VT-IO: A Virtual Time System Enabling High-fidelity Container-based Network Emulation for I/O Intensive Applications
VT-IO: A Virtual Time System Enabling High-fidelity Container-based Network Emulation for I/O Intensive Applications
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VT-IO：虚拟时间系统，为 I/O 密集型应用程序启用基于容器的高保真网络仿真
DOI：
10.1145/3635307
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发表时间：
2023
影响因子：
0.9
通讯作者：
Jin, Dong
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Chen, Gong;Hu, Zheng;Qu, Yanfeng;Jin, Dong
网络仿真允许在轻量级容器上执行未经修改的代码，以实现准确且可扩展的网络应用程序测试。然而，这样的试验台不能保证在高工作负载下的保真度，特别是当许多进程同时请求的资源(例如，CPU、磁盘I/O、GPU和网络带宽)超过底层物理机所能提供的资源时。虚拟时间系统使被仿真的主机能够维护它们自己的虚拟时间概念。当不运行时(例如，在空闲或挂起状态中)，容器可以停止推进其时间。现有的虚拟时间系统专注于针对CPU密集型应用的精确时间管理，但不能处理其他操作，如磁盘I/O、网络I/O和GPU计算。在本文中，我们开发了一个轻量级的虚拟时间系统，该系统集成了精确的I/O时间，用于基于容器的网络仿真。我们对I/O操作中的时间误差进行了建模和分析，并在Linux内核中开发了一种基于屏障的时间补偿机制。我们还设计并实现了动态负载监控器(DLm)来缓解I/O资源争用过程中的时态错误。VT-IO通过精确的I/O时间测量和补偿实现精确的虚拟时间推进。实验结果表明，引入动态线性模型后，时间误差有了显著的改善。在虚拟时间系统中使用DLm时，时间误差从7.889秒减小到0.074秒。值得注意的是，实现这种改进的总开销仅占总执行时间的1.36%。
Network emulation allows unmodified code execution on lightweight containers to enable accurate and scalable networked application testing. However, such testbeds cannot guarantee fidelity under high workloads, especially when many processes concurrently request resources (e.g., CPU, disk I/O, GPU, and network bandwidth) that are more than the underlying physical machine can offer. A virtual time system enables the emulated hosts to maintain their own notion of virtual time. A container can stop advancing its time when not running (e.g., in an idle or suspended state). The existing virtual time systems focus on precise time management for CPU-intensive applications but are not designed to handle other operations, such as disk I/O, network I/O, and GPU computation. In this article, we develop a lightweight virtual time system that integrates precise I/O time for container-based network emulation. We model and analyze the temporal error during I/O operations and develop a barrier-based time compensation mechanism in the Linux kernel. We also design and implement Dynamic Load Monitor (DLM) to mitigate the temporal error during I/O resource contention. VT-IO enables accurate virtual time advancement with precise I/O time measurement and compensation. The experimental results demonstrate a significant improvement in temporal error with the introduction of DLM. The temporal error is reduced from 7.889 seconds to 0.074 seconds when utilizing the DLM in the virtual time system. Remarkably, this improvement is achieved with an overall overhead of only 1.36% of the total execution time.
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