priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2024-67-8-647-656pribor-43Research ArticleИНФОРМАТИКА И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫINFORMATICS AND INFORMATION PROCESSESЭкспериментальное исследование производительности кластера с контейнерной виртуализациейExperimental Study of Cluster Performance with Container VirtualizationФунгВ. К.PhungV. Q.

Фунг Ван Кю – аспирант; факультет программной инженерии и компьютерной техники

Санкт-Петербург

Phung Van Quy – Post-Graduate Student; Faculty of Software Engineering and Computer Science

St. Petersburg

phungvanquy97@gmail.comБогатыревВ. А.BogatyrevV. A.

Владимир Анатольевич Богатырев – докт. техн. наук, профессор; факультет программной инженерии и компьютерной техники; кафедра информационной безопасности

Санкт-Петербург

Vladimir A. Bogatyrev – Dr. Sci, Professor; Faculty of Software Engineering and Computer Science; Department of Information Security

St. Petersburg

vladimir.bogatyrev@gmail.comУниверситет ИТМОITMO UniversityУниверситет ИТМО; Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроенияITMO University; Saint Petersburg State University of Aerospace Instrumentation202425112024678647656Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/43

Экспериментально исследована интенсивность обслуживания запросов при автоматическом разделении ресурсов компьютерной системы между активными, т. е. используемыми в текущий момент времени, контейнерами. На первом этапе экспериментов выполняется формирование и развертывание сервиса (веб-сервера) на кластере. На втором этапе осуществляется запуск тестовой программы с сохранением результатов в лог-файле. Предложены алгоритмы проведения экспериментов на первом и втором этапе. Эксперименты проведены в лабораторной среде облачной виртуализации Proxmox и средств управления кластером Kubernetes. Для автоматизации развертывания и обновления конфигурации сервиса на кластере Kubernetes разработана программа на языке программирования Python. Программа использует библиотеки SCP и PARAMIKO для удаленного развертывания и обновления сервиса. Выявлено влияние распределения ограниченных возможностей ресурсов системы между активными и развернутыми в системе (виртуальной машине) контейнерами на интенсивность обслуживания запросов. Полученные результаты могут быть использованы при разработке аналитической модели обслуживания системы с контейнерной виртуализацией, в том числе виртуальных кластерных систем.

The intensity of query servicing during automatic division of computer system resources between active, i.e. currently used, containers is investigated experimentally. At the first stage of experiments, the formation and deployment of a service (web server) on a cluster is performed. At the second stage, a test program is launched with the results saved in a log file. Algorithms for conducting experiments at the first and second stages are proposed. The experiments are conducted in a laboratory environment of Proxmox cloud virtualization and Kubernetes cluster management tools. A program in the Python programming language is developed to automate the deployment and update of the service configuration on the Kubernetes cluster. The program uses the SCP and PARAMIKO libraries for remote deployment and update of the service. The influence of the distribution of limited system resource capabilities between active and deployed containers in the system (virtual machine) on the intensity of request servicing was revealed. The obtained results can be used in the development of an analytical model for servicing a system with container virtualization, including virtual cluster systems.

кластерKubernetesинтенсивность обслуживанияDockerконтейнервиртуализациявиртуальная машинаclusterKubernetesservicing intensityDockercontainervirtualizationvirtual machineReferencesЗинина Т. С., Рудник П. Б. Цифровая трансформация: ожидания и реальность. М.: Изд. дом Высшей школы экономики, 2022. 221 с.Zinina T.S., Rudnik P.B. Tsifrovaya transformatsiya: ozhidaniya i real’nost’ (Digital Transformation: Expectations and Reality), Moscow, 2022, 221 р. (in Russ.)Емельянов А. А., Коршунов И. Л. Технические риски предприятия, связанные с цифровой трансформацией // Изв. вузов. Приборостроение. 2024. Т. 67, № 2. С. 116–121.Emelyanov A.A., Korshunov I.L. Journal of Instrument Engineering, 2024, no. 2(67), pp. 116–121. (in Russ.)Половко А. М., Гуров С. В. Основы теории надежности. СПб: БХВ-Петербург, 2006. 702 с.Polovko A.M., Gurov S.V. Osnovy teorii nadezhnosti (Fundamentals of Reliability Theory), St. Petersburg, 2006, 702 р. (in Russ.)Черкесов Г. Н. Надежность аппаратно-программных комплексов. СПб: Питер, 2005. 479 с.Cherkesov G.N. Nadezhnost’ apparatno-programmnykh kompleksov (Reliability of Hardware and Software Systems), St. Petersburg, 2005, 479 р. (in Russ.)Херсонский Н. С., Большедворская Л. Г. Анализ развития статистических методов оценки надежности как свойства качества объектов и продукции // Crede Experto: транспорт, общество, образование, язык. 2024. № 1. С. 6–23. DOI: 10.51955/2312-1327_2024_1_6.Khersonsky N.S., Bolshedvorskaya L.G. Crede Experto: transport, society, education, language, 2024, no. 1, pp. 6–23, DOI: 10.51955/2312-1327_2024_1_6. (in Russ.)Astakhova T., Shamin A., Verzun N., Kolbanev M. A. A model for estimating energy consumption seen when nodes of ubiquitous sensor networks communicate information to each other // CEUR Workshop Proceedings. 2019. Vol. 2344, N 2.Astakhova T., Shamin A., Verzun N., Kolbanev M.A. CEUR Workshop Proceedings, 2019, no. 2(2344).Gurjanov A. V., Korobeynikov A. G., Zharinov I. O., Zharinov O. O. Edge, fog and cloud computing in the cyber-physical systems networks // III International Workshop on Modeling, Information Processing and Computing. 2021. P. 103–108.Gurjanov A.V., Korobeynikov A.G., Zharinov I.O., Zharinov O.O. III International Workshop on Modeling, Information Processing and Computing, 2021, рр. 103–108.Богатырев В. А., Богатырев С. В., Богатырев А. В. Оценка готовности компьютерной системы к своевременному обслуживанию запросов при его совмещении с информационным восстановлением памяти после отказов // Науч.-техн. вестн. информационных технологий, механики и оптики. 2023. Т. 23, № 3. С. 608–617.Bogatyrev V.A., Bogatyrev S.V., Bogatyrev A.V. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2023, no. 3(23), pp. 608–617. (in Russ.)Feng, D., Lai, L., Luo, J. et al. Ultra-reliable and low-latency communications: applications, opportunities and challenges // Sci. China Inf. Sci. 2021. Vol. 64. P. 1–12. DOI: 10.1007/s11432-020-2852-1.Feng D., Lai L., Luo J. et al. Sci. China Inf. Sci., 2021, vol. 64, рр. 1–12, DOI: 10.1007/s11432-020-2852-1.Богатырев В. А. Надежность и эффективность резервированных компьютерных сетей // Информационные технологии. 2006. № 9. С. 25–30.Bogatyrev V.A. Information Technologies, 2006, no. 9, pp. 25–30. (in Russ.)Богатырев В. А., Богатырев А. В. Оптимизация резервированного распределения запросов в кластерных системах реального времени // Информационные технологии. 2015. Т. 21, № 7. С. 495–502.Bogatyrev V.A.., Bogatyrev A.V. Information Technologies, 2015, no. 7(21), pp. 495–502. (in Russ.)Богатырев В. А., Богатырев А. В., Богатырев С. В. Перераспределение запросов между вычислительными кластерами при их деградации // Изв. вузов. Приборостроение. 2014. Т. 57, № 9. С. 54–58.Bogatyrev V.A., Bogatyrev A.V., .Bogatyrev S.V. Journal of Instrument Engineering, 2014, no. 9(57), pp. 54–58. (in Russ.)Татарникова Т. М., Архипцев Е. Д., Кармановский Н. С. Определение размера кластера и числа реплик высоконагруженных информационных систем // Изв. вузов. Приборостроение. 2023. Т. 66, № 8. С. 646–651.Tatarnikova Т.М., Arkhiptsev E.D., Karmanovskiy N.S. Journal of Instrument Engineering, 2023, no. 8(66), pp. 646–651. (in Russ.)Богатырев В. А., Богатырев А. В. Надежность функционирования кластерных систем реального времени с фрагментацией и резервированным обслуживанием запросов // Информационные технологии. 2016. Т. 22, № 6. С. 409–416.Bogatyrev V.A., Bogatyrev A.V. Information Technologies, 2016, no. 6(22), pp. 409–416. (in Russ.)Богатырев В. А., Богатырев С. В., Богатырев А. В. Оптимизация кластера с ограниченной доступностью кластерных групп // Науч.-техн. вестн. Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2011. № 1. С. 63–67.Bogatyrev V.A., Bogatyrev S.V., Bogatyrev A.V. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2011, no. 1, pp. 63–67. (in Russ.)Андреев С. Д., Самуйлов К. Е., Тюрликов А. М. Управление потоками в гетерогенных мобильных сетях радиодоступа с соединениями устройство–устройство // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Математика, информатика, физика. 2018. Т. 26, № 4. С. 357–370.Andreev S.D., Samouylov K.E., Tyurlikov A.M. Discrete and Continuous Models and Applied Computational Science, 2018, no. 4(26), pp. 357–370. (in Russ.)Bogatyrev V. A., Bogatyrev S. V., Bogatyrev A. V. Model and interaction efficiency of computer nodes based on transfer reservation at multipath routing // Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems. 2019. P. 8840647.Bogatyrev V.A., Bogatyrev S.V., Bogatyrev A.V. Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems, 2019, рр. 8840647.Lambropoulos G., Douligeris C., Mitropoulos S. Improving business performance by employing virtualization technology: a case study in the financial sector // Computers. 2021. Vol. 10, N 4.Lambropoulos G., Douligeris C., Mitropoulos S. Computers, 2021, no. 4(10).Bogatyrev V., Derkach A. Evaluation of a cyber-physical computing system with migration of virtual machines during continuous computing // Computers. 2020. Vol. 9, N 2. P. 42.Bogatyrev V., Derkach A. Computers, 2020, no. 2(9), pp. 42.Shi F., Lin J. Virtual machine resource allocation optimization in cloud computing based on multiobjective genetic algorithm // Computational Intelligence and Neuroscience. 2022. Vol. 2022. P. 7873131.Shi F., Lin J. Computational Intelligence and Neuroscience, 2022, vol. 2022, рр. 7873131.Bogatyrev V. A., Aleksankov S. M., Derkach A. N. The model of reliability of dublated real-time computers for cyber-physical systems // Physical Systems: Industry 4.0 Challenges. Studies in Systems, Decision and Control. 2020. Vol. 260. P. 11–21.Bogatyrev V.A., Aleksankov S.M., Derkach A.N. Physical Systems: Industry 4.0 Challenges. Studies in Systems, Decision and Control, 2020, vol. 260, pр. 11–21.Волков А. О. Оценка производительности кластера облачных вычислений // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2020. Т. 14, №12. С. 72–79. DOI: 10.36724/2072-8735-2020-14-12-72-79.Volkov А.О. T-Comm: Telecommunications and transport, 2020, no. 12(14), pp. 72–79, DOI: 10.36724/2072-8735-2020-14-12-72-79. (in Russ.)Хомоненко А. Д., Благовещенская Е. А., Проурзин О. В., Андрук А. А. Прогноз надежности кластерной вычислительной системы с помощью полумарковской модели альтернирующих процессов и мониторинга // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2018. Т. 10, № 4. С. 72–82. DOI: 10.24411/2409-5419-2018-10099.Khomonenko A.D., Blagoveshchenskaya E.A., Prourzin O.V., Andruk A.A. High Technologies in Earth Space Research. H&ES Research, 2018, no. 4(10), pp. 72–82, DOI: 10.24411/2409-5419-2018-10099. (in Russ.)Tourouta E., Gorodnichev M., Polyantseva K., Moseva M. Providing fault tolerance of cluster computing systems based on fault-tolerant dynamic computation planning // Digitalization of Society, Economics and Management: A Digital Strategy Based on Post-pandemic Developments. 2022. P. 143–150. DOI: 10.1007/978-3-030-94252-6_10.Tourouta E., Gorodnichev M., Polyantseva K., Moseva M. Digitalization of Society, Economics and Management: A Digital Strategy Based on Post-pandemic Developments, 2022, рр. 143–150, DOI: 10.1007/978-3-030-94252-6_10.Шибаев Р. В. Анализ методов повышения надежности сетей при виртуализации сетевых компонентов // Автоматизация. Современные технологии. 2023. Т. 77, № 2. С. 74–81.Shibaev R.V. Avtomatizatsiya. Sovremennyye Tekhnologii, 2023, no. 2(77), pp. 74–81. (in Russ.)Алексанков С. М. Модели динамической миграции с итеративным подходом и сетевой миграции виртуальных машин // Науч.-техн. вестн. информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15, № 6. С. 1098–1104.Aleksankov S.M. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2015, no. 6(15), pp. 1098–1104. (in Russ.)Toutov A., Vorozhtsov A., Toutova N. Аnalytical approach to estimating total migration time of virtual machines with various applications // Intern. J. of Embedded and Real-Time Communication Systems. 2020. Vol. 11, N 2. P. 58–75.Toutov A., Vorozhtsov A., Toutova N. International Journal of Embedded and Real-Time Communication Systems, 2020, no. 2(11), pp. 58–75.Aqasizade H., Ataie E., Bastam M. Experimental Assessment of Containers Running on Top of Virtual Machines // arXiv preprint. 2024. DOI: 10.13140/RG.2.2.11457.33129.Aqasizade H, Ataie E, Bastam M. arXiv preprint, 2024, DOI: 10.13140/RG.2.2.11457.33129.Pathirathna P. P. W., Ayesha V. A. I., Imihira W. A. T., Wasala W. M. J. C., Kodagoda N., Edirisinghe E. A. T. D. Security testing as a service with docker containerization // 11th Intern. Conf. on Software, Knowledge, Information Management and Applications (SKIMA). 2017. P. 1–7. DOI: 10.1109/SKIMA.2017.8294109.Pathirathna P.P.W., Ayesha V.A.I., Imihira W.A.T., Wasala W.M.J.C., Kodagoda N., Edirisinghe E.A.T.D. 11th Intern. Conf. on Software, Knowledge, Information Management and Applications (SKIMA), 2017, рр. 1–7, DOI: 10.1109/SKIMA.2017.8294109.Zhou Yuyu et al. Comparison of virtualization and containerization techniques for high performance computing // Proc. of the 2015 ACM/IEEE Conf. on Supercomputing. 2015.Zhou Yuyu et al. Proc. of the 2015 ACM/IEEE Conf. on Supercomputing, 2015.Mavridis I., and Karatza H. Combining containers and virtual machines to enhance isolation and extend functionality on cloud computing // Future Generation Computer Systems. 2019. Vol. 94. P. 674–696. DOI: 10.1016/j.future.2018.12.035.Mavridis I., and Karatza H. Future Generation Computer Systems, 2019, vol. 94, рр. 674–696, DOI: 10.1016/j.future.2018.12.035.Фунг В. К., Богатырев В. А., Кармановский Н. С., Лэ В. Х. Оценка вероятностно-временных характеристик компьютерной системы с контейнерной виртуализацией // Науч.-техн. вестн. информационных технологий, механики и оптики. 2024. Т. 24, № 2. С. 249–255. DOI: 10.17586/2226-1494-2024-24-2-249-255.Phung Van Quy, Bogatyrev V.A., Karmanovskiy N.S., Le V. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2024, no. 2(24), pp. 249–255, DOI: 10.17586/2226-1494-2024-24-2-249-255. (in Russ.)Wu Y., Zhang Y., Wang T., Wang H. Characterizing the Occurrence of Dockerfile Smells in Open-Source Software: An Empirical Study // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 34127–34139. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2973750.Wu Y., Zhang Y., Wang T., Wang H. IEEE Access, 2020, vol. 8, рр. 34127–34139. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2973750.Liu Guannan, Xing Gao, Haining Wang, Kun Sun. Exploring the unchartered space of container registry typosquatting // 31st USENIX Security Symposium (USENIX Security 22). 2022. P. 35–51.Liu Guannan, Xing Gao, Haining Wang, Kun Sun. 31st USENIX Security Symposium (USENIX Security 22), 2022, рр. 35–51.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.