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仮想計算機の複製に基づく 規模適応性に優れた サーバ構築システムの設計と実装. 九州産業大学 大学院 情報科学研究科 神屋 郁子 九州産業大学 情報科学部 下川 俊彦. Outline. 背景 研究目的・解決手法 仮想計算機制御プロトコル VMCP の設計 仮想計算機転送・実行システム PIYO の実装 評価 関連研究 まとめ・今後の課題. 背景. 近年インターネットは広く普及 サーバシステムの問題点 サーバの処理能力不足 ネットワーク帯域不足. 現状の解決方法. サーバの処理能力不足 計算機を増やしたり処理性能の高い計算機を利用 コストがかかる

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仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装

九州産業大学 大学院 情報科学研究科

神屋 郁子

九州産業大学 情報科学部

下川 俊彦


Outline
Outline

  • 背景

  • 研究目的・解決手法

  • 仮想計算機制御プロトコルVMCPの設計

  • 仮想計算機転送・実行システムPIYOの実装

  • 評価

  • 関連研究

  • まとめ・今後の課題

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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背景

  • 近年インターネットは広く普及

  • サーバシステムの問題点

    • サーバの処理能力不足

    • ネットワーク帯域不足

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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現状の解決方法

  • サーバの処理能力不足

    • 計算機を増やしたり処理性能の高い計算機を利用

      • コストがかかる

      • 時間がかかるので急な要求の増加に対応できない

  • ネットワーク帯域不足

    • ネットワーク帯域を増やして対応

      • 局所的に増やすと対外接続が溢れる

    • 予め広域分散配置

      • 動的に広域分散配置するのは困難

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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研究目的

  • 処理能力不足と帯域不足の解決

    • 処理能力不足の解決

      • 動的にサーバの処理能力を向上

    • 帯域不足の解決

      • 動的にサーバの帯域を増加

      • 動的にサーバを広域分散配置

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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解決手法:サーバ増殖

  • 仮想計算機技術の利用

    • 仮想計算機の複製や転送は容易

  • 処理能力とネットワーク帯域の動的な増加

    • 動的なサーバの増加及び広域分散配置

サーバ増殖

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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サーバ増殖の手法

  • 仮想計算機モニタを導入した物理計算機を共有計算機として予め広域分散配置

  • 仮想計算機上にサーバを構築

    • 処理能力が必要

      • 仮想計算機を複製

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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仮想計算機の複製

  • 処理能力の増加とネットワーク帯域の増加

    • 計算機の増加より処理能力が増える

    • 広域分散配置により帯域を増加・トラフィックの集中を防ぐ

    • ユーザを誘導することで負荷を分散

仮想計算機

仮想計算機

仮想計算機

仮想計算機

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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仮想計算機制御プロトコルVMCP

  • VMCP:Virtual Machine Control Protocol

  • 機能

    • 認証

    • 転送先の物理計算機に関する情報取得

    • 転送先のネットワークに関する情報取得

    • 仮想計算機の転送

    • 仮想計算機の制御

    • その他

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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VMCPの機能説明

①認証

  • VMCPクライアントをVMCPサーバが認証

    ②転送先の物理計算機に関する情報取得

  • CPUスペック、メモリサイズ、HDD空き容量、ネットワーク帯域

    ③転送先のネットワークに関する情報取得

  • IPアドレス、ネットマスク、デフォルトルータ、ネームサーバ

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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VMCPの機能説明

④仮想計算機の転送

  • 転送元から転送先へ仮想計算機を送信

  • 転送先から転送元へ仮想計算機を受信

    ⑤仮想計算機の制御

  • 仮想計算機の起動・停止・一時停止・一時停止の解除・強制終了・再起動

    ⑥その他

  • 起動中の仮想計算機の一覧表示

  • VMCPサーバとVMCPクライアントの接続の終了

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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仮想計算機転送・実行システムPIYO

  • PIYO:ProlIferate and Yield Objects

  • サーバクライアント方式を採用

    • サーバ側:PIYOサーバ、クライアント側:PIYOクライアント

  • 手順

    • 転送元で仮想計算機構成ファイルをコピー

    • VMCPを用いて転送先の情報を入手

    • 必要な情報の書き換え

    • 書き換えた仮想計算機をVMCPを用いて転送

    • 転送先で仮想計算機の起動や終了の操作

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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仮想計算機の構成

  • 仮想計算機構成ファイル

    • 仮想HDDファイル

    • 仮想計算機構成情報ファイル

      • 仮想計算機のハードウェア情報

      • 仮想HDDファイルのPATH

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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仮想計算機転送・実行システムPIYO

  • PIYO:ProlIferate and Yield Objects

  • サーバクライアント方式を採用

    • サーバ側:PIYOサーバ、クライアント側:PIYOクライアント

  • 手順

    • 転送元で仮想計算機構成ファイルをコピー

    • VMCPを用いて転送先の情報を入手

    • 仮想計算機の書き換え

    • 書き換えた仮想計算機をVMCPを用いて転送

    • 転送先で仮想計算機の起動や終了の操作

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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実装環境

  • 実装言語:Ruby

  • 仮想計算機モニタ:Xen3.0.3

  • Domain0:CentOS5

  • DomainU:CentOS5

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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PIYOサーバ

  • VMCPの処理と仮想計算機の制御

    • サーバはクライアントからの接続を待ち受ける

    • クライアントがサーバに認証情報を送る

    • 認証終了後サーバ上でコマンドを実行

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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PIYOクライアント

  • VMCPの処理と仮想計算機の複製

    • MACアドレスの書き換え

      • 計算機には固有のMACアドレスが必要→生成

        • 上位24ビットはXen固有のコード、下位24ビットは乱数を発生

    • ネットワーク情報の書き換え

      • IPアドレス、ネットマスク、デフォルトルータ、ネームサーバ

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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実験と評価

  • 広域での仮想計算機複製転送実験

  • 転送速度に関する評価

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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広域での仮想計算機複製転送実験

  • 仮想計算機複製時間の計測

  • 仮想計算機転送時間の計測

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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仮想計算機複製時間の計測

  • 手順

    • PIYOクライアント側で仮想計算機構成ファイル(2GB)のコピー時間を計測

    • コピーした仮想計算機HDDファイルの中にあるゲストOSの設定ファイルと仮想計算機構成情報の書き換え時間を計測

    • 計測回数:5回

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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複製時間計測結果

        単位:秒

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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結果と考察

  • 複製にかかる時間は平均219.0秒

  • その時間のほとんどが仮想計算機構成ファイルのコピー

  • コピーにかかる時間の短縮が必要

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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仮想計算機転送時間の計測

  • 手順

    • 九州産業大学下川研究室ノードとQGPOP九州産業大学ノード間の転送時間の計測

    • QGPOP九州産業大学ノードとQGPOP九州大学ノード間の転送時間の計測

    • 転送する仮想計算機のサイズ:2GB

    • 計測回数:各5回

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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実験環境

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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転送時間計測結果

QGPOP九州大学ノードから

QGPOP九州産業大学ノードへの

転送時間

九州産業大学下川研究室ノードから

QGPOP九州大学ノードへの

転送時間

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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結果と考察

  • QGPOPノード間の転送時間は短い

    • ネットワーク的な距離が近いため

  • 九州産業大学下川研究室ノードとQGPOP九州大学ノード間の転送時間は長い

    • ネットワーク的な距離が遠いため

  • 転送する際にかかる時間は大きな問題

  • 仮想計算機の転送時間の改善が必要

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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転送時間に関する評価

  • PIYOでの仮想計算機転送には時間がかかる

  • 原因の究明

  • PIYOの転送時間と既存のシステムの転送時間の比較

    • 既存のシステム

      • SCP(OpenSSH)

      • FTP

  • 転送する仮想計算機のサイズ:2GB

  • 計測回数:5回

  • 実験環境:ローカル

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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転送時間比較実験

単位:秒

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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結果と考察

  • PIYOはSCPよりも転送時間が短くFTPと同等の転送時間

  • PIYOでのファイル転送時間は他のシステムと比べて遜色がない

  • PIYOの実装上の問題ではない

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


Live migration vmotion
関連研究①:Live Migration・VMotion

  • 仮想計算機をローカルで移動

  • 別の物理計算機上で仮想計算機の実行を継続

    • 計算機の故障やメンテナンスの対応

  • 本研究との相違点

    • 仮想計算機をローカルで複製、広域で移動・複製

    • 共有ファイルシステムが不要

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


Quasar
関連研究②:Quasar(東京大学大学院情報理工学系研究科 尾上浩一、大山恵弘、米澤明)

  • 実行中の状態を保持したままで仮想計算機を別の物理計算機へと移動

    • 仮想ネットワークの機能が備えられている

      • 仮想計算機の移動を意識せず通信を継続

  • 本研究との相違点

    • 仮想計算機の複製

    • CPUエミュレーションを行わないため処理が速い

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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まとめ

  • 処理能力不足と帯域不足を解決するためのサーバ構築システムの設計と実装

    • 仮想計算機を利用

      • 動的にサーバの処理能力を向上

      • 動的にサーバを分散配置

  • 仮想計算機制御プロトコルVMCPの設計

  • VMCPを実現させるためのPIYOの実装

  • PIYOの評価

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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今後の課題

  • VMCPの機能全ての実装

  • セキュリティ面での改善

  • リクエスト誘導システムとの連携

  • 複製時間や転送時間の短縮

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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仮想計算機の移動仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装

  • 処理中あるいは接続中の利用者に対する処理能力の向上

    • 動的な処理能力の向上を実現

    • Mobile IPやSCTPの利用により通信の継続が可能

仮想計算機

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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仮想計算機の種類仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装

  • ホストOS型

  • 仮想計算機モニタ型

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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ホスト仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装OS型

アプリケーション

アプリケーション

  • 物理計算機上でホストOSが動作

  • アプリケーションとして仮想計算機が動作

    • VMware Workstation

    • Virtual PC

ゲストOS

仮想計算機

ホストOS

物理計算機

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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アプリケーション仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装

アプリケーション

OS

OS

仮想計算機

仮想計算機

仮想計算機モニタ

物理計算機

仮想計算機モニタ型

  • 物理計算機上で仮想計算機モニタが動作

  • 仮想計算機モニタ上で仮想計算機が動作

    • Xen

    • VMware ESX Server

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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USER仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装

SEND

RECV

START

STOP

PAUSE

UNPAUSE

DESTROY

REBOOT

QUIT

LIST

VMCPのコマンド一覧

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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VMCP仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装のコマンド説明

  • USER(認証)

    • ユーザ名、パスワードを伝達し利用者を認証

  • SEND(仮想計算機の転送)

    • 仮想計算機の送信

  • RECV(仮想計算機の転送)

    • 仮想計算機の受信

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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START仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装

仮想計算機の起動

STOP

仮想計算機の停止

PAUSE

仮想計算機を一時停止

UNPAUSE

仮想計算機の一時停止の解除

DESTROY

仮想計算機の強制終了

REBOOT

仮想計算機の再起動

VMCPのコマンド説明

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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VMCP仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装のコマンド説明

  • QUIT(その他)

    • サーバとクライアントの接続の終了

  • LIST(その他)

    • 起動中の仮想計算機の一覧を表示

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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実装環境仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装

  • 実装言語:Ruby

  • 仮想計算機モニタ:Xen3.0.3

  • Domain0:CentOS5

  • DomainU:CentOS5

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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アプリケーション仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装

アプリケーション

Domain0

DomainU

仮想計算機

仮想計算機

仮想計算機モニタ

物理計算機

Xen

  • Domain0

    • 管理用OS

    • 物理計算機上に一つ

  • DomainU

    • ゲストOS

    • 物理計算機上に複数

仮想計算機の複製に基づく規模適応性に優れたサーバ構築システムの設計と実装


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