SC(2): Himmelsbrücken durch Tunnel und Replikate bei Vielkernern

Wir beschäftigen uns im SystemCall Podcast mit aktueller
Betriebssystemforschung. In der zweiten Sendung diskutieren wir
mit "SkyBridge: Fast and Secure Inter-Process Communication for
Microkernels" eine Idee zur Beschleunigung von
Interprozesskommunikation für Mikrokernel und sprechen über
"NrOS: Effective Replication and Sharing in an Operating System",
ein Konzept für effektives Teilen von Datenstrukturen auf
Manycore-Non-Uniform-Memory-Access Maschinen.


SkyBridge ist auf der EuroSys'19 erschienen und diskutiert einen
Ansatz um Interprozesskommunikation zu beschleunigen. Die
Performance eines Microkerns leidet sehr darunter, dass viel
Funktionalität in vielen spezialisierten, abgekapselten Prozessen
stattfindet und die Kommunikation nur über IPC durch den Kern
möglich ist. Zunächst werden die Faktoren der Entschleunigung
benannt und gemessen. So identifizieren sie die direkten Kosten
(syscall, page tables wechseln, privilegien prüfen, sysexit),
aber auch die indirekten Kosten (Verschmutzung der Caches).


Die Autoren stellen dann eine Möglichkeit für synchrone
Kommunikation vor, die die Schutzdomänen mithilfe der VT-x
Erweiterung von Intel Prozessoren wechselt. Dabei wird ein
Hypervisor eingeführt, der das 2-Stage Adress Translation in der
Hand hält. Durch bestimmte vmfunc-Instruktionen können die
Extended Page Tables (EPT) aus dem Usermodus heraus umgeschaltet
werden, sodass die Guest-Physischen Adressen nun auf andere
Host-Physischen Adressen zeigen. Das wird benutzt um von den
Client Page Tables zu den Server Page Tables zu springen.


nrOS (OSDI'21) ist ein Ansatz um in Systemen mit sehr vielen
Prozessoren, sog. Manycore Systemen, effektiv Datenstrukturen zu
teilen. In Non-Uniform-Memory-Access-Systemen (NUMA-Systmen) ist
zwar der gesamte Speicher zugreifbar, aber nur ein Teil davon für
bestimmte Prozessoren "nah", also schnell erreichbar. Anderer
Speicher ist für andere Prozessoren näher.


Jede NUMA-Node hat ein Duplikat der Datenstruktur, bspw. der Page
Tables. Änderungen daran werden pro NUMA-Node durch einen
einzigen Thread durchgeführt (den Combiner), der alle Änderungen
auch ins Operational Log(buch) schreibt. Die Änderungen werden in
Realzeit später auf den anderen Knoten nachgezogen. Lesezugriffe
durch den Prozessor bei Speicherzugriffen sind somit schnell,
weil sich die Daten in "nahem" Speicher befinden. Allerdings kann
es passieren, dass wir veraltete Daten lesen und Pagefaults
erhalten. Dann werden im Pagefault-Handler zunächst alle
Änderungen nachgezogen.
Links SkyBridge: Fast and Secure Inter-Process Communication
for Microkernels

Zeyu Mi, Dingji Li, Zihan Yang, Xinran Wang, and Haibo Chen.
2019. SkyBridge: Fast and Secure Inter-Process Communication for
Microkernels. In Proceedings of the Fourteenth EuroSys Conference
2019 (EuroSys '19). Association for Computing Machinery, New
York, NY, USA, Article 9, 1–15. DOI:
https://doi.org/10.1145/3302424.3303946


ACM: SkyBridge

Authors Copy



Weitere Referenzen:


Gerald J. Popek and Robert P. Goldberg. 1974. Formal
requirements for virtualizable third generation architectures.
Commun. ACM 17, 7 (July 1974), 412–421. DOI:
https://doi.org/10.1145/361011.361073

Enabling Intel Virtualization Technology Features and
Benefits:
https://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/white-papers/virtualization-enabling-intel-virtualization-technology-features-and-benefits-paper.pdf

NrOS: Effective Replication and Sharing in an Operating System

Bhardwaj, Ankit, Chinmay Kulkarni, Reto Achermann, Irina Calciu,
Sanidhya Kashyap, Ryan Stutsman, Amy Tai, and Gerd Zellweger.
2021. NrOS: Effective Replication and Sharing in an Operating
System. In 15th USENIX Symposium on Operating Systems Design and
Implementation (OSDI 21), 295–312.


Usenix: nrOS

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