基于分布式合作cache的私有cache划分方法

当片上多处理器系统上运行多个不同程序时,如何给这些不同的应用程序分配适当的cache空间成为一个难题。Cache划分就是解决这一难题的有效方法,目前大部分的划分方法都是针对最后一级共享cache设计的。私有cache划分(private cache partitioning,PCP)方法采用一个分布式一致性引擎(DCE)把多个私有cache组织在一起,最后通过硬件信息提取单元获得多个程序在不同cache路上的命中分布情况,用于指导划分算法的执行,最后由每个DCE根据划分算法运行的结果对cache空间进行划分。实验结果表明PCP方法降低了失效率,提高了程序执行性能。     

面向虚拟机环境的Cache动态划分算法设计与实现

为改善虚拟化系统的cache隔离性,提高系统的整体性能,面向虚拟化环境设计并实现了一种cache动态划分算法。该算法采用页面着色的思想,通过为虚拟机分配私有颜色页面来实现cache的划分,同时能够根据虚拟机的cache需求为其动态调整cache容量。在Xen虚拟环境中实现了该算法。实验结果表明,该算法可以在较低开销的情况下,显著提高多虚拟机上并发程序的全局性能。     

一种高效的压缩Page Walk Cache结构

通用图形处理单元（GPGPU）已被广泛应用于现代高性能计算系统中。GPGPU的单指令多线程执行模型导致快表命中率较低,特别是对于那些不规则应用,需要借助PWC减少实际的页表访问次数。传统PWC中存在很多冗余信息,加之容量有限,实际效果并不理想。分析了传统PWC中的信息冗余情况,提出了一种新结构——压缩PWC。压缩PWC在保证查找开销不变的基础上,完全消除了冗余信息,压缩了空间,使PWC能够记录更多的页表访问历史,从而有效减少地址转换过程中访问页表的次数。测试结果表明,与相同容量的传统PWC相比,压缩PWC可以显著缩短虚实地址转换时间开销。     

Precise control of page cache for containers

Container-based virtualization is becoming increasingly popular in cloud computing due to its efficiency and flexibility. Resource isolation is a fundamental property of containers. Existing works have indicated weak resource isolation could cause significant performance degradation for containerized applications and enhanced resource isolation. However, current studies have almost not discussed the isolation problems of page cache which is a key resource for containers. Containers leverage memory cgroup to control page cache usage. Unfortunately, existing policy introduces two major problems in a container-based environment. First, containers can utilize more memory than limited by their cgroup, effectively breaking memory isolation. Second, the OS kernel has to evict page cache to make space for newly-arrived memory requests, slowing down containerized applications. This paper performs an empirical study of these problems and demonstrates the performance impacts on containerized applications. Then we propose pCache (precise control of page cache) to address the problems by dividing page cache into private and shared and controlling both kinds of page cache separately and precisely. To do so, pCache leverages two new technologies: fair account (f-account) and evict on demand (EoD). F-account splits the shared page cache charging based on per-container share to prevent containers from using memory for free, enhancing memory isolation. And EoD reduces unnecessary page cache evictions to avoid the performance impacts. The evaluation results demonstrate that our system can effectively enhance memory isolation for containers and achieve substantial performance improvement over the original page cache management policy.     

Dynamic memory paravirtualization transparent to guest OS

This paper introduces dynamic paravirtualization, which imitates paravirtualization and aims at reducing VM exits of full virtualization with hardware support. In dynamic paravirtualization, VMM (virtual machine monitor) dynamically monitors and replaces the hot instructions, which cause most VM exits. It is transparent to the guest OS such that the legacy OSes can benefit from this optimization. Our study focuses on reducing the overhead of memory virtualization—dynamic memory paravirtualization (DMP). We ...     

Transparent partial page migration between CPU and GPU

Despite the increasing investment in integrated GPU and next-generation interconnect research,discrete GPU connected by PCIe still account for the dominant position of the market,the management of data communication between CPU and GPU continues to evolve.Initially,the programmer explicitly controls the data transfer between CPU and GPU.To simplify programming and enable systemwide atomic memory operations,GPU vendors have developed a programming model that provides a single,virtual address space for accessing all CPU and GPU memories in the system.The page migration engine in this model automatically migrates pages between CPU and GPU on demand.To meet the needs of high-performance workloads,the page size tends to be larger.Limited by low bandwidth and high latency interconnects compared to GDDR,larger page migration has longer delay,which may reduce the overlap of computation and transmission,waste time to migrate unrequested data,block subsequent requests,and cause serious performance decline.In this paper,we propose partial page migration that only migrates the requested part of a page to reduce the migration unit,shorten the migration latency,and avoid the performance degradation of the full page migration when the page becomes larger.We show that partial page migration is possible to largely hide the performance overheads of full page migration.Compared with programmer controlled data transmission,when the page size is 2MB and the PCIe bandwidth is 16GB/sec,full page migration is 72.72×slower,while our partial page migration achieves 1.29×speedup.When the PCIe bandwidth is changed to 96GB/sec,full page migration is 18.85×slower,while our partial page migration provides 1.37×speedup.Additionally,we examine the performance impact that PCIe bandwidth and migration unit size have on execution time,enabling designers to make informed decisions.     

基于设备代理机制的虚拟机动态迁移技术研究*

在刀片服务器、数据中心等虚拟环境下,对服务的不间断保障能力有很高的需求,因此,需要在动态迁移中虚拟机能不间断访问I/O等设备。对此,提出了设备代理机制。设备代理机制主要包括设备代理、远程设备访问和设备动态交换三个模块。设备代理模块主要处理在动态迁移期间的I/O事务和虚拟设备状态;远程设备访问模块让虚拟机像从本地一样从远程访问I/O等设备;设备动态交换模块允许虚拟机重新动态地定向到物理设备。实验表明,设备代理机制确实在迁移期间保证了I/O服务不间断,并提高了其服务质量。     

一种多线程阵列众核处理器的二级Cache划分机制

阵列众核处理器由于其较高的计算性能和能效比已经广泛应用于高性能计算领域。而要构建未来高性能计算系统处理器必须解决严峻的"访存墙"挑战以及核心协同问题。通常的阵列处理器,其核心多采用单线程结构,以减少开销,但是对访存提出了较高的要求。引入硬件同时多线程技术,针对实验中单核心多线程二级Cache利用率较低的问题,提出了一种共享二级Cache划分机制。经实验模拟,通过上述优化的共享二级Cache划分机制,二级指令Cache失效率下降18.59%,数据Cache失效率下降6.60%,整体CPI性能提升达到10.1%。     

混合结构数据库中基于页迁移的存储分层算法

为了有效地利用固态盘读速快以及磁盘低存储成本的特点,在磁盘和固态盘共存的混合存储结构模型下,设计并实现了一种基于页迁移思想的存储分层算法(SZA)。不同于NUMA的迁移代价计算方法,该算法按照迁移代价选择相应的存储介质,并且对不同工作负载的数据进行迁移。实验结果显示,算法有效地提升了数据库系统的I/O性能,同时大幅度地减少了对闪存的擦写次数。     

虚拟机动态迁移方法

对虚拟机动态迁移方法的研究背景、研究意义以及研究现状进行综述,分别介绍了内存预拷贝迁移、内存后拷贝迁移、内存混合复制迁移和基于日志跟踪重现的迁移方法,对其算法思想、关键技术、实现机制以及性能等进行概括、分析和比较,并针对当前主流的预拷贝迁移的优化策略予以分类阐述。最后,对动态迁移方法有待深入的研究热点和发展趋势进行展望。     

DMM:A dynamic memory mapping model for virtual machines

Memory virtualization is an important part in the design of virtual machine monitors(VMM).In this paper,we proposed dynamic memory mapping(DMM) model,a mechanism that allows the VMM to change the mapping between a virtual machine's physical memory and the underlying hardware resource while the virtual machine is running.By utilizing DMM,the VMM can implement many novel memory management policies,such as Demand Paging,Swapping,Ballooning,Memory Sharing and Copy-On-Write,while preserving compatibility with va...     

基于虚拟化技术的客户虚拟机内核模块检测方法

虚拟化技术是云计算的关键技术之一.同时,监视虚拟机又是虚拟化平台的一个重要功能.为了更好的获取客户虚拟机的内部信息,在Xen虚拟化环境中设计并实现了一种轻量级的虚拟机内核模块检测方法KMDM. KMDM驻留在宿主机里面,利用虚拟机自省机制来获取被监控虚拟机的内核模块信息.实验结果表明, KMDM能够全面检测客户虚拟机的内核模块信息,检测结果准确、可靠.     

基于虚拟机迁移的DoS攻击防御方法

利用云计算资源共享的特性,攻击者可以通过不停消耗带宽资源,使得同一物理主机上的其他用户无法接受正常服务,造成拒绝服务（denial of service,DoS）攻击。这种攻击区别于传统网络体系中的DoS攻击,因此难以应用传统防御方法解决。针对这一问题,提出一种基于虚拟机迁移的DoS攻击防御方法,通过选择迁移目标、设计触发机制和选择迁移目的地,形成迅速减轻DoS攻击影响的虚拟机迁移策略。实验结果表明,针对攻击者的不同攻击方式,该方法均可有效地快速防御DoS攻击,保证云服务的正常运行。相比其他策略,所提方法在迁移开销上略有增加,但防御效果明显,可行性更高。     

申威架构下的软件平滑嵌套页表

嵌套页表是一种硬件辅助的内存虚拟化模型,当前国产申威处理器上未能提供该模型所需的硬件支持.然而申威架构特有的特权程序可编程接口可以通过软件构建必要的底层硬件支持.该接口运行在申威硬件模式上,具有最高CPU特权级.基于这一特性,在申威平台上实现了软件平滑嵌套页表模型swFNPT,通过软件设计优化弥补了硬件支持上的不足.特别地,使用平滑(1级)嵌套页表代替4级嵌套页表来提升页表查询效率.使用多组测试程序测试该设计的性能.在申威1621服务器上的实验结果表明：swFNPT整体性能良好.SPEC CPU 2006的平均内存虚拟化开销约为3%,SPEC CPU 2017中大工作集程序的平均开销约为4%,STREAM内存带宽测试结果显示swFNPT的带宽损失低于3%.这一工作可以为申威架构的硬件辅助虚拟化发展提供有价值的参考.     

面向二进制移植的虚拟化技术

从ISA和ABI两种不同层次出发,探讨了当前二进制移植存在的问题,分析了其对应解决方法的优劣,明确了虚拟化技术是实现二进制移植的重要手段。研究了支持ISA或ABI间二进制移植中的三种虚拟化方法,即解释和二进制翻译、资源虚拟化、内核虚拟化。提出了一种结合动态二进制优化技术的高效进程虚拟机Long-Win,其支持Windows应用程序在Linux操作系统上运行,实验结果表明,其性能与Wine相比提高了6%～10%。     

基于虚拟化的安全监控

近年来,虚拟化技术成为计算机系统结构的发展趋势,并为安全监控提供了一种解决思路.由于虚拟机管理器具有更高的权限和更小的可信计算基,利用虚拟机管理器在单独的虚拟机中部署安全工具能够对目标虚拟机进行检测.这种方法能够保证监控工具的有效性和防攻击性.从技术实现的角度来看,现有的研究工作可以分为内部监控和外部监控.根据不同的监控目的,详细地介绍了基于虚拟化安全监控的相关工作,例如入侵检测、蜜罐、文件完整性监控、恶意代码检测与分析、安全监控架构和安全监控通用性.最后总结了现有研究工作的不足,并指出了未来的研究方向.这对于从事虚拟化研究和安全监控研究都具有重要意义.     

轻量级虚拟机软件技术——LVMM

为提高PC系统的可管理性和安全性,提出一种轻量级虚拟机软件技术——LVMM。定义活跃用户域,可直接访问除磁盘和网络之外的物理设备,以及虚拟磁盘和虚拟网络设备。保证在保持PC使用模式基本不变的前提下,可在同一平台上同时运行多个用户虚拟系统,且支持独立于用户操作系统的资源访问控制。经测试,LVMM原型系统具有较小的整体虚拟化开销。     

网络对抗训练混合虚拟化平台设计研究

讨论了虚拟化技术实现原理及其在网络对抗教学中的应用上,分析了各类虚拟化技术的优缺点和构建网络对抗训练环境存在的问题。提出了一种混合虚拟化平台设计,该平台利用Libvirt虚拟化的应用程序编程接口（API）调用两种虚拟化技术同时运行在同一物理主机上。并详细叙述了混合虚拟化平台的实现过程和方法,并在多个虚拟机内同时运行测试基准,分析其可扩展性。多种虚拟化技术在同一物理机上的混合,实现了复杂实验环境的创建,对构建大规模的网络实验平台具有一定的参考价值。     

基于PABFD-SA算法的虚拟机动态迁移研究

虚拟机动态迁移整合技术是大规模异构云数据中心降低能耗的有效方法。采用指数平滑预测法进行负载检测,然后以最小迁移时间算法（MMT）为原则筛选出待重分配的虚拟机,并就重分配过程中的能耗优化问题设计了一种感知能耗的最佳适配递减和模拟退火组合算法PABFD-SA（Power Aware Best Fit Decreasing-Simulated Annealing）。该算法将BFD算法获取的物理主机序列作为SA算法的初始解,并在搜索过程中加入了保留和更新历史最优解的功能。仿真结果表明,该算法在减少异构云计算系统的总能耗,降低SLA违约方面有一定改善。     

基于最小效用的流媒体缓存替换算法

提出最小缓存替换算法SCU-K，综合考虑流媒体文件最近K次访问情况，使缓存大小动态适应媒体流行度、字节有用性和已缓存部分大小的变化，降低了文件前缀部分被替换的概率，避免LRU和LFU算法中出现的媒体文件被连续替换的问题。在与LRU，LFU和LRU-2算法的对比实验中，SCU-K算法在提高缓存空间利用率、字节命中率和降低启动延迟方面具有更好的性能。