SimuBoost: Scalable Parallelization of Functional System Simulation
Creators: name: Rittinghaus, Marc
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2019
Subjects: Full System Simulation
Parallelization
Checkpointing
Virtual Machine
Deterministic Replay

description: Für das Sammeln detaillierter Laufzeitinformationen, wie Speicherzugriffsmustern, wird in der Betriebssystem- und Sicherheitsforschung häufig auf die funktionale Systemsimulation zurückgegriffen. Der Simulator führt dabei die zu untersuchende Arbeitslast in einer virtuellen Maschine (VM) aus, indem er schrittweise Instruktionen interpretiert oder derart übersetzt, sodass diese auf dem Zustand der VM arbeiten. Dieser Prozess ermöglicht es, eine umfangreiche Instrumentierung durchzuführen und so an Informationen zum Laufzeitverhalten zu gelangen, die auf einer physischen Maschine nicht zugänglich sind. Obwohl die funktionale Systemsimulation als mächtiges Werkzeug gilt, stellt die durch die Interpretation oder Übersetzung resultierende immense Ausführungsverlangsamung eine substanzielle Einschränkung des Verfahrens dar. Im Vergleich zu einer nativen Ausführung messen wir für QEMU eine 30-fache Verlangsamung, wobei die Aufzeichnung von Speicherzugriffen diesen Faktor verdoppelt. Mit Simulatoren, die umfangreichere Instrumentierungsmöglichkeiten mitbringen als QEMU, kann die Verlangsamung um eine Größenordnung höher ausfallen. Dies macht die funktionale Simulation für lang laufende, vernetzte oder interaktive Arbeitslasten uninteressant. Darüber hinaus erzeugt die Verlangsamung ein unrealistisches Zeitverhalten, sobald Aktivitäten außerhalb der VM (z. B. Ein-/Ausgabe) involviert sind. In dieser Arbeit stellen wir SimuBoost vor, eine Methode zur drastischen Beschleunigung funktionaler Systemsimulation. SimuBoost führt die zu untersuchende Arbeitslast zunächst in einer schnellen hardwaregestützten virtuellen Maschine aus. Dies ermöglicht volle Interaktivität mit Benutzern und Netzwerkgeräten. Während der Ausführung erstellt SimuBoost periodisch Abbilder der VM (engl. Checkpoints). Diese dienen als Ausgangspunkt für eine parallele Simulation, bei der jedes Intervall unabhängig simuliert und analysiert wird. Eine heterogene deterministische Wiederholung (engl. heterogeneous deterministic Replay) garantiert, dass in dieser Phase die vorherige hardwaregestützte Ausführung jedes Intervalls exakt reproduziert wird, einschließlich Interaktionen und realistischem Zeitverhalten. Unser Prototyp ist in der Lage, die Laufzeit einer funktionalen Systemsimulation deutlich zu reduzieren. Während mit herkömmlichen Verfahren für die Simulation des Bauprozesses eines modernen Linux über 5 Stunden benötigt werden, schließt SimuBoost die Simulation in nur 15 Minuten ab. Dies sind lediglich 16% mehr Zeit, als der Bau in einer schnellen hardwaregestützten VM in Anspruch nimmt. SimuBoost ist imstande, diese Geschwindigkeit auch bei voller Instrumentierung zur Aufzeichnung von Speicherzugriffen beizubehalten. Die vorliegende Arbeit ist das erste Projekt, welches das Konzept der Partitionierung und Parallelisierung der Ausführungszeit auf die interaktive Systemvirtualisierung in einer Weise anwendet, die eine sofortige parallele funktionale Simulation gestattet. Wir ergänzen die praktische Umsetzung mit einem mathematischen Modell zur formalen Beschreibung der Beschleunigungseigenschaften. Dies erlaubt es, für ein gegebenes Szenario die voraussichtliche parallele Simulationszeit zu prognostizieren und gibt eine Orientierung zur Wahl der optimalen Intervalllänge. Im Gegensatz zu bisherigen Arbeiten legt SimuBoost einen starken Fokus auf die Skalierbarkeit über die Grenzen eines einzelnen physischen Systems hinaus. Ein zentraler Schlüssel hierzu ist der Einsatz moderner Checkpointing-Technologien. Im Rahmen dieser Arbeit präsentieren wir zwei neuartige Methoden zur effizienten und effektiven Kompression von periodischen Systemabbildern.