学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 27 年度共同研究 最終報告書 2016 年 5 月

15-IS03

次世代スーパーコンピューター向けの軽量な仮想計算機環境の実現に向けた研究開発
品川高廣（東京大学）
概要 我々が研究開発している軽量な仮想マシンモニタ「BitVisor」を応用して、次世代スーパーコンピューターのため軽量な仮想計算環境の実現に向けた研究開発をおこなう。近年のスパコンは多数ノードから構成されていることを活用し、ユーザに対してノード単位での割り当てをおこなうことにより、それぞれのノードのハードウェアはユーザが直接制御できるようにする。一方、各ノードのハードウェアへのアクセスは、仮想マシンモニタによって必要最小限の監視によりアクセス制御をおこなうことで、ノードのセキュリティ確保と多様な用途に応じたノード性能の最適化を両立することを目指す。
今年度は、まずスパコンの各ノードに OS を高速にデプロイするシステムを TCP/IP に対応させた。また、セキュリティやライブマイグレーションなどの実現に関する研究開発をおこなった。

1.

共同研究に関する情報

ます多様化してきており、単一のシステムで全て(1) 共同研究を実施した拠点名の要望を満たすことは難しくなりつつある。
例えば、現在のスパコンでは OS として Linux

東京大学

のみならず各種 UNIX や Windows も使われてお(2) 共同研究分野


超大規模数値計算系応用分野

り、ユーザや用途によって最適な OS を使い分け

超大規模データ処理系応用分野

たいなどの要望が増加することが考えられる。ま

超大容量ネットワーク技術分野

た、次世代スパコンではノード数が更に増加する☑

超大規模情報システム関連研究分野と予想され、既存の汎用 OS ではスケールさせる(3) 参加研究者の役割分担ことが難しくなりつつある。また、用途別に特化副代表者の高野了成（産業技術総合研究所・情報した専用の軽量 OS を使いたいといった要望も出技術研究部門）は、本システムにおいて高性能計てくることが予想される。

算を実現するにあたって必要な助言などをおこな

しかし、ユーザが OS を自由に選択できるようう。共同研究者の表祐志（筑波大学・大学院シスにすると、ユーザ間でのセキュリティが問題とな

テム情報工学研究科）は、仮想マシンモニタを用る。一般に OS は全てのハードウェア資源にアクいた実験に関する補助をおこなう。

セスすることが可能であり、他のユーザが利用するノードとの隔離や共有ストレージのセキュリテ

2.

研究の目的と意義ィなどを確実に実施することが難しくなる。また、我々が研究開発してきた軽量仮想マシンモニタ

将来的に一般企業を含む様々なユーザにスパコン「BitVisor」を応用して、次世代スーパーコンピを開放して有効活用できるようにすることなどをューターのための軽量な仮想計算環境の実現に向想定すると、必ずしも信頼できるユーザだけを想けた研究開発をおこなう。

定することは出来なくなるため、システムとして近年のスパコンは、多数のノードから構成され確実なセキュリティを実現することが重要な課題る集合体として実現されており、これらのノードとなってくる。の性能を最大限に引き出すことが重要となってい複数の OS・環境を安全に使い分ける手法としる。一方で、スパコンのユーザやその用途はますては、仮想化技術が近年注目されており、実際に
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スパコンで仮想マシンモニタを導入する動きもあInterface Card(NIC)が 1 つしか搭載されていないる。しかし、従来の仮想マシンモニタでは、仮想マシンでも動作するようにするために、新たに化によるオーバーヘッドが大きく、スパコンにおVirtIO NIC に対応することで、ゲスト OS と仮想けるノード性能を最大限に引き出すという目的にマシンモニタが NIC を容易に共有して利用するは必ずしも適しているとは言えない。一方で、マことが出来るようにした。

ルチブートなど複数の OS を切り替えて利用する

また、スパコン環境における各ノードのセキュ場合、特にユーザが専用 OS を用意する場合などリティを確保するための基本的な研究をおこなっにおいては、ノードの全権限がユーザに渡されるた。スパコン上でユーザが自由に OS をインストことになり、セキュリティを確保することが難しールできるようにすると、管理者権限でハードウくなってしまう懸念がある。

ェアに自由にアクセス出来るようになるが、この本研究では、代表者が研究開発してきた仮想マ

場合ハードウェアに搭載されている不揮発性メモ

シンモニタ「BitVisor」を応用して、OS に対するリの内容などを破壊されると、マシンが起動しなオーバーヘッドを極めて低く抑えつつ、必要最小くなるなど再インストールでは容易に回復できな限のセキュリティを確保することにより、多様ないダメージを受ける可能性がある。そこで、その用途に応じたノード性能の最適化とセキュリティような影響が受ける可能性があるアクセスをいくの確保を両立することを目指す。

つか特定したうえで、仮想マシンモニタでそのよ

近年のスパコンは多数のノードから構成されてうなアクセスを防止するための枠組みに関する検いることを活用して、一台のノードに複数の仮想討を行った。

マシンを構築するのではなく、ノードの集合の一また、ライブマイグレーションを実現するため部を切り出して仮想スパコンとしてユーザに割りの研究開発もおこなった。スパコンのノードのメ当てることにより、それぞれのノードのハードウンテナンスをおこなう場合などに、OS を他のノェアはユーザが直接制御できるようにする。これードに移動する必要が出てくるが、従来の仮想化により、目的・用途に応じたノードの最適化を可環境とは異なり、提案環境では OS がハードウェ能にする。

アに直接アクセスしているため、そのままではラ一方で、セキュリティを実現するために、仮想イブマイグレーションを実現することは難しい。

マシンモニタによって各ノードのハードウェアへ

そこで、仮想マシンモニタで物理デバイスの状態のアクセスを必要最小限だけ監視してアクセス制を取得・設定することで、ライブマイグレーショ御をおこなう。これにより、性能とセキュリティンを実現するための研究開発をおこなった。の両立を実現する。また、ノードの集合である仮想スパコンの管理機能や独自 OS や大容量のデー

3. 当拠点公募型共同研究として実施した意義

タを各ノードに高速にデプロイするための枠組み

実際にスパコンとして使われていたマシンを利用も提供することを目指す。

することで、現実的な環境における評価を実施す

今年度は、まず、これまでの研究開発においてることが出来た。

実現してきた OS をスパコンの各ノードに高速にデプロイするためのシステムに関する性能評価を

4. 前年度までに得られた研究成果の概要おこなった。従来のシステムでは UDP をベース該当なしにした ATA over Ethernet を使用していたが、より安定してストレージ・データを取得できるよう

5. 今年度の研究成果の詳細にするために、仮想マシンモニタ内部から TCP/IP

5.1 高速デプロイシステム

通 信 を で き る よ う に し た 。 ま た 、 Network

本研究では、まずスパコンの各ノードに OS を2

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高速にデプロイするシステムに関する研究開発をある。この脱仮想化を実行時に動的におこなうこおこなった。このシステムでは、まずユーザが選とによって、ゲスト OS からは気づかれること無択した任意の OS をスパコンの各ノードで速やかくシームレスにオーバーヘッドを削減した状態でに使えるようにするために、仮想マシンモニタの動作を継続できるようになる。

レイヤでゲスト OS のネットワークブートをおこ

従来のシステムでは、ネットワーク上のサーバなえるようにする。OS カーネルがネットワークからストレージのデータを取得するためのネットブートすることで、各ノードでは新しい OS が速ワーク・ストレージプロトコルとして、UDP をベやかに起動することができる。また、その後のスースとした ATA over Ethernet (AoE)プロトコル

トレージへのアクセスに関しては、仮想マシンモを使用していた。しかし、このプロトコルでは再ニタが捉えてゲスト OS からは透過的にネットワ送処理などを自前で実装することが必要であった。

ーク越しのサーバへ転送することによって、ゲス

現在の実装では、環境によって転送速度が大きく

ト OS を一切改変したり複雑な設定をおこなった左右されるため、環境に合わせたチューニングがりすることなくネットワークブートが実現できる。 必要となっていた。また、この実装は TCP/IP と例えば、Windows や OS X, Linux が修正なしでネ同等のことをおこなっており、似たようなものをットワークブートさせることが出来る。

再実装することには問題があった。

OS が起動し始めたら、ネットバークブートのそこで本研究では、新たに TCP/IP に対応した場合に発生するネットワーク経由でのストレージバージョンを研究開発した。TCP/IP のプロトコへのアクセスのオーバーヘッドを削減するために、 ルスタックとしては lwIP と呼ばれる既存のソフバックグラウンドで OS イメージのインストールトウェアを活用した。これを仮想マシンモニタに作業をおこなう。仮想マシンモニタでストレージ組み込んで動作するようにしたうえで、デプロイ領域の管理をおこない、まだ書き込みがおこなわシステムと組み合わせることで、ストレージ・デれていない領域に対応するデータをバックグラウータを TCP/IP 経由で取得できるようにした。

ンドでサーバから読み込んでディスクに書き込む

しかし、lwIP を用いた実装では、ストレージの作業をゲスト OS の動作と平行しておこなう。こ転送速度があまり速くできないことがわかった。のとき、ゲスト OS からの書き込み作業と競合し原因の一つとしては、まず lwIP がもともと組みないようにタイミングや順番などを注意しておこ込み向けであり、構造的にあまり速度を考えて設なう。いったんインストール作業が完了すると、計されていないというのがある。ほかにも現在のストレージへのアクセスは全てローカルディスク

仮想マシンモニタに組み込む際の相性の問題で性へのアクセスとなるため、ネットワークへのアク能が出ていない可能性もあるが、現在のところ性セスが発生しなくなるため、オーバーヘッドを削能低下の詳細な原因は分かっていない。性能低下減することが出来る。このように、ネットワークを抜本的に改善するためには、TCP/IP のプロトブートの利点とローカルブートの利点を併せ持っコルスタックを根本的に書き直す必要がある可能たシステムを実現することが出来る。

性もあり、今年度の研究では十分な性能を発揮でローカルディスクへのインストール作業が完了きるところまでは実装を進めることが出来なかっ

した後は、仮想マシンモニタがすることは何もなた。

くなるため、可能な限り脱仮想化の処理をおこな

5.2 セキュリティう。脱仮想化とは、デバイスなどへのアクセスを本研究では、提案方式をスパコンに適用した場仮想マシンモニタが仮想化・横取りするのを止め合のセキュリティに関する考察もおこなった。提て、ゲスト OS が仮想マシンモニタの介在なしに案方式では、スパコンの各ノードにおいてユーザ直接デバイスにアクセスできるようにすることでが自由に選んだ OS をどうさせることが出来るよ3

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うにすることを想定している。この場合、ユーザり悪意のあるユーザによって Denial of Serviceがカーネル権限で動作するプログラムを送り込めAttack を受けたりするという点で問題となる。

ることになるため、セキュリティに関する配慮が本研究では、ファジングと呼ばれる手法により、様々な NVM の様々な領域にランダムな値を実際必要になる。
従来の仮想化技術を用いた手法では、仮想マシに書き込んでみることで、問題が発生する可能性ンモニタが仮想的な OS 実行環境である仮想マシがある領域を実際に特定した。このような領域にンを作成して、そのなかでユーザの OS が動作すは、システムが持つ CMOS 領域のほか、Networkることになる。この場合、OS がアクセスできる

Interface Card(NIC) や Graphic Processingのは仮想マシンモニタが提供するリソースだけでUnit(GPU)などのデバイスに含まれる NVM などあり、そのリソースは全て仮想マシンモニタによがある。って管理されているため、脆弱性などがない限りこのような領域を特定したうえで、仮想マシンは、予め割り当てられた範囲でのアクセスしかす

モニタによってこれらの領域へのアクセスのみをることは出来ない。そのため、セキュリティを担捉えてアクセスを禁止することで、スパコンのノ保することは比較的容易である。

ードに障害が発生することを防止できる。NVM な

しかし提案方式では、スパコン環境においてオどの領域は、通常動作時にはあまり頻繁にはアクーバーヘッドを削減するために、ユーザの OS にセスしない領域であるため、この部分だけを仮想対して各ノードのハードウェアに直接アクセスすマシンモニタで捉えるようにしても、仮想化によることを許可している。この方式では、仮想マシるオーバーヘッドはほとんど増加しない。

ンモニタによる介在が少ないため、仮想化による今年度は、実際に Intel Pro1000 のネットワーオーバーヘッドが生じないようにすることが出来クデバイスに搭載されている NVM 領域への書きる一方、実際の物理的なハードウェアにアクセス込みを禁止する実験をおこなった。具体的には、されるため、予期しない状況が発生する危険性がZ97 と い う チ ッ プ セ ッ ト と 連 携 し て 動 作 す るある。

I218-V という NIC デバイスを対象として、ゲス

例えば、ハードウェアの中には Non-Volatile

ト OS から NIC デバイス上にある不揮発性メモリ

Memory (NVM)やバッテリ付き CMOS などの不である EEPROM を隠蔽するための実装をおこな揮発メモリを持っているものがある。これは、各った。当該 EEPROM にアクセスする手段としてデバイスの設定情報などを保存したりするためには、NIC を PCI デバイスとみなして内部のレジス用いられるもので、電源が OFF になっても中身のタにアクセスする方法と、搭載されたチップセッデータが消えずに保持されるという特徴を持ってトである Z97 の Serial Peripheral Interface(SPI)いる。この NVM などに格納されている各種設定を経由してアクセスする方法の２つがあった。こ情報は、デバイスの稼働時の他、起動時の初期化れらのアクセスをハイパーバイザで監視して、などにも用いられることがある。このような場合、EEPROM 領域への書き込みを防止する機構の実

NVM などの値が予期しない不正な値になってい装を行った。

たりすると、デバイスのファームウェアなどが正SPI 経由でのアクセスにおいて、主に使用されしく動作せずに、特定のデバイスが動かなくなっる レ ジ ス タ と し て は 、 Hardware Sequencing

たり、マシン全体が起動できなくなってしまったFlash Control (HSFC), Hardware Sequencing

りすることがある。いったんこのような状態になFlash Status (HSFS), Flash Address (FADDR),ってしまった場合には、ソフトウェアのみの手法

Flash Data (FDATA) の４つがある。HSFC はでは容易に復旧することができなくなってしまう

Read, Write, Erase などのアクセス方法や、アクことがある。これは、ユーザの OS が誤動作したセスの開始、アクセスのサイズなどを指定するレ4

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ジスタである。HSFS はアクセスの完了やエラー実際に動作確認実験を行った結果を図に示す。の発生の有無などのステータスを示すレジスタで実験に使用したマシンは、CPU が Intel Coreある。FADDR は EEPROM のアクセス先のアドi7-4790K, メモリが 16GB, マザーボードが Z97、レスを指定するレジスタ、FDATA は読み書きす

カーネルが Linux 3.16.0-38、OS は Linux Mint

るデータを格納するためのレジスタである。

17.2 である。動作確認実験では、ethtool を用い

EEPROM へのアクセスは以下の様な手順で行て、EEPROM に格納されている MAC アドレスの書き換えを試みた。MAC アドレスを書き換えらわれる。
(1)

FADDR にアクセスするアドレスを指定れると、他のマシンの通信を妨害したり他のマシ(2)

FDATA に書き込むデータを格納ンへのネットワークパケットを不正に受信したり(3)

HSFC でアクセス方法を指定といったセキュリティ上の問題が生じる可能性が(4)

アクセス要求を発行ある。

(5)

HSFS でステートを確認(6)

ステートが DONE なら終了

図の一番上のように、本実装を導入していない環境において ethtool を用いて MAC アドレスを読本実装では、BitVisor を用いて SPI への I/O ア

み込むと、d0 50 99 2f 51 f2 という値になっていクセスを捕捉する。(3)の段階において I/O の内容ることが分かる。このとき、図の真ん中のようにを確認し、アクセスが Write や Erase でありかつethtool を用いて MAC アドレスの領域の offset

FADDR で指定されたアドレスが書き込み禁止の0x05 に対して 0x00 という値の書き込みをおこな領域であった場合には、(4)の処理がおこなわれなうと、実際に値が書き換えられて、d0 50 99 2f 51

いようにする。この時、I/O 要求を遮断するだけ

00 のように最後のバイトが 0 に書き換わってしまだと(5)の段階で HSFS のステートが DONE になっていることが分かる。

らないため、処理が終了せずに OS が終了してし一方、提案方式を実装したハイパーバイザ上でまう場合がある。これを防ぐため、(3)で I/O 要求動作する Linux から同様の操作を実行すると、図を遮断した際に、同時に HSFS のステートをの一番下のように Operation not permitted とな

DONE かつ ERROR に設定する。って、許可されていない動作として認識され、書き換えを防止できていることが分かる。

また、本手法では NIC に対するアクセスを捕捉するため、ネットワーク性能に対する影響を調べる実験をおこなった。測定にはベンチマークソフ
トウェア omnitest を使用して、レイテンシの測定5学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 27 年度共同研究 最終報告書 2016 年 5 月をおこなった。

あり、ソフトウェアで容易に移動することが可能

図に示すように、ベアメタルマシン上（none）である。従って、ライブマイグレーションを実現の Linux におけるレイテンシと比べて、提案方式することはそれほど難しくはない。

（on BitVisor）におけるレイテンシは送信で 3μs、

しかし、提案手法では、スパコン環境における受信は 0.2μs 程度しか増加しなかった。一方、比オーバーヘッドをなるべく削減するために、ハー較対象として、KVM 上で動作する Linux におけドウェアを仮想化せずに OS に対して直接見せるるレイテンシを測定すると、送信は 40μs、受信ようになっている。すなわち OS は仮想マシン上は 25μs 程度もレイテンシが増加した。

ではなく物理マシン上で直接稼働している。この実験結果から、提案方式はベアメタル環境にお場合、ライブマイグレーションを実現するためにける性能をそこなうことなく、Intel Pro 1000

は、仮想マシンではなく物理マシンの状態を移動

NIC 上の EEPROM に対する書き換え攻撃を確実する必要がある。に防止できていることが確認できた。

しかし、物理マシンの状態を取得するのは容易ではない。これは、ハードウェアの中には読み込

5.3 ライブマイグレーション

み専用の状態や書き込み専用の状態が一部に存在

本研究では、ノードに障害が発生した場合などしているからである。また、内部に状態を持ってを想定して、スパコンのノード上で動作する OSいる場合もあり、これらの状態をソフトウェアでをライブマイグレーションする手法に関する研究

単純に読み書きして移動することは出来ない。

開発もおこなった。近年のスパコンは多数のノー

そこで、我々は間接的な手法を用いて、これらドで構成されており、一つ一つのノードは比較的の状態を取得したり設定したりする手法を研究開安価であるため、ノードの故障が発生する可能性発した。例えば、NIC に関しては、現在送信しよがある。ノードが故障すると、そのノード上でおうとしているパケットのバッファを指しているポ

こなわれていた計算結果が失われてしまうため、インタが内部レジスタとして保持されているもの

予期せぬノード故障によるダウンタイムを避けるがあるが、これらの値はソフトウェアからは直接必要がある。

的には設定できない。そこで、ソフトウェアからノード故障への対応としては、予めスケジューダミーのパケットを移送元のマシンに対して送信ルされたハードウェア交換や、ハードウェアの故することにより、間接的にこの値を設定するよう障時期を予想する手法などがある。しかし、いずにする。

れの場合でも、ハードウェアを停止する必要が有

このような間接的に値を取得・設定する手法をるため、そのままではノード上の OS を停止する幾つかのデバイスに対して実現した。具体的には、必要がある。

RealTek 社製の NIC や Programmable IntervalTimer(PIT),

これを解決する手法としてライブマイグレーシ

ProgrammableInterruptョンがある。ライブマイグレーションは、OS をController (PIC)などである。これらのデバイスに稼働したまま別の物理マシン上に移動する手法で対応することで、最小構成の Linux を物理マシンある。これにより、ダウンタイムが発生すること上で動作させつつ、小さな仮想マシンモニタを用無くハードウェアのメンテナンスをおこなうこといてライブマイグレーションを実現することが出ができるようになる。

来るようになった。

ライブマイグレーションは、仮想マシンモニタ実際に実装したハイパーバイザを用いて、マイによって実現される。従来のライブマイグレーシグレーションをおこなう実験をおこなった。実験ョンでは、OS は仮想マシン上で動作しているたに使用したマシンは、CPU が Intel Core i7-4790K、め、マシンの状態は仮想的に創りだされたものでメモリが４GB、NIC が Realtek RTL8169 を搭載
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Proposal͇ࡣᥦ᱌᪉ᘧࡢࣁ࢖ࣃ࣮ࣂ࢖ࢨୖ࡛ືస
7学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 27 年度共同研究 最終報告書 2016 年 5 月

6.

今年度の進捗状況と今後の展望

7.

今年度は、主に高速デプロイシステムと、セキ

研究成果リスト(1) 学術論文

ュリティ、ライブマイグレーションを実現するシなし

ステムに関する研究開発をおこなった。高速デプ(2) 国際会議プロシーディングス

ロイシステムに関しては、当初計画に記載してい[1] Satoru Takekoshi, Takahiro Shinagawa,

た TCP/IP 版は動作するようになっているが、性Kazuhiko Kato. Testing Device Drivers against

能面での改善をすることは難しかった。今後は、Hardware Failures in Real Environments. In

設計や実装を抜本的に見直す必要があると考えら

Proceedings of the 31st ACM Symposium Onれる。

Applied Computing (ACM SAC 2016), Apr 2016.

セキュリティに関しても、提案手法においては[2] Takaaki Fukai, Yushi Omote, Takahiro

重要なポイントである。実際に、Intel Pro1000

Shinagawa, Kazuhiko Kato. OS-Independent

デバイスを対象にして EEPROM を保護するため

Live Migration Scheme for Bare-metal Clouds.の機構の設計と実装をおこない、MAC アドレスのIn不正な書き換えを防止できることを確認した。今International Conference on Utility and Cloud

後は、BIOS の書き換えなどを防止する手法や、

Computing, Dec 2015. ≪Best paper award≫

GPU などの電圧調整によってハードウェアが破(3) 国際会議発表

壊される可能性などに関する研究をおこなってい

[1]

きたい。

Shinagawa, Kazuhiko Kato. A new framework

Proceedings

IoriYoneji,oftheYushi

8thIEEE/ACM

Omote,

Takahirofor baremetal OS. 6th Asia-Pacific Workshop on

ライブマイグレーションに関しては、順調に研究が進み、国際会議 UCC 2015 における査読付きSystems (APSYS 2015), Tokyo, Jul 2015.

論文が採択されている。また、当該論文は Best

[2] Satoru Takekoshi, Takahiro Shinagawa,Paper Award を授賞した。今後は対応デバイスを

Kazuhiko Kato. Testing Device Drivers against

拡大したうえで、論文誌への投稿をおこなっていHardware Failures in Real Environments. 6th

きたい。

Asia-Pacific Workshop on Systems (APSYS2015), Tokyo, Jul 2015.

本システム自身のオーバーヘッド削減に関しては、ネステッドページングによるオーバーヘッド[3]Yushi

Omote,

TakahiroShinagawa,が一定程度残っていることが判明している。ネスKazuhiko Kato. Exit-Less Isolated Execution.

テッドページングは CPU のハードウェアによっ

6th Asia-Pacific Workshop on Systems (APSYSておこなわれるものであり、ソフトウェアからは2015), Tokyo, Jul 2015.

削減は難しいが、CPU が新しくなるたびにそのオ(4) 国内会議発表

ーバーヘッドが削減されることが期待されるため、 [1] 東 耕平,竹腰 開,深井 貴明,品川 高廣,加藤最新の CPU を使うことでオーバーヘッドが軽減

和彦.．ベアメタルクラウドにおけるハードウェアされることが期待される。また、ライブマイグレ

保護．第 136 回システムソフトウェアとオペレーーションのように用途によってはネステッドペー

ティング・システム研究会．情報処理学会研究報

ジングを動的に OFF にすることで、さらなるオー

告，第 2016-OS-136 巻，情報処理学会，2016 年

バーヘッドの削減を実現することも目指していき

2 月．

たいと考えている。

(5) その他（特許，プレス発表，著書等）
なし

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