Littérature scientifique sur le sujet « Machine virtuelle (VM) »

Les machines virtuelles langage (VM) sont l’environnement d’exécution des langages de haut niveau les plus répandus. Elles permettent une portabilité du code applicatif et la gestion automatique de la mémoire. Leur large diffusion couplée à l’exécution de tâches de bas niveau les rendent intéressantes pour les attaquants. Les solutions purement logicielles entraînent souvent une perte de performance incompatible avec la compilation just-in-time (JIT). Des solutions accélérées matériellement sont ajoutées dans des processeurs commerciaux pour concilier des garanties de sécurité fortes avec la performance. Pour comparer ces solutions, cette thèse s’intéresse au jeu d’instructions RISC-V et à ses capacités d’extension. Nous présentons Gigue, un générateur de binaires similaires au code JIT directement exécutables sur les softcores RISC-V. Il fournit une interface pour des instructions personnalisées et garantit leur exécution. Nous présentons une solution d’isolation de domaine au niveau des instructions ajoutée aux binaires de Gigue et déployée dans un processeur avec des modifications minimales. La solution ajoute un surcoût de performance négligeable tout en garantissant des propriétés fortes sur les domaines. Afin de motiver le déploiement dans des cas d’utilisation réels, nous étendons le compilateur JIT Pharo au jeu d’instructions RISC-V, ainsi que son infrastructure de test
Language Virtual Machines (VMs) are the run-time environment of popular high level managed languages. They offer portability and memory handling for the developer and are deployed on most computing devices. Their widespread distribution, handling of untrusted user inputs, and low-level task execution make them interesting to attackers. Software-only solutions that isolate their different components often incur a high performance overhead incompatible with just-in-time (JIT) compilation. Hardware-accelerated run time protections are pushed in vendor processors as a solution to conciliate strong security guarantees with performance. To allow experimentation in the design and comparison of such solutions, this thesis is interested in the RISC-V instruction set and its extension capabilities. We present Gigue, a workload generator that outputs binaries similar to JIT code directly executable on RISC-V softcores. It provides an interface for custom instructions and guarantees their execution. We present an instruction-level domain isolation solution added to Gigue binaries and implemented in an application-class processor with processor modifications. The solution adds negligible performance overhead while enforcing strong properties on domains. As an effort to motivate deployment in real use cases, we extend the Pharo JIT compiler to the RISC-V instruction set along with its testing infrastructure

Dans toutes les industries manufacturières, les chambres mises en parallèles sur une même opération de production sont censées donner un résultat similaire et offrir des produits de qualité identique. Ceci n'est toutefois pas toujours le cas dans les unités de production.Le maintien d'une performance stable des chambres parallèles dans l'industrie des semi-conducteurs est un véritable défi car les machines traitent simultanément un grand nombre de produits dans le but de maximiser le rendement et optimiser l'utilisation des machines. Le travail de thèse consiste à proposer une méthodologie permettant de détecter et de corriger en temps réel ces différences de performance en exploitant toutes les données disponibles, utilisées habituellement de façon séparée, pour identifier les causes racines de toute différence significative entre les chambres traitant des produits identiques.L'approche proposée consiste d'abord à détecter les écarts existants entre les chambres parallèles en se référant aux mesures des paramètres physiques. Les données des capteurs sont ensuite analysées pour mettre en évidence les indicateurs causant ces écarts. Ces indicateurs sont ajustés grâce à un mécanisme de contrôle efficace composé de deux parties : La métrologie virtuelle et la régulation. Tout d'abord, l'impact du réglage des paramètres d'entrée des chambres sur la qualité des produits est modélisé. Les modèles créés sont ensuite utilisés pour mettre en œuvre des boucles de régulation dont le but est de faire correspondre les indicateurs source de variabilité, et compenser ainsi l'erreur de sortie
In the manufacturing industries, the machines/chambers placed in parallel on the same production operation are expected to have similar capabilities and, most importantly, to yield identical product quality. However, this is usually not the case in real practice due to the systematic variations accumulated in time. Maintaining stable performance of parallel machines/chambers in the semiconductor industry is a critical challenge given the fact that, in the large-scale production environment, machines/chambers can process a large number of products simultaneously to maximize throughput and optimize machine utilization. Un- surprisingly, after processing very different settings, called recipes, the conditions of parallel machines/chambers will be no longer the same. This thesis proposes a methodology to detect and correct the performance differences in real-time by using all the available data, namely: measurements of physical parameters, data from sensors installed on machines, data from the control loops, and maintenance data. The core idea is to integrate the different sources of data, which are usually used separately, to identify the root causes of any significant differences among the machines/chambers that process identical recipes.The proposed approach starts by detecting existing gaps between parallel machines/ chambers by referring to the measurements of physical parameters since they reflect the quality of manufactured products. The sensor data are then analyzed to highlight the in- dicators that cause these discrepancies. These indicators are adjusted through an effective control mechanism composed of two parts: 1) virtual metrology and 2) process regulation. First, the impact of recipe changes on product quality is quantified by modeling the link between the inputs and outputs of the mismatched machines/chambers. The constructed models are then used to implement the revised control loops to match as much as possible the controllable input factors and compensate for the output errors

Les opérateurs de cloud IaaS (Infrastructure as a Service) proposent à leurs clients des ressources virtualisées (CPU, stockage et réseau) sous forme de machines virtuelles (VM). L’explosion du marché du cloud les a contraints à optimiser très finement l’utilisation de leurs centres de données afin de proposer des services attractifs à moindre coût. En plus des investissements liés à l’achat des infrastructures et de leur coût d’utilisation, la consommation énergétique apparaît comme un point de dépense important (2% de la consommation mondiale) et en constante augmentation. Sa maîtrise représente pour ces opérateurs un levier très intéressant à exploiter. D’un point de vue technique, le contrôle de la consommation énergétique s’appuie essentiellement sur les méthodes de consolidation. Or la plupart d'entre elles ne prennent en compte que l’utilisation CPU des machines physiques (PM) pour le placement de VM. En effet, des études récentes ont montré que les systèmes de stockage et les E/S disque constituent une part considérable de la consommation énergétique d’un centre de données (entre 14% et 40%). Dans cette thèse nous introduisons un nouveau modèle autonomique d’optimisation de placement de VM inspiré de MAPE-K (Monitor, Analyze, Plan, Execute, Knowledge), et prenant en compte en plus du CPU, les E/S des VM ainsi que les systèmes de stockage associés. Ainsi, notre première contribution est relative au développement d’un outil de trace des E/S de VM multi-niveaux. Les traces collectées alimentent, dans l’étape Analyze, un modèle de coût étendu dont l’originalité consiste à prendre en compte le profil d’accès des VM, les caractéristiques du système de stockage, ainsi que les contraintes économiques de l’environnement cloud. Nous analysons par ailleurs les caractéristiques des deux principales classes de stockage, pour aboutir à un modèle hybride exploitant au mieux les avantages de chacune. En effet, les disques durs magnétiques (HDD) sont des supports de stockage à la fois énergivores et peu performants comparés aux unités de calcul. Néanmoins, leur prix par gigaoctet et leur longévité peuvent jouer en leur faveur. Contrairement aux HDD, les disques SSD à base de mémoire flash sont plus performants et consomment peu d’énergie. Leur prix élevé par gigaoctet et leur courte durée de vie (comparés aux HDD) représentent leurs contraintes majeures. L’étape Plan a donné lieu, d’une part, à une extension de l'outil de simulation CloudSim pour la prise en compte des E/S des VM, du caractère hybride du système de stockage, ainsi que la mise en oeuvre du modèle de coût proposé dans l'étape Analyze. Nous avons proposé d’autre part, plusieurs heuristiques se basant sur notre modèle de coût et que nous avons intégrées dans CloudSim. Nous montrons finalement que notre approche permet d’améliorer d’un facteur trois le coût de placement de VM obtenu par les approches existantes
IaaS cloud providers offer virtualized resources (CPU, storage, and network) as Virtual Machines(VM). The growth and highly competitive nature of this economy has compelled them to optimize the use of their data centers, in order to offer attractive services at a lower cost. In addition to investments related to infrastructure purchase and cost of use, energy efficiency is a major point of expenditure (2% of world consumption) and is constantly increasing. Its control represents a vital opportunity. From a technical point of view, the control of energy consumption is mainly based on consolidation approaches. These approaches, which exclusively take into account the CPU use of physical machines (PM) for the VM placement, present however many drawbacks. Indeed, recent studies have shown that storage systems and disk I/O represent a significant part of the data center energy consumption (between 14% and 40%).In this thesis we propose a new autonomic model for VM placement optimization based on MAPEK (Monitor, Analyze, Plan, Execute, Knowledge) whereby in addition to CPU, VM I/O and related storage systems are considered. Our first contribution proposes a multilevel VM I/O tracer which overcomes the limitations of existing I/O monitoring tools. In the Analyze step, the collected I/O traces are introduced in a cost model which takes into account the VM I/O profile, the storage system characteristics, and the cloud environment constraints. We also analyze the complementarity between the two main storage classes, resulting in a hybrid storage model exploiting the advantages of each. Indeed, Hard Disk Drives (HDD) represent energy-intensive and inefficient devices compared to compute units. However, their low cost per gigabyte and their long lifetime may constitute positive arguments. Unlike HDD, flash-based Solid-State Disks (SSD) are more efficient and consume less power, but their high cost per gigabyte and their short lifetime (compared to HDD) represent major constraints. The Plan phase has initially resulted in an extension of CloudSim to take into account VM I/O, the hybrid nature of the storage system, as well as the implementation of the previously proposed cost model. Secondly, we proposed several heuristics based on our cost model, integrated and evaluated using CloudSim. Finally, we showed that our contribution improves existing approaches of VM placement optimization by a factor of three

Purpose – The purpose of this paper is to explore the possibility to effectivize local networks and databases using unikernels and compare this to containers. This could also apply to reliability of executing programs the same way on different hardware in software development. Method – Two experiments have been performed to explore if the purpose could be realized, quantitative data have been gatheredand displayed in both cases. Python-scripts have been used to start C-scripts, acting client and server. Algorithms have been timed running in unikernels as well as in containers along with compared measurements of memory in multiple simultaneous instantiations. Findings – Intermittent response times spiked made the data hard to parse correctly. Containers had a lower average response time when running lighter algorithms. The average response times of unikernels dives below that of containers when heavier programs are simulated. Few minor bugs were discovered in Unikraft unikernels. Implications – unikernels havecharacteristics that make them more suitable for certain tasks compared to their counterpart, this is also true for containers. Unikraft unikernels are unstable which makes it seem like containers are faster during lighter simulations. Unikernels are onlyfaster and more secure if the tools used to build them does so in a manner that makes them stable. Limitations – The lack of standards, the lack of a support community together with the fact that unikernels is a small and niche field means that unikernels have a relatively high learning curve. Keywords – Unikraft, Unikernels, Docker, Container
Syfte – Syftet med denna studie är att undersöka möjligheten att effektivisera lokala nätverk och databaser med hjälp av unikernels och att jämföra denna möjlighet med containrar. Detta kan även gälla utveckling av programvara för att säkerställa att programvaran exekveras på servern på exakt samma sätt som den tidigare gjort lokalt på utvecklarens lokala dator. Metod – Två experiment utförs för att undersöka om det går besvara syftet, kvantitativa data samlas in i båda fallen, datan är även redovisad kvantitativt. Python-script används föratt starta C-script som agerar klient och server. Tidtagning på algoritmer i unikernels respektive containrar samt minnesanvändning vid multipel instansiering mättes för att analyseras och jämföras. Resultat – Intermittenta svarstids-toppar gjorde datan från unikernels svår att korrekt utvärdera. Containrar hade ett lägre medelvärde på svarstider vid mindre krävande algoritm-användning. Unikernels medelvärde dyker under container-svarstiderna när mer krävande program simuleras. Några små buggar upptäcktesi Unikraft unikernels. Implikationer – Unikernels har egenskaper som gör de mer passande för vissa uppgifter jämfört med dess motsvarighet medan detsamma gäller för Containrar. Unikraft unikernels är instabila och ger därfören bild av att containrar vidmindre processorkrävande program faktiskt är snabbare än unikernels. Unikernels är bara snabbare och säkrare i den mån verktyget som bygger dem, gör det på ett sätt att de är stabila. Begränsningar – Avsaknaden av standarder, avsaknaden av ett communitysom kan svara på frågor tillsammans med att unikernelsär ett litet och nischat fält gör att unikernels har en relativ hög inlärningskurva. Nyckelord – Unikernel, Unikraft, Container, Docker

L'objectif de cette thèse est de présenter de nouveaux algorithmes de placement de machines virtuelles (VMs) à fin d’optimiser le coût et les émissions de carbone dans les Clouds distribués. La thèse se concentre d’abord sur la rentabilité des Clouds distribués, et développe ensuite les raisons d’optimiser les coûts ainsi que les émissions de carbone. La thèse comprend deux principales parties: la première propose, développe et évalue les algorithmes de placement statiques de VMs (où un premier placement d'une VM détient pendant toute la durée de vie de la VM). La deuxième partie propose des algorithmes de placement dynamiques de VMs où le placement initial de VM peut changer dynamiquement (par exemple, grâce à la migration de VMs et à leur consolidation). Cette thèse comprend cinq contributions. La première contribution est une étude de l'état de l'art sur la répartition des coûts et des émissions de carbone dans les environnements de clouds distribués. La deuxième contribution propose une méthode d'allocation des ressources, appelée NACER, pour les clouds distribués. L'objectif est de minimiser le coût de communication du réseau pour exécuter une tâche dans un cloud distribué. La troisième contribution propose une méthode de placement VM (appelée NACEV) pour les clouds distribués. NACEV est une version étendue de NACER. Tandis que NACER considère seulement le coût de communication parmi les DCs, NACEV optimise en même temps les coûts de communication et de calcul. Il propose également un algorithme de cartographie pour placer des machines virtuelles sur des machines physiques (PM). La quatrième contribution présente une méthode de placement VM efficace en termes de coûts et de carbone (appelée CACEV) pour les clouds distribués verts. CACEV est une version étendue de NACEV. En plus de la rentabilité, CACEV considère l'efficacité des émissions de carbone pour les clouds distribués. Pour obtenir une meilleure performance, la cinquième contribution propose une méthode dynamique de placement VM (D-CACEV) pour les clouds distribués. D-CACEV est une version étendue de notre travail précédent, CACEV, avec des chiffres supplémentaires, une description et également des mécanismes de migration de VM en direct. Nous montrons que notre mécanisme conjoint de réallocation-placement de VM peut constamment optimiser à la fois le coût et l'émission de carbone dans un cloud distribué
Virtual machine (VM) placement (i.e., resource allocation) method has a direct effect on both cost and carbon emission. Considering the geographic distribution of data centers (DCs), there are a variety of resources, energy prices and carbon emission rates to consider in a distributed cloud, which makes the placement of VMs for cost and carbon efficiency even more critical and complex than in centralized clouds. The goal of this thesis is to present new VM placement algorithms to optimize cost and carbon emission in a distributed cloud. It first focuses on cost efficiency in distributed clouds and, then, extends the goal to optimization of both cost and carbon emission at the same time. Thesis includes two main parts. The first part of thesis proposes, develops and evaluates static VM placement algorithms to reach the mentioned goal where an initial placement of a VM holds throughout the lifetime of the VM. The second part proposes dynamic VM placement algorithms where the initial placement of VMs is allowed to change (e.g., through VM migration and consolidation). The first contribution is a survey of the state of the art on cost and carbon emission resource allocation in distributed cloud environments. The second contribution targets the challenge of optimizing inter-DC communication cost for large-scale tasks and proposes a Network-Aware Cost-Efficient Resource allocation method, called NACER, for distributed clouds. The goal is to minimize the network communication cost of running a task in a distributed cloud by selecting the DCs to provision the VMs in such a way that the total network distance (hop count or any reasonable measure) among the selected DCs is minimized. The third contribution proposes a Network-Aware Cost Efficient VM Placement method (called NACEV) for Distributed Clouds. NACEV is an extended version of NACER. While NACER only considers inter-DC communication cost, NACEV optimizes both communication and computing cost at the same time and also proposes a mapping algorithm to place VMs on Physical Machines (PMs) inside of the selected DCs. NACEV also considers some aspects such as heterogeneity of VMs, PMs and switches, variety of energy prices, multiple paths between PMs, effects of workload on cost (energy consumption) of cloud devices (i.e., switches and PMs) and also heterogeneity of energy model of cloud elements. The forth contribution presents a Cost and Carbon Emission-Efficient VM Placement Method (called CACEV) for green distributed clouds. CACEV is an extended version of NACEV. In addition to cost efficiency, CACEV considers carbon emission efficiency and green distributed clouds. It is a VM placement algorithm for joint optimization of computing and network resources, which also considers price, location and carbon emission rate of resources. It also, unlike previous contributions of thesis, considers IaaS Service Level Agreement (SLA) violation in the system model. To get a better performance, the fifth contribution proposes a dynamic Cost and Carbon Emission-Efficient VM Placement method (D-CACEV) for green distributed clouds. D-CACEV is an extended version of our previous work, CACEV, with additional figures, description and also live VM migration mechanisms. We show that our joint VM placement-reallocation mechanism can constantly optimize both cost and carbon emission at the same time in a distributed cloud

L'objectif de cette thèse est de présenter de nouveaux algorithmes de placement de machines virtuelles (VMs) à fin d’optimiser le coût et les émissions de carbone dans les Clouds distribués. La thèse se concentre d’abord sur la rentabilité des Clouds distribués, et développe ensuite les raisons d’optimiser les coûts ainsi que les émissions de carbone. La thèse comprend deux principales parties: la première propose, développe et évalue les algorithmes de placement statiques de VMs (où un premier placement d'une VM détient pendant toute la durée de vie de la VM). La deuxième partie propose des algorithmes de placement dynamiques de VMs où le placement initial de VM peut changer dynamiquement (par exemple, grâce à la migration de VMs et à leur consolidation). Cette thèse comprend cinq contributions. La première contribution est une étude de l'état de l'art sur la répartition des coûts et des émissions de carbone dans les environnements de clouds distribués. La deuxième contribution propose une méthode d'allocation des ressources, appelée NACER, pour les clouds distribués. L'objectif est de minimiser le coût de communication du réseau pour exécuter une tâche dans un cloud distribué. La troisième contribution propose une méthode de placement VM (appelée NACEV) pour les clouds distribués. NACEV est une version étendue de NACER. Tandis que NACER considère seulement le coût de communication parmi les DCs, NACEV optimise en même temps les coûts de communication et de calcul. Il propose également un algorithme de cartographie pour placer des machines virtuelles sur des machines physiques (PM). La quatrième contribution présente une méthode de placement VM efficace en termes de coûts et de carbone (appelée CACEV) pour les clouds distribués verts. CACEV est une version étendue de NACEV. En plus de la rentabilité, CACEV considère l'efficacité des émissions de carbone pour les clouds distribués. Pour obtenir une meilleure performance, la cinquième contribution propose une méthode dynamique de placement VM (D-CACEV) pour les clouds distribués. D-CACEV est une version étendue de notre travail précédent, CACEV, avec des chiffres supplémentaires, une description et également des mécanismes de migration de VM en direct. Nous montrons que notre mécanisme conjoint de réallocation-placement de VM peut constamment optimiser à la fois le coût et l'émission de carbone dans un cloud distribué
Virtual machine (VM) placement (i.e., resource allocation) method has a direct effect on both cost and carbon emission. Considering the geographic distribution of data centers (DCs), there are a variety of resources, energy prices and carbon emission rates to consider in a distributed cloud, which makes the placement of VMs for cost and carbon efficiency even more critical and complex than in centralized clouds. The goal of this thesis is to present new VM placement algorithms to optimize cost and carbon emission in a distributed cloud. It first focuses on cost efficiency in distributed clouds and, then, extends the goal to optimization of both cost and carbon emission at the same time. Thesis includes two main parts. The first part of thesis proposes, develops and evaluates static VM placement algorithms to reach the mentioned goal where an initial placement of a VM holds throughout the lifetime of the VM. The second part proposes dynamic VM placement algorithms where the initial placement of VMs is allowed to change (e.g., through VM migration and consolidation). The first contribution is a survey of the state of the art on cost and carbon emission resource allocation in distributed cloud environments. The second contribution targets the challenge of optimizing inter-DC communication cost for large-scale tasks and proposes a Network-Aware Cost-Efficient Resource allocation method, called NACER, for distributed clouds. The goal is to minimize the network communication cost of running a task in a distributed cloud by selecting the DCs to provision the VMs in such a way that the total network distance (hop count or any reasonable measure) among the selected DCs is minimized. The third contribution proposes a Network-Aware Cost Efficient VM Placement method (called NACEV) for Distributed Clouds. NACEV is an extended version of NACER. While NACER only considers inter-DC communication cost, NACEV optimizes both communication and computing cost at the same time and also proposes a mapping algorithm to place VMs on Physical Machines (PMs) inside of the selected DCs. NACEV also considers some aspects such as heterogeneity of VMs, PMs and switches, variety of energy prices, multiple paths between PMs, effects of workload on cost (energy consumption) of cloud devices (i.e., switches and PMs) and also heterogeneity of energy model of cloud elements. The forth contribution presents a Cost and Carbon Emission-Efficient VM Placement Method (called CACEV) for green distributed clouds. CACEV is an extended version of NACEV. In addition to cost efficiency, CACEV considers carbon emission efficiency and green distributed clouds. It is a VM placement algorithm for joint optimization of computing and network resources, which also considers price, location and carbon emission rate of resources. It also, unlike previous contributions of thesis, considers IaaS Service Level Agreement (SLA) violation in the system model. To get a better performance, the fifth contribution proposes a dynamic Cost and Carbon Emission-Efficient VM Placement method (D-CACEV) for green distributed clouds. D-CACEV is an extended version of our previous work, CACEV, with additional figures, description and also live VM migration mechanisms. We show that our joint VM placement-reallocation mechanism can constantly optimize both cost and carbon emission at the same time in a distributed cloud