Applying partial virtualization on ELF binaries through dynamic loaders

The technology of partial virtualization is a revolutionary approach to the world of virtualization. It lies directly in-between full system virtual machines (like QEMU or XEN) and application-related virtual machines (like the JVM or the CLR). The ViewOS project is the flagship of such technique, developed by the Virtual Square laboratory, created to provide an abstract view of the underlying system resources on a per-process basis and work against the principle of the Global View Assumption. Virtual Square provides several different methods to achieve partial virtualization within the ViewOS system, both at user and kernel levels. Each of these approaches have their own advantages and shortcomings. This paper provides an analysis of the different virtualization methods and problems related to both the generic and partial virtualization worlds. This paper is the result of an in-depth study and research for a new technology to be employed to provide partial virtualization based on ELF dynamic binaries. It starts with a mild analysis of currently available virtualization alternatives and then goes on describing the ViewOS system, highlighting its current shortcomings. The vloader project is then proposed as a possible solution to some of these inconveniences with a working proof of concept and examples to outline the potential of such new virtualization technique. By injecting specific code and libraries in the middle of the binary loading mechanism provided by the ELF standard, the vloader project can promote a streamlined and simplified approach to trace system calls. With the advantages outlined in the following paper, this method presents better performance and portability compared to the currently available ViewOS implementations. Furthermore, some of itsdisadvantages are also discussed, along with their possible solutions.

A QoS Controller Framework Compliant with the ETSI Network Function Virtualization Specification

The 5th generation of mobile networking introduces the concept of “Network slicing”, the network will be “sliced” horizontally, each slice will be compliant with different requirements in terms of network parameters such as bandwidth, latency. This technology is built on logical instead of physical resources, relies on virtual network as main concept to retrieve a logical resource. The Network Function Virtualisation provides the concept of logical resources for a virtual network function, enabling the concept virtual network; it relies on the Software Defined Networking as main technology to realize the virtual network as resource, it also define the concept of virtual network infrastructure with all components needed to enable the network slicing requirements. SDN itself uses cloud computing technology to realize the virtual network infrastructure, NFV uses also the virtual computing resources to enable the deployment of virtual network function instead of having custom hardware and software for each network function. The key of network slicing is the differentiation of slice in terms of Quality of Services parameters, which relies on the possibility to enable QoS management in cloud computing environment. The QoS in cloud computing denotes level of performances, reliability and availability offered. QoS is fundamental for cloud users, who expect providers to deliver the advertised quality characteristics, and for cloud providers, who need to find the right tradeoff between QoS levels that has possible to offer and operational costs. While QoS properties has received constant attention before the advent of cloud computing, performance heterogeneity and resource isolation mechanisms of cloud platforms have significantly complicated QoS analysis and deploying, prediction, and assurance. This is prompting several researchers to investigate automated QoS management methods that can leverage the high programmability of hardware and software resources in the cloud.

SDN e sperimentazioni di VM migration

Le nuove teorie di rete come Software Defined Networking Network Function Virtualization, insieme alle teorie Cognitive/Autonomics consentono di abilitare scenari futuri “disruptive” di rete. Lo scopo di questa tesi è quello di esplorare questi scenari futuri e di capire il ruolo della migrazione di funzioni di rete, sotto forma di Virtual Machine. Si vuole affrontare la migrazione di Virtual Machine dal punto di vista delle performance, ma anche come strumento di gestione delle risorse in uno scenario di rete d'accesso autonomica.

Un Laboratorio Virtuale distribuito per il test di applicazioni

In questo elaborato andremo a descrivere, sia a livello strutturale che implementativo, il progetto sperimentale da noi ideato volto alla creazione di un laboratorio virtuale di testing. Lo scopo principale del laboratorio è appunto quello di delocalizzare la fase preliminare di testing di un'applicazione; nel nostro caso specifico siamo partiti dallo scenario riguardante la rete ferroviaria ed abbiamo preso in esame il software utilizzato per la gestione del traffico. Il vincolo principale che grava su questo progetto è che l'applicazione da collaudare non deve minimamente essere modificata, e ciò significa che occorre creare intorno ad essa un ambiente di testing conforme alle caratteristiche in cui il software si aspetta di operare. Ed è qui che entra in gioco la virtualizzazione.

Composizione dinamica di funzioni di rete virtuali in ambienti cloud

Questo documento si interroga sulle nuove possibilità offerte agli operatori del mondo delle Reti di Telecomunicazioni dai paradigmi di Network Functions Virtualization, Cloud Computing e Software Defined Networking: questi sono nuovi approcci che permettono la creazione di reti dinamiche e altamente programmabili, senza disdegnare troppo il lato prestazionale. L'intento finale è valutare se con un approccio di questo genere si possano implementare dinamicamente delle concatenazioni di servizi di rete e se le prestazioni finali rispecchiano ciò che viene teorizzato dai suddetti paradigmi. Tutto ciò viene valutato per cercare una soluzione efficace al problema dell'ossificazione di Internet: infatti le applicazioni di rete, dette middle-boxes, comportano costi elevati, situazioni di dipendenza dal vendor e staticità delle reti stesse, portando all'impossibilità per i providers di sviluppare nuovi servizi. Il caso di studio si basa proprio su una rete che implementa questi nuovi paradigmi: si farà infatti riferimento a due diverse topologie, una relativa al Livello L2 del modello OSI (cioè lo strato di collegamento) e una al Livello L3 (strato di rete). Le misure effettuate infine mostrano come le potenzialità teorizzate siano decisamente interessanti e innovative, aprendo un ventaglio di infinite possibilità per il futuro sviluppo di questo settore.

Elastic computing on Cloud resources for the CMS experiment

Nowadays, data handling and data analysis in High Energy Physics requires a vast amount of computational power and storage. In particular, the world-wide LHC Com- puting Grid (LCG), an infrastructure and pool of services developed and deployed by a ample community of physicists and computer scientists, has demonstrated to be a game changer in the efficiency of data analyses during Run-I at the LHC, playing a crucial role in the Higgs boson discovery. Recently, the Cloud computing paradigm is emerging and reaching a considerable adoption level by many different scientific organizations and not only. Cloud allows to access and utilize not-owned large computing resources shared among many scientific communities. Considering the challenging requirements of LHC physics in Run-II and beyond, the LHC computing community is interested in exploring Clouds and see whether they can provide a complementary approach - or even a valid alternative - to the existing technological solutions based on Grid. In the LHC community, several experiments have been adopting Cloud approaches, and in particular the experience of the CMS experiment is of relevance to this thesis. The LHC Run-II has just started, and Cloud-based solutions are already in production for CMS. However, other approaches of Cloud usage are being thought of and are at the prototype level, as the work done in this thesis. This effort is of paramount importance to be able to equip CMS with the capability to elastically and flexibly access and utilize the computing resources needed to face the challenges of Run-III and Run-IV. The main purpose of this thesis is to present forefront Cloud approaches that allow the CMS experiment to extend to on-demand resources dynamically allocated as needed. Moreover, a direct access to Cloud resources is presented as suitable use case to face up with the CMS experiment needs. Chapter 1 presents an overview of High Energy Physics at the LHC and of the CMS experience in Run-I, as well as preparation for Run-II. Chapter 2 describes the current CMS Computing Model, and Chapter 3 provides Cloud approaches pursued and used within the CMS Collaboration. Chapter 4 and Chapter 5 discuss the original and forefront work done in this thesis to develop and test working prototypes of elastic extensions of CMS computing resources on Clouds, and HEP Computing “as a Service”. The impact of such work on a benchmark CMS physics use-cases is also demonstrated.

Virtualizzazione di funzioni di rete su piattaforme per cloud computing

Questo documento affronta le novità ed i vantaggi introdotti nel mondo delle reti di telecomunicazioni dai paradigmi di Software Defined Networking e Network Functions Virtualization, affrontandone prima gli aspetti teorici, per poi applicarne i concetti nella pratica, tramite casi di studio gradualmente più complessi. Tali innovazioni rappresentano un'evoluzione dell'architettura delle reti predisposte alla presenza di più utenti connessi alle risorse da esse offerte, trovando quindi applicazione soprattutto nell'emergente ambiente di Cloud Computing e realizzando in questo modo reti altamente dinamiche e programmabili, tramite la virtualizzazione dei servizi di rete richiesti per l'ottimizzazione dell'utilizzo di risorse. Motivo di tale lavoro è la ricerca di soluzioni ai problemi di staticità e dipendenza, dai fornitori dei nodi intermedi, della rete Internet, i maggiori ostacoli per lo sviluppo delle architetture Cloud. L'obiettivo principale dello studio presentato in questo documento è quello di valutare l'effettiva convenienza dell'applicazione di tali paradigmi nella creazione di reti, controllando in questo modo che le promesse di aumento di autonomia e dinamismo vengano rispettate. Tale scopo viene perseguito attraverso l'implementazione di entrambi i paradigmi SDN e NFV nelle sperimentazioni effettuate sulle reti di livello L2 ed L3 del modello OSI. Il risultato ottenuto da tali casi di studio è infine un'interessante conferma dei vantaggi presentati durante lo studio teorico delle innovazioni in analisi, rendendo esse una possibile soluzione futura alle problematiche attuali delle reti.

Piano di controllo SDN per la composizione dinamica di funzioni di rete virtuali

Il documento analizza i vantaggi introdotti nel mondo delle telecomunicazioni dai paradigmi di Software Defined Networking e Network Functions Virtualization: questi nuovi approcci permettono di creare reti programmabili e dinamiche, mantenendo alte le prestazioni. L’obiettivo finale è quello di capire se tramite la generalizzazione del codice del controller SDN , il dispositivo programmabile che permette di gestire gli switch OpenFlow, e la virtualizzazione delle reti, si possa risolvere il problema dell’ossificazione della rete Internet.

Design and Implementation of a Cloud Infrastructure for Distributed Scientific Calculation

Cloud computing enables independent end users and applications to share data and pooled resources, possibly located in geographically distributed Data Centers, in a fully transparent way. This need is particularly felt by scientific applications to exploit distributed resources in efficient and scalable way for the processing of big amount of data. This paper proposes an open so- lution to deploy a Platform as a service (PaaS) over a set of multi- site data centers by applying open source virtualization tools to facilitate operation among virtual machines while optimizing the usage of distributed resources. An experimental testbed is set up in Openstack environment to obtain evaluations with different types of TCP sample connections to demonstrate the functionality of the proposed solution and to obtain throughput measurements in relation to relevant design parameters.