Comparación del rendimiento entre los hipervisores XEN y KVM usando virtualización

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1 Comparación del rendimiento entre los hipervisores XEN y KVM usando virtualización Isaac Zablah por hardware 1, R. Valin 2, A. García-Loureiro 2, Javier López Cacheiro 3, Fernando Gomez-Folgar 3 Resumen 1 El presente artículo muestra los resultados obtenidos tras ejecutar un conjunto de benchmarks en anfitriones y máquinas virtuales gestionadas con los hipervisores Xen y KVM. La finalidad fue determinar cuál de ellos era más eficiente para las aplicaciones tipo que pretendemos ejecutar en la infraestructura computacional del proyecto Formiga Cloud. En los resultados obtenidos, se observó que las máquinas virtuales de Xen presentan un mejor rendimiento con aplicaciones de cálculo que las máquinas virtuales de KVM, mientras que para las pruebas de escritura en disco, el rendimiento de las máquinas virtuales de KVM es mejor que el de las máquinas virtuales de Xen. Palabras clave Benchmarks, XEN, KVM, máquinas virtuales, hipervisores. I. INTRODUCCIÓN Durante los últimos años hemos asistido a un desarrollo notable de las infraestructuras Cloud, así como de los fundamentos tecnológicos que permiten su implementación, entre los que se destacan la arquitectura orientada a servicios (SOA) y la virtualización Hardware y Software [1]. En el caso de las tecnologías de virtualización, éstas son uno de los principales fundamentos del modelo Cloud conocido como infraestructura como servicio (IaaS), basado en la gestión de los recursos hardware. El proyecto Formiga Cloud [2] propone la creación de una infraestructura Cloud, basada en el modelo IaaS, que permita el aprovechamiento de los recursos computaciones de las aulas de informática pertenecientes a las universidades para su uso tanto en tareas docentes como en tareas de cálculo científico. En el marco de este proyecto, se detectó la necesidad de realizar una evaluación del rendimiento de los hipervisores compatibles con la infraestructura Formiga Cloud. Esto es debido a que es necesario utilizar la tecnología de virtualización, para poder sacar provecho de los ordenadores disponibles dentro de una institución durante los períodos de inactividad. Con lo anterior, se pretende instalar sistemas virtualizados que se gestionen de forma remota y en los que se pueda implementar una arquitectura de computación distribuida, para que sean empleados con fines relacionados a la computación intensiva. Además, la infraestructura también estará 1 Sistema de Difusión de Radio y Televisión Universidad Nacional Autónoma de Honduras, mrzablah@unah.tv 2 Dpto. Electrónica y Computación, Universidad de Santiago de Compostela, raul.valin@usc.es, antonio.garcia.loureiro@usc.es 3 Dpto. de Sistemas, Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA), jlopez@cesga.es, fgfolgar@cesga.es disponible para fines docentes, permitiendo a los profesores y alumnos desplegar máquinas virtuales (MV) bajo demanda. Para este estudio se han seleccionado los hipervisores Xen rc3 con Linux kernel , sobre CentOS 5.6 (Xen4), Xen el5 con Linux kernel el5xen sobre CentOS 5.5 (Xen3) y KVM sobre Ubuntu LTS con Linux kernel server en combinación con la versión de qemu-kvm (KVM), ya que son compatibles con la infraestructura propuesta. Ambos son de código abierto y se encuentran entre los más ampliamente utilizados en la computación de altas prestaciones. Para evaluar su rendimiento se han ejecutado una serie de benchmarks estandarizados para estos fines, y se ha utilizado, también, una aplicación de computación intensiva. Hay que señalar que la finalidad de evaluar dos versiones distintas de Xen es tasar sus respectivos rendimientos y su repercusión en las MV. Adicionalmente, se evaluó un sistema con el kernel original de la distribución CentOS 5.5, cuya versión es el5, para conocer de igual forma los cambios de rendimiento al tener instalado el kernel Xen. En este trabajo se han evaluado tres aspectos esenciales en lo que se refiere a la comparación del rendimiento de la máquina virtual con la máquina física. El primero, la capacidad de cálculo usando LINPACK [3], el segundo, la evaluación de la entrada/salida del disco duro por medio de una medición de la tasa de transferencia de escritura empleando IOZone [4] y, finalmente, la evaluación del rendimiento cuando se emplea una aplicación de cálculo científico. Este artículo se ha dividido en las siguientes secciones: en la sección dos se realiza una breve descripción de los hipervisores usados. En la sección tres se hace una descripción de los benchmarks empleados. En la sección cuatro se describen los resultados obtenidos y, finalmente, en la sección quinta se plantean y discuten las conclusiones del trabajo realizado. II. DESCRIPCIÓN DE LOS HIPERVISORES El hipervisor Xen [5] es una herramienta utilizada para implementar la tecnología de virtualización, y que permite la ejecución en las MV de una gran variedad de sistemas operativos como, por ejemplo, Linux, BSD o Windows, entre otros. En su última versión [6], introduce optimizaciones en la gestión de cargas de trabajo, disminuyendo la latencia en aplicaciones de red y audio, entre otras. Actualmente, Xen permite utilizar el juego de instrucciones más reciente de los procesadores INTEL, como las llamadas Advanced Vector

2 extension, AVX, entre otras. Se implementa a través de un kernel modificado con el soporte de virtualización. Xen puede ejecutarse en modo paravirtualizado, donde se requiere adaptar el sistema operativo de la máquina virtual (huésped), o en modo de virtualización completa, que no requiere efectuar modificaciones en el software del huésped. El hipervisor KVM (Kernel Virtual Machine) [7], opera por medio de una serie de módulos cargados durante el arranque del sistema operativo, convirtiendo a todo el sistema en un gestor de virtualización, a diferencia de otros hipervisores que reescriben partes del sistema operativo creando un kernel personalizado. Con estos módulos, se ha logrado simplificar la gestión y aumentar el rendimiento de los entornos virtualizados, de manera que cada MV se ejecuta como un proceso dentro del sistema operativo. KVM requiere para su ejecución contar con un microprocesador con soporte para virtualización por hardware [8]. III. DESCRIPCIÓN DE LOS BENCHMARKS Con la finalidad de evaluar y comparar el rendimiento de las máquinas virtuales con las respectivas máquinas físicas, se han seleccionado los siguientes benchmarks: IOZone [4]: es un benchmark sintético que se utiliza para conocer la medida de rendimiento del disco en los procesos de lectura y escritura. Se ha utilizado una partición al final del disco duro de 20 GB en la que se escribe el fichero temporal de esta aplicación, evitando, de esta forma, que los resultados se viesen alterados por escribir en distintas zonas del disco. La versión empleada es la Linpack [3]: es un benchmark sintético que se utiliza para conocer el rendimiento del sistema en cuanto a cálculo. Fue desarrollado en el Argone National Laboratory por Jack Dongarra en 1976, y es uno de los más usados a nivel científico [9]. Su característica fundamental es que hace un uso intensivo de las operaciones de punto flotante, y sus resultados son muy dependientes de la capacidad de la unidad de punto flotante (FPU) de los sistemas evaluados. Para este artículo se utilizó la distribución del Linpack versión que Intel tiene disponible como parte de sus herramientas Math Kernel. Simulador de Nanodispositivos MOSFET: es una aplicación de cálculo científico utilizada en el campo de la simulación de tipo Monte Carlo [10] para dispositivos semiconductores. Se ha aplicado al estudio de transistores MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), que son los dispositivos electrónicos más utilizados en la industria electrónica hoy en día, ya que han permitido alcanzar una mayor capacidad de integración en los diseños de circuitos permitiendo fabricar procesadores de mayor rendimiento. IV. En esta sección se muestran los resultados de la ejecución de las distintas pruebas de rendimiento. Se empleó un ordenador TOSHIBA Qosmio X500 con un procesador Intel Core i7 1.60Ghz, con 4GB de RAM y disco duro de 500GB de 7200RPM SATAII para las pruebas del hipervisor KVM. Para las pruebas con el hipervisor Xen se empleó un ordenador con procesador Intel Xeon 2.27GHz, con 16GB de RAM y disco duro de 500GB de 7200RPM. Las características de configuración de las MV y de los sistemas anfitriones se describen a continuación: Se desactivó la memoria SWAP tanto en los sistemas anfitriones como en las máquinas virtuales. En todas particiones se empleó el formato EXT2. Se utilizó la misma cantidad de memoria RAM para la ejecución de las pruebas en todos los sistemas (1GB). Se desactivó la funcionalidad de Hyperthreading del microprocesador y además sólo se ha empleado un núcleo en todas las pruebas. En el caso de la prueba de IOZone, se utilizó una partición ubicada al final del disco duro, de manera que todas las pruebas se ejecutaron en las mismas condiciones (en la misma región del disco). Se desactivó la utilidad CPUSpeed, que viene integrada en varias distribuciones de Linux. Todos los sistemas operativos se utilizaron en su versión de 64bits. En el caso de KVM, se empleó la utilidad virtmanager para gestionar las máquinas virtuales y, además, en ellas se emplearon los controladores VirtIO [11]. A continuación, se presentan los resultados para cada uno de los benchmarks realizados: A. Prueba con Linpack En esta prueba se utilizó un tamaño de problema y de dimensiones de 5000, con valores de alineación de 4KBytes. Linpack proporciona una medida promedio de la capacidad de procesamiento en unidades de GigaFLOPS (GFlops). Los resultados absolutos se muestran en la Tabla 1: GFlops Tiempo (s) Anfitrión KVM MV KVM Anfitrión NoXen Anfitrión Xen MV Xen Anfitrión Xen MV Xen Tabla 1: Resultados con LINPACK Los resultados de la Tabla 1 muestran que en el caso de la MV en KVM tiene una pérdida de rendimiento de 3.07 GigaFLOPS respecto al anfitrión; requiriendo la

3 MV sólo segundos adicionales para completar la prueba. En Xen3, La MV fue menos eficiente que el anfitrión, perdiendo 1.68 GigaFLOPS y requiriendo segundos adicionales para completar la prueba. En Xen4, los rendimientos fueron muy parecidos entre la MV y el anfitrión, donde se presentó una mínima pérdida de 0.04 GigaFLOPS por parte la MV. Es importante mencionar que el anfitrión Xen3 obtuvo resultados más altos en este benchmark que el anfitrión sin el kernel de Xen, superando a éste por 0.08 GigaFLOPS. Sin embargo, el anfitrión Xen4 rindió menos que el sistema con kernel original perdiendo 0.20 GigaFLOPS. El rendimiento en GigaFLOPS de los sistemas evaluados siguió el comportamiento que muestra la Gráfica 1: Gráfica 1: Comportamiento de los sistemas evaluados con Linpack En cambio, el comportamiento relativo que existe entre las MV/anfitriones y entre los anfitriones y la máquina sin modificar se muestra en la Tabla 2: MÁQUINA VIRTUAL ANFITRIÓN (%) MV KVM 64.34% MV Xen % MV Xen % ANFITRIÓN ANFITRIÓN SIN KERNEL MODIFICADO(%) Anfitrión KVM % Anfitrión Xen % Anfitrión Xen % Tabla 2: Valores relativos porcentuales obtenidos entre las máquinas virtuales y sus respectivos anfitriones, y de estos con el sistema con kernel sin modificar (Anfitrión NoXen). del anfitrión KVM, éste obtuvo 3% más rendimiento que el sistema original sin modificaciones. Lo mismo sucedió con el anfitrión con Xen3 que aumentó 1%. En cambio, el anfitrión con Xen4 perdió 2.39% de rendimiento frente al sistema sin modificaciones. B. Prueba con IOZone Con el test de acceso al disco, se evaluó la tasa de transferencia para completar un proceso de escritura de un archivo de 4GB. La prueba se realizó en una partición dedicada ubicada al final del disco duro. Los resultados se muestran en la Tabla 3: Tasa de Kbytes/s Tasa de Re- Kbytes/s Anfitrión KVM MV KVM Anfitrión NoXen Anfitrión Xen MV Xen Anfitrión Xen MV Xen Tabla 3: Tasas de transferencia en escritura y re-escritura en IOZone. En la Tabla 3, el mayor rendimiento en la tasa de escritura lo obtuvo el sistema con el kernel sin modificar, y en la tasa de re-escritura el mejor resultado fue el del anfitrión con Xen4. En KVM, la MV obtuvo un rendimiento en la tasa de escritura de 1779 Kbytes/s inferior al anfitrión, y en la tasa de re-escritura sucedió lo mismo pero con una diferencia de 3510 Kbytes/s. En este caso, hay que señalar que el controlador VirtIO emplea por defecto caché, para la gestión del almacenamiento, en modo Writethrough y ello repercute en los resultados obtenidos. En el caso Xen3, la MV presentó una diferencia de rendimiento de Kbytes/s en tasa de escritura y de Kbytes/s en tasa de re-escritura inferior al anfitrión. Lo mismo sucedió con Xen4, donde la MV obtuvo diferencias de Kbytes/s en tasa de escritura y de Kbytes/s en tasa de re-escritura frente al anfitrión. Todos los anfitriones presentaron rendimientos inferiores que la máquina con el kernel sin modificar. En la Gráfica 2 se muestran las tasas de transferencia de los sistemas evaluados (anfitriones y MV), tomando como valor de comparación la tasa de transferencia de datos en los procesos de escritura y re-escritura. En la Tabla 2 se muestra una pérdida de rendimiento de la MV con respecto al anfitrión inferior a un 1% en el caso del hipervisor Xen4. Por otra parte, para el Xen3 la MV pierde 19.91% del rendimiento obtenido por su anfitrión. En cambio, con KVM la MV perdió un 35.66% de rendimiento frente a su anfitrión. En el caso Gráfica 2: Resultados de la prueba de IOZone.

4 El comportamiento relativo que existe entre las MV/anfitriones y entre los anfitriones y la máquina sin modificar se muestra en la Tabla 4: MÁQUINA VIRTUAL ANFITRIÓN (%) Tasa de Tasa de Re- MV KVM 96.24% 93.04% MV Xen % 47.62% MV Xen % 64.45% ANFITRIÓN ANFITRIÓN SIN KERNEL MODIFICADO(%) Tasa de Re- Tasa de Anfitrión Xen % 98.39% Anfitrión Xen % % Tabla 4: Resultados relativos entre MV y anfitriones. Se incluye la relación entre los anfitriones con Xen y la máquina con kernel sin modificar. En la Tabla 5, la MV en KVM requirió de segundos adicionales más que el anfitrión para completar la prueba. En caso de Xen3, la MV necesitó de segundos más que el anfitrión y en Xen4 la MV requirió de segundos más que el anfitrión. Entre las MV la más eficiente fue la de KVM al igual que el anfitrión; superando a la misma máquina con el kernel sin modificar. La Gráfica 3 representa las diferencias en los tiempos necesarios para completar la prueba de nanodispositivos: En la Tabla 4, la MV en KVM obtuvo un rendimiento 3.76% menor en escritura y 6.96% menor en re-escritura con respecto al anfitrión. Para el caso de Xen3, la diferencia entre los sistemas fue de un 49.29% en escritura y de un 52.38% en re-escritura obteniendo menos rendimiento la MV frente a su anfitrión. En el caso de Xen4, las diferencias entre ambos sistemas fueron más pronunciadas, de forma que en modo escritura el sistema invitado presentó un 42.65% menos rendimiento que el anfitrión, y en el modo re-escritura el sistema invitado presentó 35.55% menos. Entre los anfitriones, el que presentó un mejor rendimiento en la tasa de escritura fue Xen3 respecto al sistema sin modificaciones, y en la tasa de re-escritura el anfitrión Xen4 superó por 41.25% al sistema sin modificaciones. No se ha incluido en la comparación el anfitrión con KVM debido a diferencias importantes de hardware existentes con la máquina que ejecuta el kernel sin modificar. C. Prueba con el Simulador de Nanodispositivos MOSFET En esta prueba se somete a todo el sistema a una evaluación de la aplicación de cálculo científico que describimos en la sección anterior. El resultado de la misma se cuantifica con el tiempo que requiere el sistema para obtener la simulación, de manera que cuanto menor sea el tiempo empleado mejor será el resultado. Los resultados se muestran en Tabla 5: Tiempo (s) Anfitrión KVM MV KVM Anfitrión NoXen Anfitrión Xen MV Xen Anfitrión Xen MV Xen Tabla 5: Resultados de la simulación de nanodispositivos. Gráfica 3: Tiempo (s) para completar prueba de Nanodispositivos MOSFET en los sistemas evaluados. Los rendimientos relativos entre MV, anfitriones y máquina con kernel sin modificar se encuentran en la Tabla 6: PORCENTAJE DE TIEMPO MÁQUINA VIRTUAL ADICIONAL REQUERIDO RESPECTO AL ANFITRIÓN (%) MV KVM 24.34% MV Xen3 8.98% MV Xen4 8.31% ANFITRIÓN RELACION DE TIEMPO NECESITADO PARA LA PRUEBA RESPECTO AL ANFITRIÓN SIN KERNEL MODIFICADO (%) Anfitrión Xen % Anfitrión Xen % Tabla 6: Resultados relativos entre los sistemas evaluados. Los resultados de la Tabla 6 muestran que en el caso de la máquina virtual sobre KVM requirió un 24.34% más de tiempo para completar la simulación que el sistema anfitrión, a diferencia de la MV sobre el hipervisor Xen3 que requirió 8.98% más tiempo que su anfitrión, mientras que Xen4 sólo requirió un 8.31% más de tiempo que su anfitrión. En el caso del anfitrión Xen3 requirió 11.23% más tiempo y en Xen4 los tiempos fueron casi iguales, solo requiriendo un 1.82% más de tiempo para completar la prueba. En la Gráfica 4 se representa la pérdida de rendimiento relativa entre la MV y el anfitrión para los hipervisores

5 evaluados, y para cada uno de los benchmarks empleados. En el caso de las pruebas de escritura y reescritura, la MV en KVM presentó rendimiento relativo superior con respecto a la MV de Xen % para le prueba de escritura y de un 45.42% para la prueba de reescritura y en relación a la MV en Xen4 de un 38.89% para la prueba de escritura, y de un 28.58% para la reescritura. Para las pruebas de Linpack y el simulador de nanodispositivos la MV de Xen4 tiene mejor rendimiento que la MV de KVM, apreciándose para el test de Linpack una diferencia de un 34.65% y en el test del simulador de nanodispositivos una diferencia de un 11.88%. Al comparar los resultados entre la MV en Xen4 y la MV en Xen3; se observa que la nueva versión del hipervisor ha mejorado en varios aspectos; de manera que en la prueba de IOZone en tasa de escritura obtuvo un resultado 6.64% mejor y en la tasa de reescritura ha obtenido un 17.28% mejor. En el caso de la prueba de Linpack, la MV en Xen4 apenas mostró pérdida con el anfitrión, mientras que la MV con Xen3 perdió un 19.91%. diferencia con la MV con Xen3), ya que requirió únicamente un 8% más tiempo que el anfitrión para completar la simulación; siendo mucho más eficiente que la MV en KVM. En general, podemos concluir que las MV que se ejecutan con el hipervisor Xen mostraron un mayor rendimiento en las tareas evaluadas que estaban relacionadas con el cálculo y procesamiento intensivo. En cambio, la situación es distinta en cuanto a la tasa de transferencia de escritura en disco, en la cual la MV sobre KVM mostró un mejor rendimiento que la MV de Xen. Finalmente, según los resultados obtenidos, se observa una diferencia considerable en el rendimiento de las máquinas virtuales dependiendo de si la aplicación hace un mayor uso del disco o del procesador. Por lo tanto, sería conveniente, como trabajo futuro, analizar las causas de estas diferencias, y en caso de que no fueran inevitables se podría seleccionar previamente el hipervisor con el que desplegar la máquina virtual en función del tipo de aplicación que se desee ejecutar. Probablemente esta situación sea causada por la presencia de los controladores VirtIO que mejoran esta funcionalidad. AGRADECIMIENTOS El presente trabajo ha sido financiado por la Xunta de Galicia mediante los proyectos 09TIC001CT e INCITE08PXIB206094PR, y por el Gobierno de España (MCYT) y fondos FEDER mediante el proyecto TEC Gráfica 4: Resultados de la pérdida de rendimiento entre la MV y el anfitrión para Xen y KVM. V. CONCLUSIONES Este trabajo se ha centrado en comparar el rendimiento de los hipervisores Xen y KVM. Para ello, se han ejecutado tres test correspondientes a los benchmarks IOZone y Linpack, y de la aplicación de cálculo científico de simulación Monte Carlo de nanodispositivos MOSFET. Éstos se han ejecutado en los anfitriones y máquinas virtuales gestionadas por los hipervisores de código abierto Xen y KVM, compatibles con el diseño del proyecto Formiga Cloud. En el test Linpack, la MV que se ejecutó con el hipervisor Xen4 presentó el mayor rendimiento; ya que la diferencia con el anfitrión fue menor del 1%. En el test de IOZone se evaluó la tasa de transferencia en modo en la cual la MV bajo KVM presentó la menor pérdida respecto al anfitrión, siendo ésta de tan sólo un 3.76%. En cambio, los resultados obtenidos con la MV en Xen3 y Xen4, en la misma prueba, mostraban una pérdida mucho más pronunciada. Cuando se evaluó la tasa de transferencia en modo Re-, la MV en KVM sólo perdió un 6.96% frente al anfitrión, siendo mucho más eficiente que la MV en Xen3 y Xen4. En el test de cálculo científico, presentó un mayor rendimiento la MV en Xen4 (aunque con muy poca REFERENCIAS 1. Zhang, Liang-Jie, et al. Hot Topics in Cloud Computing. IT Professional, Septiembre 2010, Vol. 12, pp Gomez-Folgar, F., et al., An e-science infraestructure for nanoelectronic simulations based on grid and cloud technologies., Electron Devices (CDE), 2011 Spanish Conference, pp. 1-4, INTEL Corp.. INTEL Math Kernel Library Benchmark, IOZone File System. IOZone.org Xen.org. Xen Hypervisor Web Site Xen Hypervisor 4.1 Release. releases/. 7. Habib, Irfan. Linux Journal. Virtualization with KVM M. Tim Jones, EMULEX Corp. IBM - DeveloperWorks. Discover The Linux KErnel Virtual Machine Lilja, David J. Measuring Computer Performance. s.l. : Cambridge University Press, 2004.

6 10. Knuth, D.E. The Art of Computer Programming, Vol. 2. s.l. : Addison-Wesley, M. Tim Jones, EMULEX Corp. IBM - DeveloperWorks. VirtIO: Marco de Virtualización de E/S para Linux.