게스트운영체제의실시간성지원을위한타이머하이퍼콜 게스트운영체제의실시간성지원을위한타이머하이퍼콜 박미리 홍철호 유시환 유혁 가상화환경에서는여러개의게스트운영체제가자원을공유하고있는데특히 는시간분할방식에의해분배된다 따라서각가상머신은모든물리시간을점유하지못하고 이는 를점유하지못한시간에동작해야하는태스크실행이보장되지못하는결과를야기시킨다 이와같은응답성의저하는기존의서버가상화에서치명적인문제가되지않으나임베디드시스템에서동작하는실시간태스크측면에서는중요하게다루어져야하는요구사항이된다 본논문에서우리는실시간성과관련된타이머를가상머신모니터에등록할수있는하이퍼콜을제안한다 이하이퍼콜을통하여등록된타이머는만료된시점에해당가상머신이실행되게한다 따라서실시간성을요하는태스크들이의도된시간에실행가능하게하며다른가상머신의기아현상을완화시켜준다 이어지는실험에서는 에이를구현하여게스트운영체제인리눅스에서의실시간성을평가한다 특히테스트응용과 의응답성및초당프레임수를측정하여한개의게스트운영체제만이동작하는환경에서와비슷한실시간성이지원될수있음을보인다 키워드 가상화 가상머신모니터 하이퍼콜 실시간성 임베디드소프트웨어 1. 서론 학생회원 논문접수 심사완료 고려대학교컴퓨터전파통신공학과 종신회원 고려대학교컴퓨터전파통신공학과교수 년 월 일 년 월 일 C 한국정보과학회 ː 개인목적이나교육목적인경우 이저작 물의전체또는일부에대한복사본혹은디지털사본의제작을허가합니다 이때 사본은상업적수단으로사용할수없으며첫페이지에본문구와출처 를반드시명시해야합니다 이외의목적으로복제 배포 출판 전송등모든 유형의사용행위를하는경우에대하여는사전에허가를얻고비용을지불해야 합니다 정보과학회논문지 시스템및이론제 권제 호 운영체제가상화에서가장중요한요건중하나는가상화를하지않은상태에서보여주던성능을가상머신상에서도그대로유지하는것이다 운영체제가상화가서버분야에서이용되게된동기중하나는 사용률이 정도로낮은서버들을하나의물리머신에서동작시킴으로써자원을절약하는데에있다 그리고이때기존의성능이크게손상되지않아야상용수준으로활용할수있으므로성능의보장은주요조건이된다 임베디드장치위에서동작하는소프트웨어는일반적으로서버에서동작하는소프트웨어가보여주어야하는
정보과학회논문지 시스템및이론제 권제 호 성능조건외에도다른제약조건을가진다 특히서버환경에비해제한적인자원을사용해야하면서도그동작성에있어실시간성을지원해야한다 기존의가상화기술에서실시간성은고려되지않았다 왜냐하면서버가상화에서자원을배분함에있어가장중요한목표중하나는자원의활용률측면에서의 공평성 이기때문이다 즉 여러개의 에공평한자원을분배해주어야각 에서동작하는서버가물리자원을골고루사용할수있다 즉 서버가상화에서는얼마만큼의 점유율을가질수있느냐만고려할뿐언제 를점유할수있는가는반영하지않는다 최근몇년간 등에서임베디드가상화기술에대한연구가이루어져왔으나실시간성에대한연구는 등에서만논의되었다 는우선순위를이용한스케줄링기법을통해임베디드가상화환경에서실시간성보장을하게하는방안을제안하였다 이연구는각 에서동일한성격의태스크들만이동작한다고가정하였다 즉 시간기반실시간작업 이벤트기반실시간작업 그리고비실시간작업을하는태스크들이각각의 에탑재된환경으로제한시킨것이다 그리고실시간작업을하는 에높은우선순위를부여하여우선순위기반스케줄링을하도록하였다 그러나이연구는실시간 에우선순위를높게준다고만밝혔을뿐 실시간성이실제로어떻게보장되는지보여주지못했다 특히나특정 에무조건적으로높은우선순위를부여하는것은자칫다른 의기아 현상을초래할수도있다 따라서좀더유연하며정교한방안이필요할것이다 우리는먼저가상화환경에서왜실시간성이지원되지않는지를가상머신의 배분방식을통해분석하였다 그리고 라는새로운하이퍼콜을통해태스크가수행되어야할시점을알려주도록하고이를스케줄링에반영할수있도록하였다 또한임베디드기반공개가상머신모니터 에구현하여게스트운영체제의실시간성을평가하였다 2. 실시간성지원을위한가상머신스케줄러실시간성연구분야에서는언제 를점유해야하는가하는문제를흔히해당태스크에대한주기 실행시간 데드라인을정의함으로써해결하여왔다 이와같은정보를바탕으로태스크사이의의존성및인터럽트등의다른자원의상태를분석하여 실시간태스크가정의된데드라인이내에수행될수있는지예측하고스케줄링한다 이나 등의실시간스케줄링알고리즘 이이분야에서제안되었다 그림 실시간성보장을위한계층적스케줄링그러므로그림 에서와같이각 에서동작하는태스크의정보를미리알수만있다면이를바탕으로각 에서필요로하는자원요구량을파악할수있다 그리고하이퍼바이저는이요구량을이용하여실시간스케줄러로 을스케줄링해주고 게스트운영체제는다시자신의태스크를스케줄링하여실시간성을보장할수있다 하지만실시간을보장해주어야할 에서동작하는태스크들의정보를미리알지못한다면이와같은방식은적절히활용되기가어렵다 즉 실시간스케줄링기법의특성상실시간성보장을위한각태스크의주기 실행시간 데드라인등을미리알아야하는데이를모른다면해당 이언제자원을필요로하는지알수가없다 따라서미리정보를알지못하는상황에서실시간성을지원하는방식이필요할것이다 우리는일반적으로많은소프트웨어들이주기적으로실행해야하는일들을위해타이머서비스를활용하며 이는실시간성을지원하는데에밀접한역할을한다는점에주목했다 예를들어 비디오플레이를하는경우특정시간간격마다버퍼에있는내용을디스플레이하기위해타이머를설정하고 이타이머가만료되었을때마다실행되는루틴이프레임을디스플레이한다 만약타이머서비스가제대로동작하지못해서특정시간에디스플레이루틴이실행되지않는다면 사용자는끊긴화면을보게될것이고이는곧실시간성보장의실패가된다 따라서타이머가만료되었을때해당루틴이실행되는것이중요하다 그런데 점유율만을고려한기존의 스케줄링기법에서는타이머만료되는시점에수행이보장되지않는다 그림 는공평한자원분배를위해각 을교대로실행시킬때의 점유상황을보여준다 태스크 은 시점에서 동안타이머를설정하였지만실제그림 기존 스케줄링의문제
게스트운영체제의실시간성지원을위한타이머하이퍼콜 그림 타이머정보를이용한 스케줄링 가지난시점에서는 가동작하고있다 따라서 의커널은이태스크를실행시킬수없고 이후에스케줄링되는 시점에서가서야타이머가만료되었음을알게된다 즉 원래의도했던타이머설정시간은 였지만실제타이머만료시점은그림 에서와같이그이상이될수도있다 하지만만약그림 에서와같이 시점에서하이퍼바이저 가타이머가만료되는태스크가속한 을스케줄링해준다면 태스크 은원하는시간에수행될수있을것이다 즉 하이퍼바이저가 의타이머설정내용을알고있다면해당시간에 이실행되도록스케줄링해줄수있다 우리는해결방안으로타이머서비스를가상머신모니터에등록할수있는 를제안한다 는하이퍼바이저가 에게제공하는하이퍼콜 로실시간성이필요한타이머요청을하이퍼바이저에게알리고만료되는시점에스케줄링을보장해주는역할을한다 즉 실시간 지원을위한타이머인경우만료되었을때바로해당 에게수행을넘겨주게된다 따라서미리실시간태스크에대한정보를가지고있지않아도하이퍼콜을호출함으로써 에서동작하는소프트웨어의실시간성을지원할수있게된다 하이퍼콜을이용해야하는방법의제약상이는 등의반가상화 에서활용될수있다 반가상화는 에서동작하는게스트운영체제를수정하여성능면에서이득을얻는방식으로우리가제시하는 역시게스트운영체제의수정이불가피하다 왜냐하면하이퍼콜을이용하여특정타이머설정을등록하여야하기때문이다 전가상화 에서는하이퍼콜을호출하는대신타이머서비스를등록하는소프트웨어인터럽트를감지함으로써게스트운영체제의타이머정보를알수있다 그러나이경우어떤타이머가실시간성지원을위한것인지판단하기가어렵다 따라서반가상화에서하이퍼콜을제공하는방식이실시간성지원을명시적으로요청하게하여선택적인응답성향상을가능하게한다 은이미 에게타이머설정을위한하이퍼콜을제공하고있다 그러나이하이퍼콜은 에게해당타 이머가만료되었음을알리는역할만할뿐 그순간에수행됨을보장하지않는다 의타이머가만료되었다하더라도다른 이동작하고있고이 의우선순위가더높다면타이머가만료된 은수행되지않는다 그러므로여전히실시간태스크가실행될수있는여지는없다 그러나 로설정한타이머는만료되는순간에하이퍼바이저가해당 을스케줄링시켜주므로실시간태스크가실행될수있다 앞서설명한바와같이만약 에서실행되는실시간태스크의정보를미리알고있다면 들을실시간스케줄링을해주어실시간성을보장할수있다 그러나우리가가정한환경은이와같은정보가알려지지않아실시간스케줄링이어려운경우이다 대신에실시간과관련된타이머서비스를하이퍼바이저에게요청하고하이퍼바이저는해당시간에실행을요하는 을스케줄링해준다 3. VIT 디자인 3.1 하이퍼콜의추가기존의시스템은응용프로그램이사용하는타이머가 내부에서만관리되어하이퍼바이저에는가려져있다 그러므로타이머가만료되었음을인지하고해당응용프로그램을실행시키기위해서는그 이스케줄링된상태여야한다 우리가제안하는시스템은그림 와같이 를통해하이퍼바이저가타이머정보를알수있다 또한이정보를바탕으로해당 을실행시켜줌으로써실시간성을지원하게된다 하이퍼바이저는중요한타이머설정을위해하이퍼콜인 를제공한다 이하이퍼콜을통해서 위에서동작하는소프트웨어는자신이동작하고있는 이특정시간 이후에수행되도록할수있다 하이퍼바이저는하이퍼콜을통해받은정보를바탕으그림 가추가된하이퍼바이저
정보과학회논문지 시스템및이론제 권제 호 로타어머가만료될시점을계산하고이값을관리한다 타이머가만료되는시점은다음과같다 시스템의시간관리를위해특정시간마다하드웨어에서틱이발생되고이틱인터럽트핸들러는하이퍼바이저에존재한다 따라서하이퍼바이저는매틱마다만료되는타이머가있는지확인할수있다 타이머가만료되는조건은다음과같다 하이퍼바이저는이와같은조건을검사하여만료된타이머가있다면해당 이스케줄링될수있도록한다 또한일정시간수행이된후에는원래의스케줄링방식으로되돌아가다른 이스케줄링될수있도록한다 만약두개이상의 에서요청한 가만료된경우에는먼저요청한 이먼저스케줄링된다 이는우리가가정한시스템이가상머신에우선순위를정의하지않았고큐를사용하는타이머관리구현상먼저요청된타이머의만료여부가먼저검사되기때문이다 를이용하여스케줄링하는경우자칫특정 에게만 자원이계속하여할당될수있다 그러나우리의목표는스케줄링시점을변경시켜응답성을지원하게하는것일뿐 점유율측면에서의공평성은여전히지켜져야한다 따라서타이머가만료되어실행되는 은그이후에스케줄링이제한되어전체적인공평성이지원될수있도록해야할것이다 우리는 를 장에서자세히설명할 에구현하여이와같은문제가발생하지않도록하였다 3.2 응용미디어플레이어의경우일반적으로주기적인동작을통해음악혹은동영상을재생한다 그리고주기적인동작이이루어지기위해서는일정시간동안 하게된다 예를들어미디어플레이어의주요루틴은파일의끝이나올때까지루프 를실행하며음악을재생하게구현되어있다 이때 함수는커널이관리하는타이머서비스를호출하여타이머가만료되기를기다리게한다 또한동영상을재생해야하는경우디스플레이되는프레임과오디오재생의동기화를위해서도타이머서비스는이용된다 보통비디오프레임이디코딩되고나서타임스탬프를오디오타임스탬프와비교하게된다 이때비디오타임스탬프가더작은값을가지게되면바로디스플레이가되지만더큰값을가지게된다면그차이만큼 을하여동기화를하게된다 따라서이때이용하는타이머서비스를 가지원 하게하여응답성을높여주고이로인해더나은실시 간성을보여줄수있을것이다 4. 실험환경및구현 성능평가를위한환경을만들기위해 을 수정하여하이퍼콜을추가하였다 은 공식커뮤니티에서 프로세서를위해릴리즈 하 였으며현재두번째버전까지나와있다 게스트운영체 제로는리눅스와실시간커널인 가릴리즈되 었으며본논문에서는리눅스를대상으로실험을수행 하였다 하드웨어자원및실험환경에대한요약은표 에정리하였다 4.1 측정치 (Metric) 표 자원및실험환경 실시간성보장은정형적인기법이나실험을통하여 평가될수있다 은실험적인방법중하나로응답성 을측정하는실험을통해리눅스에서실시간성 을분석하였다 우리도세가지측정치 를정의하 여실험적으로실시간성을평가하였다 첫번째는 으로어떤태스크가 을 하며요청한타이머의응답성을수치화한다 즉 태스크 가 한시점부터깨어난시점까지지난시간을 으로정의한다 이요청한값에가까울수록실시간성이 지켜질가능성이더커진다 그러나엄밀한의미에서지 원해야하는실시간성은 에서깨어나특정작업이 끝난시점까지를보장함을말한다 두번째측정치로이 를수치화하기위해그림 에서와같이 에서깨어 나일정작업을마칠때까지걸리는시간을 로정의한다 그림 정의
게스트운영체제의실시간성지원을위한타이머하이퍼콜 마지막측정치는 를이용한응용실험에서 실시간성을보이기위하여고려되었다 장에서설명한 멀티미디어플레이어 특히비디오플레이어의경우초 당프레임이미리정해져있기때문에실제재생된초 당프레임수를보이는것으로실시간성이얼마나지원 되는지를나타낼수있을것이다 4.2 Xen-Arm 스케줄러수정 의최신버전은기본스케줄러로 스케줄러를사용하고있 다 스케줄러는스케줄링단위가각자의가상시 간을갖는다는개념을이용하여미리정해진가중치에 따른자원을공평하게분배한다 여기에 이라는기 능을이용하여 특정스케줄링단위가 되는순간에 자신이사용하게되는자원을미리당겨쓰게한다 그 리고이로인해그순간에응답시간을높일수있다 또 한 이해제되면서당겨썼던시간만큼다른스케 줄링단위가우선적으로 를분배받게되므로공평 한분배가가능하다 따라서평소에는공평하게 자 원을분배받다가 가만료되어특정도메인이스케 줄링되어야하는경우에 을활성화하는방식을 사용하여우리의아이디어를 에구현하였다 5. 실험결과 5.1 테스트응용 성능평가의첫번째응용으로리눅스에서동작하는 간단한테스트어플리케이션을만들었다 이어플리케이 션은 동안 을하고난후깨어나 를소 모하는행렬연산수행을반복하는데평균 의 점유율을보인다 표 에서보는것과같이도메인이 개일때평균 였던 은도메인 개가동작하면서 으로늘어난다 이는앞서설명한것과같이도 메인이 를공평하게분배 받고있으므 로타이머가만료되어도해당태스크가스케줄링될수 없기때문이다 그러나 를이용한경우도메인이깨 어날시간에스케줄링시켜줌으로서 은 표 테스트응용의응답시간 에대한평균 도메인 개도메인 개도메인 개 에대한평균 도메인 개도메인 개도메인 개 으로줄어들게되며 이값은도메인한개만동 작할때의수준과같은값이다 테스트응용은 후에깨어나 를소모하는 행렬연산을수행한다 이에대한응답시간은도메인이 개일때평균적으로 가걸린다 이값은두개 의도메인일때 까지길어지게되나 를이 용하여기존수준의성능을확보할수있었다 우리의또다른관심은이와같은방식이정적우선 순위스케줄링방식과어떤차이점을가지느냐는것이 다 앞서지적한바와같이실시간태스크가있는 에무조건적으로높은우선순위를준경우에도똑같이 응답성은나아질수있기때문이다 우리는두개의도 메인 가있을때 는실시간성을지원하는도메 인 는보통도메인이라고가정하였다 그리고도메인 에서테스트응용을동작시켜전체수행시간을측정하 였다 표 은서로다른스케줄링방식에따라도메인 에서실시간성을지원받을때비실시간도메인 의 응답시간을보여준다 표 스케줄방식에따른비실시간도메인의응답시간 도메인 의테스트응용평균작업시간 초 도메인 개도메인 개 도메인 개 정적우선순위도메인 개 를적용한 수정하지않은 기본설정 는라운드로빈방식 과같이두개의도메인을교대로실행시킨다 이때한 도메인에서측정한응답시간은 초로 를독점하 여사용하는도메인 개일때에비해늘어난수치를보 인다 하지만정적우선순위방식을쓰면도메인 의 우선순위가언제나높으므로도메인 는 를자주 할당받지못한다 그리고그결과로 초의응답성을 보인다 그러나 를이용한스케줄링의경우 초 의응답시간을기록하는데이는기본설정값을이용하는 방식을사용할때와비슷한수준의값이다 이것은 타이머가만료되는순간에만순간적으로도메인 가 를점유하며그외에는도메인 가스케줄링되어 기아현상을막기때문이다 반면에정적우선순위방식 은계속 를점유하고있기때문에실시간성을지원 받지않는도메인의기아현상을초래할수있다 5.2 MPlayer 는타이머를이용하는미디어플레이어로리 눅스에서동작하는공개프로그램이다 우리는 를 활용하여 의타이머요청을처리해줄수있도 록하였다 또한테스트를위하여 파일을사용하였으 며 파일의인코딩속성은표 와같다
정보과학회논문지 시스템및이론제 권제 호 표 샘플 파일정보 코덱종류이미지크기평균비트전송률초당프레임수총프레임수재생시간 그래프 평균타이머요청시간및응답시간 그래프 의타이머요청그래프 은 가요청하는 요청시간을나타낸것으로 가실행되는시점부터각 을요청하는시점에얼마만큼의타이머서비스를요청하는지보여준다 는최소 부터최대 까지평균 의 을요청하였다 그래프 는이요청에대한응답성 즉 의분포를나타낸것이다 도메인의개수가 개 개인경우와도메인이 개이면서 를쓴경우세가지케이스에대한실험을수행하였다 도메인이 개가되면서 중약 가 의응답성을보이게된다 이는앞서실험한테스트응용에서와마찬가지로 할당을제한적으로받게되어해당시간에도메인이스케줄링되지않기때 문이다 그러나 를사용한케이스에서는도메인이 개인상황과비슷한응답성분포를보이며평균값은약 가된다 그래프 은도메인개수와 사용 케이스에대한평균 요청시간과 을 비교하여보여준다 표 는실험결과를정량적으로보여준다 평균 은앞서설명한바와같이도메인 개가 동작하면서평균 까지길어지며 를이용하 였을때 가되었다 가재생하는초당프레임수는실시간성을 보여주는주요척도이다 이값은도메인 개시에 까지떨어졌으나 를이용하면서 가된다 즉 기존의실시간성이도메인이늘어나면서고려되지 않았으나 를이용하면서지원된다고볼수있다 표 의응답시간및 평균 요청시간 도메인 개도메인 개도메인 개 평균 도메인 개도메인 개도메인 개 초당재생프레임수 도메인 개도메인 개도메인 개 6. 관련연구 그래프 타이머서비스의응답시간분포 은 을통해 에구현된세가지 스케줄러의성능을비교하였다 은분리된디바이스모델 을따르며 가디바이스드라이버를가지고있다 저자들은 스케줄러가각각어떤특징을가지는지설명하고스케줄링파라미터변화가성능에어떤영향을주는지를실험을통해보여
게스트운영체제의실시간성지원을위한타이머하이퍼콜 주었다 은 에서동작하는게스트운영체제의네트워크성능이 의스케줄링에영향을받는다는사실을지적하였다 패킷을처리하기위해서는우선디바이스드라이버가존재하는 가스케줄링되어야하며 그이후에도 와 가통신을하여야하는등의지연이존재한다 는각도메인별로패킷을기록하여그횟수가많은도메인이우선적으로스케줄링될수있도록하여응답시간을높여주었다 역시 에서 스케줄링이 성능에영향을준다는점을분석하고 스케줄러를수정하여 성능을높일수있는방안을보였다 저자들은이벤트채널패치 런큐의정렬 선점횟수최소화등을구현하여각수정사항이 성능에어떤영향을미치는지를설명했다 또한응답성이중요한태스크의성능은 를많이사용하는태스크와다른도메인에있을때좋아짐을실험을통해보여주었다 에서는태스크의동작을 기법을통해수집한뒤이를스케줄링에반영하는방식을제안하였다 저자들은 태스크들을 해줌으로써 성능을향상시켜주면서도 배분의공정성을유지할수있음을보였다 는임베디드시스템에서실시간태스크들이여러게스트운영체제에걸쳐있을수있음을지적하고 태스크레벨의스케줄링방식을제안하였다 각도메인별로각기다른우선순위를가지는태스크들에게글로벌우선순위를부여함으로써실시간태스크가어떤도메인에존재하더라도실시간성이보장되도록하였다 본논문은기존연구의방향과는달리스케줄링방식만으로는게스트운영체제의실시간성을지원하기가힘들다는점을지적하였다 태스크들이타이머서비스를요청하고 하더라도깨어나는시점에다른도메인이 를점유하고있어해당태스크가실행되지못할수있기때문이다 따라서태스크레벨의타이머를하이퍼바이저가알고있게함으로써깨어나는즉시실행을지원하고 태스크의응답성을향상시켜주었다 7. 결론실시간성을요하는소프트웨어는주로타이머를이용하여주기적인작업을수행한다 그러나기존의가상화환경은이를고려하지않아타이머가만료된시점에해당태스크가수행되지않을수있다 이는응답성의저하로이어져실시간성을떨어뜨리는요인이된다 우리는이러한타이머요청을하이퍼콜형태로하이퍼바이저에게전달하여타이머가만료되는시점에해당 을스케줄링하게하였다 이결과타이머요청에대한응답 성이향상되었으며이는멀티미디어플레이어가재생하 는초당프레임수의향상으로이어졌다 이와같은방식은 의태스크정보를미리알지 못해자원의실시간분배가어려운경우에활용될수 있으며 실제 에서동작하는게스트운영체제 인리눅스에적용하여그결과를확인할수있었다 참고문헌
정보과학회논문지 시스템및이론제 권제 호 박미리 년 월고려대학교컴퓨터학과학사 년 년모토로라코리아 년 현재고려대학교컴퓨터전파통신공학과석사과정 관심분야는가상화 임베디드시스템 홍철호 년 월고려대학교컴퓨터학과학사 년 월고려대학교컴퓨터학과석사 년 현재고려대학교컴퓨터전파통신공학과박사과정 관심분야는가상머신플랫폼 멀티코어운영체제 유시환 년 월고려대학교컴퓨터학과학사 년 월고려대학교컴퓨터학과석사 년 현재고려대학교컴퓨터전파통신공학과박사과정 관심분야는 내장형시스템 시스템가상화 유 혁 년 월서울대학교전자공학과학사 년 월서울대학교전자공학과석사 년 월 년 월 년 년 년 현재고려대학교컴퓨터학과교수 관심분야는시스템가상화 멀티코어플랫폼 커널네트워킹 센서네트워킹 멀티미디어스트리밍