云計(jì)算環(huán)境中在線遷移技術(shù)研究

蘭雨晴 ，申 騫 ，劉 銘

（1.北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 北京 100191；2.上海中標(biāo)軟件有限公司 北京 100190）

云計(jì)算環(huán)境中在線遷移技術(shù)研究

蘭雨晴1，2，申 騫2，劉 銘2

（1.北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 北京 100191；2.上海中標(biāo)軟件有限公司 北京 100190）

在線遷移技術(shù)在虛擬化中有著非常廣泛的應(yīng)用。目前,主流的在線遷移工具都依賴于物理主機(jī)之間采用集中式共享外存設(shè)備，而在云計(jì)算環(huán)境中，許多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各自獨(dú)立擁有本地外存，這就給遷移技術(shù)在云計(jì)算環(huán)境中的應(yīng)用帶來了一定的限制。本文在研究云計(jì)算及在線遷移技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析了云計(jì)算環(huán)境中在線遷移技術(shù)的原理與局限性，提出了基于Xen虛擬機(jī)的全系統(tǒng)在線增量遷移的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能分析，總結(jié)了優(yōu)化遷移性能的一些方法。全系統(tǒng)在線增量遷移擺脫了原有遷移技術(shù)對(duì)外存設(shè)備的依賴，進(jìn)一步拓寬了其在云計(jì)算環(huán)境中的應(yīng)用范圍。

虛擬化；云計(jì)算；在線遷移

* 國家“863”計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（No.2009AA012406）

1 引言

云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用已經(jīng)成為現(xiàn)今研究的熱點(diǎn)。云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的大眾參與的計(jì)算模式，其計(jì)算資源包括計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、交互能力等。這些資源都是動(dòng)態(tài)的、被虛擬化了的，并以服務(wù)的方式提供給用戶。虛擬化已經(jīng)成為云計(jì)算等各種新型計(jì)算模式的基礎(chǔ)，其所具有的綜合化、模塊化、通用性、容錯(cuò)以及高可靠性等良好特性使其在云計(jì)算中發(fā)揮著重要作用。其中的遷移技術(shù)是最引人注目和最有價(jià)值的應(yīng)用之一，所以如何在云計(jì)算環(huán)境中利用遷移技術(shù)，成為了極具意義的研究問題。

虛擬機(jī)遷移技術(shù)能夠透明地將運(yùn)行于VMM(virtual machine monitor)上的操作系統(tǒng)在物理主機(jī)間轉(zhuǎn)移，管理員不需要了解操作系統(tǒng)本身的細(xì)節(jié)，也不需要關(guān)心操作系統(tǒng)上運(yùn)行的服務(wù)狀態(tài)，極大地方便了人們的管理操作。目前，主流的在線遷移工具都依賴于物理主機(jī)之間采用集中式共享外存設(shè)備?？紤]到云計(jì)算環(huán)境中許多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各自獨(dú)立擁有本地外存，現(xiàn)有遷移技術(shù)在這種場(chǎng)合下受到限制，所以有必要實(shí)現(xiàn)一個(gè)包括外存遷移在內(nèi)的全系統(tǒng)在線遷移方案，從而拓寬現(xiàn)有遷移技術(shù)在云環(huán)境中的應(yīng)用范圍。

2 在線遷移技術(shù)背景

2.1 原理及局限性

虛擬機(jī)在線遷移技術(shù)[1]可以在保持虛擬機(jī)運(yùn)行的同時(shí)，把其從一個(gè)物理計(jì)算機(jī)遷移到另一個(gè)物理計(jì)算機(jī)，并在目的主機(jī)上恢復(fù)運(yùn)行，無縫地實(shí)現(xiàn)服務(wù)整合。通過在線遷移，可以更方便地實(shí)現(xiàn)云計(jì)算環(huán)境中服務(wù)器的在線維護(hù)、在線升級(jí)、負(fù)載均衡等，并提供了一種災(zāi)難恢復(fù)的解決方案。VMWare的遷移工具VMotion在物理主機(jī)共享外存的情況下[2]，實(shí)現(xiàn)了操作系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的遷移，主要包括內(nèi)存狀態(tài)、外設(shè)狀態(tài)、CPU寄存器狀態(tài)等。賓漢姆頓大學(xué)則在Xen基礎(chǔ)上通過在POST階段加入對(duì)內(nèi)存頁的預(yù)拷貝[3]，加快了在線遷移的速度。這些遷移技術(shù)對(duì)磁盤的處理都比較簡(jiǎn)單，主機(jī)間通過SAN(storage area network)、NAS(networkattached storage)等方式共享磁盤存儲(chǔ)，而非實(shí)現(xiàn)真正的磁盤遷移，如圖1所示。

在云計(jì)算環(huán)境中許多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)并沒有采用共享式外存，而是采用分散式外部存儲(chǔ)方式，現(xiàn)有遷移技術(shù)在這種場(chǎng)合下受到限制，虛擬機(jī)遷移到目的主機(jī)后不能訪問其原有外存設(shè)備，或者需要依賴于源主機(jī)為其外存訪問提供支持。為了使現(xiàn)有遷移技術(shù)更好地應(yīng)用于云環(huán)境中，有必要實(shí)現(xiàn)一個(gè)包括外存遷移在內(nèi)的全系統(tǒng)在線遷移方案，使得在采用分散式本地存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)環(huán)境下，仍然能夠利用遷移技術(shù)轉(zhuǎn)移計(jì)算環(huán)境，并且保證遷移過程中操作系統(tǒng)服務(wù)的可用性。

2.2 設(shè)計(jì)思路

云環(huán)境中的全系統(tǒng)在線增量遷移主要分為三個(gè)階段：Push階段、停機(jī)拷貝階段和Pull階段。在Push階段，源VM(virtual machine)仍在運(yùn)行，其外存訪問被VMM監(jiān)控。在內(nèi)存pre-copy之前采用與內(nèi)存遷移同樣的原理[4]先進(jìn)行外存的pre-copy。外存pre-copy結(jié)束后，進(jìn)入Xen的內(nèi)存pre-copy階段，在此期間VM對(duì)外存的訪問仍然被監(jiān)控記錄，作為后續(xù)階段同步剩余不一致外存狀態(tài)的依據(jù)。在停機(jī)拷貝階段，源VM被掛機(jī)，傳輸剩余的內(nèi)存狀態(tài)、CPU狀態(tài)等，并將VMM所記錄的外存狀態(tài)信息發(fā)送給目的VM。在Pull階段，目的VM被激活，對(duì)于本地I/O請(qǐng)求根據(jù)需要向源主機(jī)請(qǐng)求數(shù)據(jù)，同時(shí)源主機(jī)主動(dòng)根據(jù)已記錄的外存狀態(tài)發(fā)送未同步完的外存數(shù)據(jù)。

3 云環(huán)境中全系統(tǒng)在線增量遷移的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 Push階段的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Push階段的遷移流程如圖2所示。

首先，用戶通過xm migrate命令向VMM發(fā)出遷移請(qǐng)求[5]，收到請(qǐng)求后VMM通知塊設(shè)備即將開始遷移；然后，檢查內(nèi)存是否夠用，如果不夠用則先釋放部分內(nèi)存，以保證有足夠的內(nèi)存進(jìn)行遷移；接著，源主機(jī)與目的主機(jī)建立socket連接，源主機(jī)請(qǐng)求遷移，當(dāng)收到目的主機(jī)的響應(yīng)之后，調(diào)用遷移主體函數(shù)正式開始遷移。

外存pre-copy主要借鑒了Xen內(nèi)存pre-copy的方法[6]，通過一個(gè)循環(huán)體將源VM的外存數(shù)據(jù)發(fā)送至目的主機(jī)，同時(shí)設(shè)置了一些相應(yīng)的循環(huán)終止條件，以避免外存遷移時(shí)間過長，從而影響總體遷移時(shí)間。

主機(jī)端需要監(jiān)控VM對(duì)外存的訪問[7]。本文采用的方法是，在設(shè)備后端初始化了一個(gè)bitmap，用于記錄外存塊的狀態(tài)變化。如果某個(gè)外存塊在循環(huán)期間被寫臟，就將相應(yīng)的標(biāo)志位置1。每輪循環(huán)首先從設(shè)備后端獲取此bitmap記錄，根據(jù)該記錄發(fā)送前一輪發(fā)送過程中被VM寫臟的外存塊。第一次遷移時(shí)，由于目的主機(jī)不存在虛擬機(jī)外存的歷史狀態(tài)，增量遷移的外存內(nèi)容為虛擬機(jī)全部外存數(shù)據(jù)，并在此時(shí)初始化設(shè)備后端中的bitmap，開始對(duì)虛擬機(jī)外存訪問進(jìn)行監(jiān)控。此后的每一輪pre-copy，遷移進(jìn)程從設(shè)備后端獲取此bitmap，根據(jù)bitmap確定本輪需要發(fā)送的外存臟塊，同時(shí)，VMM將bitmap清零，重新開始記錄下一輪pre-copy中虛擬機(jī)的外存更新情況。外存pre-copy結(jié)束，進(jìn)入Xen的內(nèi)存pre-copy階段，這期間VM對(duì)外存的訪問仍然被監(jiān)控并且記錄，作為后續(xù)階段同步剩余不一致外存狀態(tài)的依據(jù)。

3.2 停機(jī)拷貝階段的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

停機(jī)拷貝階段的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單。進(jìn)入停機(jī)階段，源VM被掛起，目的VM尚未啟動(dòng)。從最后一輪外存pre-copy至源VM被掛起的過程中，源VM外存訪問產(chǎn)生的臟塊被設(shè)備后端記錄在bitmap中，設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

源主機(jī)遷移進(jìn)程從設(shè)備后端獲取監(jiān)控外存狀態(tài)的bitmap，并將其發(fā)送至目的主機(jī)，目的主機(jī)啟動(dòng)后將根據(jù)該bitmap確定本地外存數(shù)據(jù)是否已經(jīng)與源VM的外存數(shù)據(jù)一致。

在這里，我們所加入的外存遷移對(duì)停機(jī)拷貝階段時(shí)間的影響，主要體現(xiàn)在將源主機(jī)設(shè)備后端所監(jiān)控記錄的bitmap發(fā)送給目的主機(jī)。但通過實(shí)驗(yàn)表明，在外存不太大的情況下，這部分所花費(fèi)的時(shí)間只有幾十毫秒，對(duì)整體遷移時(shí)間的影響很有限。

3.3 Pull階段的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Pull階段由源主機(jī)和目的主機(jī)的遷移進(jìn)程合作完成，包括目的VM外存訪問按需向源主機(jī)請(qǐng)求以及源主機(jī)VM外存主動(dòng)向目的主機(jī)post-copy，其設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

進(jìn)入Pull階段之后，從最后一輪外存pre-copy至源主機(jī)被掛起的過程中，由于源VM外存訪問而被寫臟的外存數(shù)據(jù)，要依次發(fā)送至目的主機(jī)。源主機(jī)向設(shè)備后端請(qǐng)求監(jiān)控外存狀態(tài)的bitmap，并根據(jù)此bitmap確定從最后一輪外存pre-copy至源VM被掛起的過程中哪些外存部分被源VM寫臟，并將臟塊發(fā)送至目的主機(jī)。當(dāng)bitmap中標(biāo)記的所有臟塊都被傳輸至目的主機(jī)后，目的主機(jī)已經(jīng)獲得了所有最新的外存數(shù)據(jù)，外存遷移結(jié)束。

此處要修改目的主機(jī)的設(shè)備后端，對(duì)其中的IO操作根據(jù)不同的類型進(jìn)行不同的處理。對(duì)于目的VM訪問的外存部分，如果bitmap指示外存塊已在本地，則直接提交該IO請(qǐng)求；如果bitmap指示本地外存未在本地，對(duì)外存的寫IO操作可以立即提交，讀IO操作則被暫存起來，通過遷移進(jìn)程向目的主機(jī)請(qǐng)求數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)從目的主機(jī)更新至本地后，再將暫存的IO請(qǐng)求提交給物理設(shè)備驅(qū)動(dòng)，此后的處理過程由系統(tǒng)自身機(jī)制進(jìn)行管理[8]，無需我們?cè)龠M(jìn)行干涉了。

4 性能測(cè)試及優(yōu)化

測(cè)試在云環(huán)境中的兩臺(tái)物理主機(jī)A和B之間進(jìn)行，兩物理主機(jī)均通過網(wǎng)卡連接到局域網(wǎng)，VM從一臺(tái)物理主機(jī)遷移至另一臺(tái)物理主機(jī)。

通過分析設(shè)備后端代碼可知，設(shè)備后端所處理的每個(gè)磁盤塊所包含的扇區(qū)是連續(xù)的。通常文件系統(tǒng)的塊大小為4 KB，也就是8個(gè)扇區(qū)。在對(duì)2 GB外存大小的VM進(jìn)行遷移時(shí)，首先以8個(gè)連續(xù)的扇區(qū)組成的磁盤塊作為bitmap中一個(gè)監(jiān)控單位，共進(jìn)行了5次遷移實(shí)驗(yàn)，所得到的各階段平均時(shí)間見表1。

表1 VM遷移各階段所用時(shí)間(8個(gè)連續(xù)扇區(qū))

下面分別記錄了以4個(gè)、16個(gè)、32個(gè)和64個(gè)連續(xù)扇區(qū)組成的磁盤塊作為bitmap中一個(gè)監(jiān)控單位，分別進(jìn)行5次遷移實(shí)驗(yàn)所得到的各階段平均時(shí)間見表2。

表2 VM遷移各階段所用時(shí)間(4、16、32、64 個(gè)連續(xù)扇區(qū))

通過以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，適當(dāng)加大bitmap的監(jiān)控單位并按此單位進(jìn)行傳輸可以減少pre-copy和Pull階段的時(shí)間，從而縮短總體遷移時(shí)間，但對(duì)停機(jī)階段時(shí)間的影響不是很大。從16個(gè)連續(xù)扇區(qū)開始，增大連續(xù)扇區(qū)的數(shù)目并沒有使pre-copy和Pull階段的時(shí)間明顯縮短，而是呈現(xiàn)出一種趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，所以可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境的需要選擇合適的監(jiān)控及傳輸單位。pre-copy和Pull階段采用不同磁盤塊大小所用時(shí)間的趨勢(shì)如圖5和圖6所示。

5 結(jié)束語

本文闡述了云計(jì)算環(huán)境中Xen虛擬機(jī)在線遷移技術(shù)的基本概念和局限性。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了包括虛擬機(jī)外存在內(nèi)的全系統(tǒng)增量遷移方案。從而消除了遷移對(duì)于物理主機(jī)之間共享存儲(chǔ)的要求，進(jìn)一步拓寬了遷移技術(shù)在云計(jì)算中的應(yīng)用范圍。通過在內(nèi)存遷移之前對(duì)外存數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)拷貝以及在遷移后期按需向源主機(jī)請(qǐng)求外存數(shù)據(jù)的策略，將停機(jī)時(shí)間不斷縮小，從而保證了總體遷移時(shí)間不會(huì)因?yàn)橥獯孢w移而變得過長。通過增量式的外存遷移，縮小了遷移的外存數(shù)量，進(jìn)一步縮短了總體遷移時(shí)間，改善了遷移性能。

在以后的工作中，可以通過提高外存臟塊的傳輸速度[9]來進(jìn)一步縮短遷移時(shí)間，并且可以開發(fā)適用于不同外存類型間的遷移版本。對(duì)于可靠性[10]要求比較高的環(huán)境，還可以考慮先對(duì)源主機(jī)的外存制作一個(gè)備份，在遷移期間一旦源主機(jī)外存發(fā)生故障，立即使用備份繼續(xù)進(jìn)行遷移工作。

1 Clark C， Fraser K，Hand S， et al.Live migration of virtual machines.In:Proc of USENIX Symposium on Networked Systems Design&Implementation(NSDI).2005

2 Nelson M,Lim B,Hutchins G,et al.Fast transparent migration for virtual machines.In:Proc of USENIX ATC,2005

3 Hines M R,Gopalan K.Post-copy based live virtual machine migration using adaptive pre-paging and dynamic self-ballooning.In:ACM/Usenix International Conference on Virtual Execution Environments,Washington DC,2009

4 Osman S,Subhraveti D,Su G,et al.The design and implementation of zap:a system for migrating computing environments.In:Proceedingsofthe5th USENIX Symposium on Operating SystemsDesign andImplementation (OSDI-02),New York,2002

5 Matthews J N,Dow E,Deshane T,et al.Running xen:a hands-on guide to the art of virtualization.Prentice Hall,2008

6 Barham P,Dragovic B,Fraser K,et al.ACM symposium on operating systems principles.ACM Press,2003

7 Payne B D,Carbone M D P,Lee W.Secure and flexible monitoring of virtual machines.In:Proc of ACSAC'07,2007

8 Menasc, D A, Bennani M N. Autonomic virtualized environments.In Proceedings of the International Conference on Autonomic and Autonomous Systems(ICAS’06),2006

9 Whitaker A,Shaw M,Gribble S D.Denali:lightweight virtual machines for distributed and networked applications. In:Proceedings of the USENIX Annual Technical Conference,June 2002

10 Madnick S E,Donovan J J.Application and analysis of the virtual machine approach to information system security and isolation.ACM Press,1973

Live Migration and Its Application in Cloud Computing

Lan Yuqing1,2,Shen Qian2,Liu Ming2
（1.Institute of Computer,BeiHang University,Beijing 100191,China;2.China Standerd Software Co.,Ltd.,Beijing 100190,China）

Live migration has a very wide range of applications in virtualization.At present most of the mainstream live migration tools relies on the physical hosts with centralized and shared external memory device.But in the cloud computing environment,many computer systems own local external memory independently,which brings some limitions to the live migration applications in the cloud computing environment.Based on the research of cloud computing and live migration,this paper analyzed the principles and limitations of live migration in cloud computing,advanced whole-system live incremental migration’s design and implementation based on Xen.At last,it discussed the performance of whole-system live migration through experiments and summarized some of the ways to optimize the performance of migration.The whole-system live incremental migration gets rid of the original migration technology to the external memory equipment's dependence,has further expanded the application scope in the cloud computing environment.

virtualizationlive,cloud computing,live migration

2010－07－15)

蘭雨晴，工學(xué)博士，北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院副教授，上海中標(biāo)軟件有限公司研發(fā)總監(jiān)，主要研究方向?yàn)椴僮飨到y(tǒng)及軟件工程；申騫，工學(xué)碩士，上海中標(biāo)軟件有限公司高級(jí)技術(shù)經(jīng)理，主要研究方向?yàn)椴僮飨到y(tǒng)及云計(jì)算；劉銘，工學(xué)碩士，上海中標(biāo)軟件有限公司軟件工程師，主要研究方向?yàn)樘摂M化及云計(jì)算。