능에 따라 통합 비율이 달라지며 이에 따라 관리 및 유지비용이 영향을 받는다. 본 논문에서는 가상 서버에 NAS, Local SAS, PCI-SSD와 같은 디스크 장치를 적용하여 디스크 I/O 성능을 테스트 하였다. PCI-SSD 장치는 다른 장치에 비해 그 성능이 월등히 뛰어 나게 나왔으며 서버 통합 비율이 높음을 알 수 있었다.
본 논문에서는 디스크 I/O에 따른 가상 서버의 성능과 물리 서버의 가상 서버로의 통합 비율을 알아보기 위해 실험-1에서는 한 대의 가상 서버에, 그리고 실험-2에서는 각 디스크마다 다섯 대씩 총 열 다섯 대의 의 가상 서버에 NAS, Local SAS, PCI-SSD 디스크 장치들을 연결하여 각 디스크에 대한 I/O 성능을 측정하였다. 테스트 환경은 다음과 같다.
실험-1에서는 한 대의 호스트 서버 위에 한 대의 가상 서버를 구동한 상태에서 성능을 테스트하였다. 가상 서버에는 OS로 Linux RHEL 5.
실험-2에서는 한 대의 호스트 서버 위에 각 디스크마다 다섯 대의 가상 서버를 할당하여 총 열 다섯 대의 가상 서버를 구동한 상태에서 성능을 테스트하였다.
데이터 센터 내의 수십 대의 물리적인 서버 워크로드들을 몇 대의 가상 서버로 통합 및 집적하여 물리적인 상면 비용, 관리적인 측면의 비용, Green IT 측면의 전력량을 포함한 서버 자원 활용도를 증대시킨다. 클라우드의 IaaS 구현의 기반 기술을 제공한다.
사용자의 PC에 개별적으로 설치되어 있는 애플리케이션을 가상화를 통해 제공하여, 사용자는 필요한 애플리케이션을 자신의 PC에 매번 설치하지 않고도 즉시 On-Demand 방식으로 사용이 가능하다. 클라우드의 SaaS 구현의 기반 기술을 제공한다.

이론/모형

L2, L3, L7 스위치, 네트워크 방화벽, 보안 장비들을 가상 서버로 구현하고, 네트워킹 자원들이 하나의 공유된 물리적인 환경에서도 내부적으로는 가상화를 통해 분리되어 동작하도록 한다. Multi-Tenancy를 갖춘 IaaS 구현 기반 기술을 제공한다.

성능/효과

(그림 2)에서 Read IOPS에 대한 평균 성능은 NAS(72.8), Local SAS(76.6), PCI-SSD(1769.1)로 PCI-SSD가 NAS의 약 24배, Local SAS의 약 23배로 우수하였다. Write IOPS에 대한 평균 성능은 NAS(31.
본 논문에서는 가상 서버에 NAS, Local SAS, PCI-SSD와 같은 디스크 장치를 적용하여 디스크 I/O 성능을 테스트 하였다. PCI-SSD 장치는 다른 장치에 비해 그 성능이 월등히 뛰어 나게 나왔으며 서버 통합 비율이 높음을 알 수 있었다. 서버 통합 비율을 높임으로써 서버 구입비용을 줄일 수 있으며, 관리 서버의 수가 줄어듦으로써 Green IT에서 추구하는 전력 및 냉각 비용 등 에너지 소비를 줄일 수 있는 효과를 얻게 된다.
9)로 PCI-SSD가 NAS의 약 29배, Local SAS의 약 14배로 우수하였다. Write IOPS에 대한 성능은 NAS(42.6), Local SAS(90.6), PCI-SSD(1275)로 PCI-SSD가 NAS의 약 29배, Local SAS의 약 14배로 역시 우수함을 나타냈다.
1)로 PCI-SSD가 NAS의 약 24배, Local SAS의 약 23배로 우수하였다. Write IOPS에 대한 평균 성능은 NAS(31.1), Local SAS(33.0), PCI-SSD(757.9)로 PCI-SSD가 NAS의 약 24배, Local SAS의 약 23배로 역시 우수함을 나타냈다.
가상 서버의 통합 비율을 높임으로써 호스트 서버의 수를 줄일 수 있으며, 이는 데이터 센터 내의 공간 절약, 소요 전력 절약, 냉각 비용 절약 등 그 파급 효과는 크다. 더욱이 디스크 I/O 성능을 고려하여 서버 통합을 수행할 경우 전체적인 가상 서버 성능 또한 계획한 만큼 보장받을 수 있을 것이다.
실험-1에서는 PCI-SSD가 NAS의 약 29배, Local SSD의 약 14배의 좋은 성능을 나타냈다. 이 데이터를 근거로 Read IOPS 50을 보장하기 위한 가상 서버를 구축한다면 한 대의 호스트 서버 위에 NAS를 사용할 경우 2대, Local SAS를 사용할 경우 4대, PCI-SSD를 사용할 경우 59대의 가상 서버를 구동할 수 있게 된다.
실험-2에서는 다수의 가상 서버가 디스크 경합을 일으키는 환경을 재현하였으며 이때 PCI-SSD가 NAS의 약 24배, Local SSD의 약 23배의 좋은 성능을 나타냈다. 이 데이터를 근거로 가상 서버를 구성할 경우에도 역시 PCI-SSD 디스크가 다른 디스크 장치보다 좋은 통합 비율을 보인다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

가상화란?

가상화는 물리적 하드웨어와 운영체제, 애플리케이션 사이에 소프트웨어 추상화 계층을 도입하는 기술이다. 이 추상화 계층은 VMM(Virtual Machine Monitor) 또는 호스트 서버(Hypervisor)라고 불리는 운영체제로부터 컴퓨팅 시스템의 물리적 자원을 감추고 논리적 자원 풀(Resource Pool)을 제공한다.

클라우드 컴퓨팅이란?

클라우드 컴퓨팅이란 인터넷 기술을 활용하여 가상화된 IT 자원을 서비스로 제공하는 컴퓨팅으로, 사용자는 소프트웨어, 저장 장치, 서버, 네트워크 등의 IT 자원을 필요한 만큼 빌려서 사용하고, 사용한 만큼 비용을 지불하는 체계를 말한다.[4][5] 클라우드 컴퓨팅 기술은 모든 디지털화된 자원(소프트웨어, 하드웨어, 네트워크 등)을 가상화하여 사용자가 On-Demand 방식으로 언제, 어떤 단말로 접속하더라도 동적으로 자원을 공급해주며 실제로 사용한 양만큼의 과금(Pay-as-You-Go)이 이루어지도록 하는 소비자 중심의 총체적 기술이다.

데스크톱 가상화란?

사용자의 데스크톱 PC에서 이기종의 또 다른 데스크톱 OS를 운영 가능하도록 함으로써, 개인 작업 공간과 회사 작업 공간의 분리가 가능해진다. 클라우드의 DaaS (Desktop as a Service) 구현의 기반 기술을 제공한다.

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