Virtual machine(VM) is a software which can run multiple operating systems concurrently on a hardware. With the rapid growth of hardware, VM has become a new computing paradigm. VM supports various hardware environments which are independent on each other and highly secure. Therefore, it is widely used on practical industry using desktop and servers.
The increase of the number of guest operating systems leads a scalability problem in a virtualized environment. Especially, memory is the most critical resource for the large amount of guest operating systems. Unfortunately in the real environment, the amount of physical memory is not enough for the guest operating systems. Since the lack of memory resource does not affect only a guest operating system but also whole VM system, efficient memory management is one of the most important issues of VM.
To use memory resource more efficiently, VMware developed "Content based page sharing". With it, VMs consume less physical memory than they need by sharing the memory areas with each other. Although, this method achieved significant improvement of memory saving, there were some performance drawbacks in finding pages to be shared.
This thesis proposes a new approach to share memory among virtual machines and to resolve the drawbacks of VMware's method. To achieve this goal, we identify the pages by the information about block device numbers and sector numbers of block I/O requests from the guest operating systems. Then we allocate a page for an identical block I/O request and let guest operating systems share the page. Moreover, this approach does not reduces only the memory usage but also the number of block I/Os because only one block I/O is performed for a shared page.
We implemented this method in Linux kernel on Xen which is the most widely used virtual machine manager evaluated based on it. Workloads used for test were composed of desktop and server applications. As testing with various number of guest operating systems, our memory sharing method achieved 60%-90% of memory saving and reduction of I/O operation for corresponding shared pages.
버추얼 머신(VM)은 하나의 하드웨어에서 다수의 운영체제를 동작시킬 수 있는 소프트웨어로, 발전하는 하드웨어 성능에 힘입어 최근 컴퓨팅환경의 새로운 패러다임으로 떠오르고 있다. VM은 다수의 운영체제에게 독립적이고, 보안성이 높은 가상의 하드웨어 환경을 제공해줌으로써 운영체제 개발 등의 연구 분야뿐 아니라, 데스크탑과 서버 등 실제 산업분야에서의 활용도도 높아지고 있다.
버추얼 머신 환경에서 동시에 동작시키길 원하는 게스트 OS의 수가 많아지자 VM의 여러 자원에서 확장성 문제가 생겨나고 있다. 특히 메모리는 다른 하드웨어 자원들에 비해 게스트 OS의 수에 영향을 많이 받는 자원이다. 게스트 OS의 수가 늘어남에 따라 필요한 메모리양도 함께 증가하지만, 실제로 탑재되는 메모리의 양은 그 필요량을 따라가지 못한다. 메모리의 부족은 하나의 게스트 OS뿐 아니라 시스템 전체의 성능에 영향을 미치기 때문에, VM에서 효율적인 메모리 사용이 중요한 이슈가 되고 있다.
효율적인 메모리 사용을 위해 VMware에서는 내용기반 페이지 공유라는 방식을 사용하고 있다. 이 방식은 게스트 OS간의 공통된 메모리 영역을 공유함으로써 메모리 사용량을 줄이는 방법에 관한 연구이다. 이 방법은 메모리 공간을 절약함에 있어 효과적인 성능향상을 이루었지만, 공통된 페이지를 찾아내기 위한 오버헤드가 발생하는 단점이 존재했다.
본 논문에서는 기존에 Vmware에서 사용하던 방법의 단점을 해결한 새로운 메모리 공유 방법을 제안한다. 이를 위하여 게스트 OS에서 블록 I/O를 요청할 때 알 수 있는 블록 디바이스와 섹터 번호 등의 정보를 이용하여 각 페이지를 구분하였다. 이렇게 구분된 페이지를 하나의 메모리 공간에 할당하고 이를 필요로 하는 각 게스트 OS에서 이 메모리 공간을 공유하여 사용하도록 함으로써 시스템 전체의 메모리 사용량을 줄일 수 있도록 하였다. 또한 메모리를 공유하는 과정에서 공유되는 페이지에 대해서는 처음 한번의 블록 I/O만을 수행하여, 메모리 공간뿐 아니라 I/O 수행 시간의 성능 향상도 이루고 있다.
이 방법을 실제 버추얼 머신 환경에 구현하여 실험을 통해 성능을 측정하였다. 데스크탑 환경과 서버 환경으로 구분하여 각 환경에서 많이 사용되는 응용프로그램들을 각 게스트 OS에서 동작시키는 실험 결과 워크로드와 게스트 OS의 수에 따라 60%-90%d의 메모리 공간 절약과 블록 I/O 감소를 확인할 수 있었다.
