On the Use of Kernel Bypass Mechanisms for High-Performance Inter-container Communications

In this paper, we perform a comparison among a number of different virtual bridging and switching technologies, each widely available and commonly used on Linux, to provide network connectivity to co-located LXC containers for high-performance application scenarios

EbbRT: a framework for building per-application library operating systems

Efficient use of high speed hardware requires operating system components be customized to the application work- load. Our general purpose operating systems are ill-suited for this task. We present EbbRT, a framework for constructing per-application library operating systems for cloud applications. The primary objective of EbbRT is to enable high-performance in a tractable and maintainable fashion. This paper describes the design and implementation of EbbRT, and evaluates its ability to improve the performance of common cloud applications. The evaluation of the EbbRT prototype demonstrates memcached, run within a VM, can outperform memcached run on an unvirtualized Linux. The prototype evaluation also demonstrates an 14% performance improvement of a V8 JavaScript engine benchmark, and a node.js webserver that achieves a 50% reduction in 99th percentile latency compared to it run on Linux

Optimizing Virtual Machine I/O Performance in Virtualized Cloud by Differenciated-frequency Scheduling and Functionality Offloading

Many enterprises are increasingly moving their applications to private cloud environments or public cloud platforms. A key technology driving cloud computing is virtualization which can serve multiple VMs in one physical machine hence providing better management flexibility and significant savings in operational costs. However, one important consequence of virtualized hosts in the cloud is the negative impact it has on the I/O performance of the applications running in the VMs

On the Enhancement of Remote GPU Virtualization in High Performance Clusters

Graphics Processing Units (GPUs) are being adopted in many computing facilities given their extraordinary computing power, which makes it possible to accelerate many general purpose applications from different domains. However, GPUs also present several side effects, such as increased acquisition costs as well as larger space requirements. They also require more powerful energy supplies. Furthermore, GPUs still consume some amount of energy while idle and their utilization is usually low for most workloads. In a similar way to virtual machines, the use of virtual GPUs may address the aforementioned concerns. In this regard, the remote GPU virtualization mechanism allows an application being executed in a node of the cluster to transparently use the GPUs installed at other nodes. Moreover, this technique allows to share the GPUs present in the computing facility among the applications being executed in the cluster. In this way, several applications being executed in different (or the same) cluster nodes can share one or more GPUs located in other nodes of the cluster. Sharing GPUs should increase overall GPU utilization, thus reducing the negative impact of the side effects mentioned before. Reducing the total amount of GPUs installed in the cluster may also be possible. In this dissertation we enhance one framework offering remote GPU virtualization capabilities, referred to as rCUDA, for its use in high-performance clusters. While the initial prototype version of rCUDA demonstrated its functionality, it also revealed concerns with respect to usability, performance, and support for new GPU features, which prevented its used in production environments. These issues motivated this thesis, in which all the research is primarily conducted with the aim of turning rCUDA into a production-ready solution for eventually transferring it to industry. The new version of rCUDA resulting from this work presents a reduction of up to 35% in execution time of the applications analyzed with respect to the initial version. Compared to the use of local GPUs, the overhead of this new version of rCUDA is below 5% for the applications studied when using the latest high-performance computing networks available.Las unidades de procesamiento gráfico (Graphics Processing Units, GPUs) están siendo utilizadas en muchas instalaciones de computación dada su extraordinaria capacidad de cálculo, la cual hace posible acelerar muchas aplicaciones de propósito general de diferentes dominios. Sin embargo, las GPUs también presentan algunas desventajas, como el aumento de los costos de adquisición, así como mayores requerimientos de espacio. Asimismo, también requieren un suministro de energía más potente. Además, las GPUs consumen una cierta cantidad de energía aún estando inactivas, y su utilización suele ser baja para la mayoría de las cargas de trabajo. De manera similar a las máquinas virtuales, el uso de GPUs virtuales podría hacer frente a los inconvenientes mencionados. En este sentido, el mecanismo de virtualización remota de GPUs permite que una aplicación que se ejecuta en un nodo de un clúster utilice de forma transparente las GPUs instaladas en otros nodos de dicho clúster. Además, esta técnica permite compartir las GPUs presentes en el clúster entre las aplicaciones que se ejecutan en el mismo. De esta manera, varias aplicaciones que se ejecutan en diferentes nodos de clúster (o los mismos) pueden compartir una o más GPUs ubicadas en otros nodos del clúster. Compartir GPUs aumenta la utilización general de la GPU, reduciendo así el impacto negativo de las desventajas anteriormente mencionadas. De igual forma, este mecanismo también permite reducir la cantidad total de GPUs instaladas en el clúster. En esta tesis mejoramos un entorno de trabajo llamado rCUDA, el cual ofrece funcionalidades de virtualización remota de GPUs para su uso en clusters de altas prestaciones. Si bien la versión inicial del prototipo de rCUDA demostró su funcionalidad, también reveló dificultades con respecto a la usabilidad, el rendimiento y el soporte para nuevas características de las GPUs, lo cual impedía su uso en entornos de producción. Estas consideraciones motivaron la presente tesis, en la que toda la investigación llevada a cabo tiene como objetivo principal convertir rCUDA en una solución lista para su uso entornos de producción, con la finalidad de transferirla eventualmente a la industria. La nueva versión de rCUDA resultante de este trabajo presenta una reducción de hasta el 35% en el tiempo de ejecución de las aplicaciones analizadas con respecto a la versión inicial. En comparación con el uso de GPUs locales, la sobrecarga de esta nueva versión de rCUDA es inferior al 5% para las aplicaciones estudiadas cuando se utilizan las últimas redes de computación de altas prestaciones disponibles.Les unitats de processament gràfic (Graphics Processing Units, GPUs) estan sent utilitzades en moltes instal·lacions de computació donada la seva extraordinària capacitat de càlcul, la qual fa possible accelerar moltes aplicacions de propòsit general de diferents dominis. No obstant això, les GPUs també presenten alguns desavantatges, com l'augment dels costos d'adquisició, així com major requeriment d'espai. Així mateix, també requereixen un subministrament d'energia més potent. A més, les GPUs consumeixen una certa quantitat d'energia encara estant inactives, i la seua utilització sol ser baixa per a la majoria de les càrregues de treball. D'una manera semblant a les màquines virtuals, l'ús de GPUs virtuals podria fer front als inconvenients esmentats. En aquest sentit, el mecanisme de virtualització remota de GPUs permet que una aplicació que s'executa en un node d'un clúster utilitze de forma transparent les GPUs instal·lades en altres nodes d'aquest clúster. A més, aquesta tècnica permet compartir les GPUs presents al clúster entre les aplicacions que s'executen en el mateix. D'aquesta manera, diverses aplicacions que s'executen en diferents nodes de clúster (o els mateixos) poden compartir una o més GPUs ubicades en altres nodes del clúster. Compartir GPUs augmenta la utilització general de la GPU, reduint així l'impacte negatiu dels desavantatges anteriorment esmentades. A més a més, aquest mecanisme també permet reduir la quantitat total de GPUs instal·lades al clúster. En aquesta tesi millorem un entorn de treball anomenat rCUDA, el qual ofereix funcionalitats de virtualització remota de GPUs per al seu ús en clústers d'altes prestacions. Si bé la versió inicial del prototip de rCUDA va demostrar la seua funcionalitat, també va revelar dificultats pel que fa a la usabilitat, el rendiment i el suport per a noves característiques de les GPUs, la qual cosa impedia el seu ús en entorns de producció. Aquestes consideracions van motivar la present tesi, en què tota la investigació duta a terme té com a objectiu principal convertir rCUDA en una solució preparada per al seu ús entorns de producció, amb la finalitat de transferir-la eventualment a la indústria. La nova versió de rCUDA resultant d'aquest treball presenta una reducció de fins al 35% en el temps d'execució de les aplicacions analitzades respecte a la versió inicial. En comparació amb l'ús de GPUs locals, la sobrecàrrega d'aquesta nova versió de rCUDA és inferior al 5% per a les aplicacions estudiades quan s'utilitzen les últimes xarxes de computació d'altes prestacions disponibles.Reaño González, C. (2017). On the Enhancement of Remote GPU Virtualization in High Performance Clusters [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86219TESISPremios Extraordinarios de tesis doctorale

Quark: A High-Performance Secure Container Runtime for Serverless Computing

Secure container runtimes serve as the foundational layer for creating and running containers, which is the bedrock of emerging computing paradigms like microservices and serverless computing. Although existing secure container runtimes indeed enhance security via running containers over a guest kernel and a Virtual Machine Monitor (VMM or Hypervisor), they incur performance penalties in critical areas such as networking, container startup, and I/O system calls. In our practice of operating microservices and serverless computing, we build a high-performance secure container runtime named Quark. Unlike existing solutions that rely on traditional VM technologies by importing Linux for the guest kernel and QEMU for the VMM, we take a different approach to building Quark from the ground up, paving the way for extreme customization to unlock high performance. Our development centers on co-designing a custom guest kernel and a VMM for secure containers. To this end, we build a lightweight guest OS kernel named QKernel and a specialized VMM named QVisor. The QKernel-QVisor codesign allows us to deliver three key advancements: high-performance RDMA-based container networking, fast container startup mode, and efficient mechanisms for executing I/O syscalls. In our practice with real-world apps like Redis, Quark cuts down P95 latency by 79.3% and increases throughput by 2.43x compared to Kata. Moreover, Quark container startup achieves 96.5% lower latency than the cold-start mode while saving 81.3% memory cost to the keep-warm mode. Quark is open-source with an industry-standard codebase in Rust.Comment: arXiv admin note: text overlap with arXiv:2305.10621. The paper on arXiv:2305.10621 presents a detailed version of the TSoR module in Quar

Design and Evaluation of Low-Latency Communication Middleware on High Performance Computing Systems

[Resumen]El interés en Java para computación paralela está motivado por sus interesantes características, tales como su soporte multithread, portabilidad, facilidad de aprendizaje,alta productividad y el aumento significativo en su rendimiento omputacional. No obstante, las aplicaciones paralelas en Java carecen generalmente de mecanismos de comunicación eficientes, los cuales utilizan a menudo protocolos basados en sockets incapaces de obtener el máximo provecho de las redes de baja latencia, obstaculizando la adopción de Java en computación de altas prestaciones (High Per- formance Computing, HPC). Esta Tesis Doctoral presenta el diseño, implementación y evaluación de soluciones de comunicación en Java que superan esta limitación. En consecuencia, se desarrollaron múltiples dispositivos de comunicación a bajo nivel para paso de mensajes en Java (Message-Passing in Java, MPJ) que aprovechan al máximo el hardware de red subyacente mediante operaciones de acceso directo a memoria remota que proporcionan comunicaciones de baja latencia. También se incluye una biblioteca de paso de mensajes en Java totalmente funcional, FastMPJ, en la cual se integraron los dispositivos de comunicación. La evaluación experimental ha mostrado que las primitivas de comunicación de FastMPJ son competitivas en comparación con bibliotecas nativas, aumentando significativamente la escalabilidad de aplicaciones MPJ. Por otro lado, esta Tesis analiza el potencial de la computación en la nube (cloud computing) para HPC, donde el modelo de distribución de infraestructura como servicio (Infrastructure as a Service, IaaS) emerge como una alternativa viable a los sistemas HPC tradicionales. La evaluación del rendimiento de recursos cloud específicos para HPC del proveedor líder, Amazon EC2, ha puesto de manifiesto el impacto significativo que la virtualización impone en la red, impidiendo mover las aplicaciones intensivas en comunicaciones a la nube. La clave reside en un soporte de virtualización apropiado, como el acceso directo al hardware de red, junto con las directrices para la optimización del rendimiento sugeridas en esta Tesis.[Resumo]O interese en Java para computación paralela está motivado polas súas interesantes características, tales como o seu apoio multithread, portabilidade, facilidade de aprendizaxe, alta produtividade e o aumento signi cativo no seu rendemento computacional. No entanto, as aplicacións paralelas en Java carecen xeralmente de mecanismos de comunicación e cientes, os cales adoitan usar protocolos baseados en sockets que son incapaces de obter o máximo proveito das redes de baixa latencia, obstaculizando a adopción de Java na computación de altas prestacións (High Performance Computing, HPC). Esta Tese de Doutoramento presenta o deseño, implementaci ón e avaliación de solucións de comunicación en Java que superan esta limitación. En consecuencia, desenvolvéronse múltiples dispositivos de comunicación a baixo nivel para paso de mensaxes en Java (Message-Passing in Java, MPJ) que aproveitan ao máaximo o hardware de rede subxacente mediante operacións de acceso directo a memoria remota que proporcionan comunicacións de baixa latencia. Tamén se inclúe unha biblioteca de paso de mensaxes en Java totalmente funcional, FastMPJ, na cal foron integrados os dispositivos de comunicación. A avaliación experimental amosou que as primitivas de comunicación de FastMPJ son competitivas en comparación con bibliotecas nativas, aumentando signi cativamente a escalabilidade de aplicacións MPJ. Por outra banda, esta Tese analiza o potencial da computación na nube (cloud computing) para HPC, onde o modelo de distribución de infraestrutura como servizo (Infrastructure as a Service, IaaS) xorde como unha alternativa viable aos sistemas HPC tradicionais. A ampla avaliación do rendemento de recursos cloud específi cos para HPC do proveedor líder, Amazon EC2, puxo de manifesto o impacto signi ficativo que a virtualización impón na rede, impedindo mover as aplicacións intensivas en comunicacións á nube. A clave atópase no soporte de virtualización apropiado, como o acceso directo ao hardware de rede, xunto coas directrices para a optimización do rendemento suxeridas nesta Tese.[Abstract]The use of Java for parallel computing is becoming more promising owing to its appealing features, particularly its multithreading support, portability, easy-tolearn properties, high programming productivity and the noticeable improvement in its computational performance. However, parallel Java applications generally su er from inefficient communication middleware, most of which use socket-based protocols that are unable to take full advantage of high-speed networks, hindering the adoption of Java in the High Performance Computing (HPC) area. This PhD Thesis presents the design, development and evaluation of scalable Java communication solutions that overcome these constraints. Hence, we have implemented several lowlevel message-passing devices that fully exploit the underlying network hardware while taking advantage of Remote Direct Memory Access (RDMA) operations to provide low-latency communications. Moreover, we have developed a productionquality Java message-passing middleware, FastMPJ, in which the devices have been integrated seamlessly, thus allowing the productive development of Message-Passing in Java (MPJ) applications. The performance evaluation has shown that FastMPJ communication primitives are competitive with native message-passing libraries, improving signi cantly the scalability of MPJ applications. Furthermore, this Thesis has analyzed the potential of cloud computing towards spreading the outreach of HPC, where Infrastructure as a Service (IaaS) o erings have emerged as a feasible alternative to traditional HPC systems. Several cloud resources from the leading IaaS provider, Amazon EC2, which speci cally target HPC workloads, have been thoroughly assessed. The experimental results have shown the signi cant impact that virtualized environments still have on network performance, which hampers porting communication-intensive codes to the cloud. The key is the availability of the proper virtualization support, such as the direct access to the network hardware, along with the guidelines for performance optimization suggested in this Thesis