虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移策略?xún)?yōu)化研究

龐峰++顧煒江

摘要： Pre-Copy算法策略采用僅僅比較相鄰兩輪傳遞頁(yè)位圖和跳過(guò)頁(yè)位圖的方式來(lái)判斷內(nèi)存頁(yè)是否需要復(fù)制傳遞。優(yōu)化之后的Pre-Copy算法策略是根據(jù)所有記錄的內(nèi)存頁(yè)修改次數(shù)來(lái)判定臟頁(yè)，當(dāng)達(dá)到某個(gè)定義的臟頁(yè)的閾值時(shí)，即進(jìn)行復(fù)制重傳。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高CPU負(fù)載、高內(nèi)存負(fù)載和高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的情況下，Pre-Copy算法的優(yōu)化策略，縮短了虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移的停機(jī)時(shí)間和總遷移時(shí)間，提高了虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移的效率。

關(guān)鍵詞：虛擬機(jī)；動(dòng)態(tài)遷移；策略；優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）33-0149-03

Optimization of Live Migration Strategy for Virtual Machine

PANG Feng，GU Wei-jiang

（Nanjing Forestry University， Information Centre， Nanjing 210037， China；）

Abstract： Pre-Copy algorithm only two rounds of adjacent transfer bitmap and skip pages bitmap way to judge whether memory pages need to be copied. After optimization of the Pre - Copy algorithm based on all the records to judge dirty pages， the number of pages to modify when reach a certain threshold of dirty pages defined， namely to reproduce the retransmission. The experimental results show that the high CPU load， memory load and high network load conditions， the adaptive optimization algorithm of the Pre - Copy， shortens the virtual machine live migration of downtime and total migration time， improve the efficiency of the virtual machine live migration.

Key words： virtualization； live migration； strategy； optimization

1 概述

虛擬化技術(shù)作為云計(jì)算的核心技術(shù)，為滿(mǎn)足用戶(hù)按需訪問(wèn)云上數(shù)據(jù)和服務(wù)提供了可能。通過(guò)虛擬化技術(shù)部署的虛擬機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，虛擬機(jī)具有良好的靈活性，它能夠在不間斷服務(wù)運(yùn)行的情景下完成服務(wù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)遷移。主流虛擬化平臺(tái)，如VMware、KVM及Xen等，都提供虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移功能，已經(jīng)被應(yīng)用于局域網(wǎng)環(huán)境中跨物理主機(jī)的虛擬機(jī)遷移 [1][2]，但是高CPU負(fù)載、高內(nèi)存負(fù)載和高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等條件下的虛擬機(jī)進(jìn)行遷移的效果并不是很理想。本研究對(duì)Pre-Copy算法策略進(jìn)行了優(yōu)化，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 Pre-Copy算法遷移策略

Pre-Copy算法是Push和Stop-and-Copy相結(jié)合的一種內(nèi)存遷移方案 [3]。該算法復(fù)制傳遞策略如圖1所示。

Pre-Copy算法的局限性在于高負(fù)載情況下，Pre-Copy算法會(huì)造成很大的服務(wù)器系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，甚至?xí)?dǎo)致延長(zhǎng)停機(jī)時(shí)間和總遷移時(shí)間，這主要是由于處在高負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)下需要不斷進(jìn)行被修改內(nèi)存頁(yè)的復(fù)制傳遞，達(dá)到虛擬機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行能力的上限才會(huì)停止內(nèi)存頁(yè)的復(fù)制傳遞過(guò)程進(jìn)入停機(jī)復(fù)制階段。

從Pre-Copy算法的拷貝策略可以看出，在內(nèi)存頁(yè)的修改過(guò)程中，有可能出現(xiàn)上一輪被修改而本輪沒(méi)有修改，而下一輪又被修改的交替修改現(xiàn)象，此現(xiàn)象被稱(chēng)為乒乓重傳[4]。在此種情況下，需要對(duì)內(nèi)存頁(yè)每輪都要進(jìn)行復(fù)制傳遞，造成虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移的效率大大降低。

3 Pre-Copy算法遷移策略的優(yōu)化

Pre-Copy算法策略的臟頁(yè)判定方式存在一定局限性和片面性。[5]同時(shí)，進(jìn)入停機(jī)復(fù)制階段的判定條件，不夠全面與準(zhǔn)確，這都降低了虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移的效率。[6]本研究對(duì)Pre-Copy算法策略進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)擴(kuò)大臟頁(yè)判斷的周期，提高判斷內(nèi)存臟頁(yè)準(zhǔn)確度，整體上使Pre-Copy得到更好的優(yōu)化效果。

Pre-Copy算法策略?xún)?yōu)化后的具體流程如圖2所示：

圖2 Pre-Copy算法策略?xún)?yōu)化之后的流程圖

Pre-Copy優(yōu)化算法策略：一是盡快遷移需要遷移的頁(yè)面，二是有效地控制了不必要的遷移，防止“乒乓重傳”問(wèn)題。優(yōu)化后的Pre-Copy算法策略性能將通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以說(shuō)明。

4 Pre-Copy算法優(yōu)化策略評(píng)測(cè)

為了驗(yàn)證Pre-Copy優(yōu)化算法策略的所具有的優(yōu)越性，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，測(cè)試并記錄了在不同負(fù)載情況下Pre-Copy優(yōu)化算法策略前后，虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

4.1評(píng)測(cè)環(huán)境創(chuàng)建

虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移實(shí)驗(yàn)將在Xen虛擬化的兩臺(tái)同樣配置的物理機(jī)上進(jìn)行，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，在虛擬機(jī)上安裝相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)軟件。這樣不僅能夠滿(mǎn)足相互遷移的需要，而且還能夠進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的客觀和準(zhǔn)確。

4.2評(píng)測(cè)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)主要對(duì)停機(jī)時(shí)間和總遷移時(shí)間進(jìn)行測(cè)定與統(tǒng)計(jì)分析。為了方便對(duì)比出Pre-Copy算法優(yōu)化前后在不同高負(fù)載情況下所表現(xiàn)出的遷移效率，分別從高CPU負(fù)載、高內(nèi)存負(fù)載和高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載三個(gè)方面對(duì)Pre-Copy算法策略?xún)?yōu)化前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。

高CPU負(fù)載下虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)檢驗(yàn)結(jié)果，如表1、表2、表3和表4所示：

如表3所示，停機(jī)時(shí)間t檢驗(yàn)結(jié)果顯示Sign（雙側(cè)）>0.05，所以停機(jī)時(shí)間不具有顯著性差異，即優(yōu)化前后在縮短停機(jī)時(shí)間方面沒(méi)有優(yōu)越性。但總遷移時(shí)間t檢驗(yàn)結(jié)果顯示Sign（雙側(cè)）<0.05，所以?xún)?yōu)化前后總遷移時(shí)間具有顯著性差異，即優(yōu)化后在縮短總遷移時(shí)間方面具有顯著優(yōu)越性。

高內(nèi)存負(fù)載下虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)檢驗(yàn)結(jié)果，如表5、表6、表7和表8所示：

如表7所示，停機(jī)時(shí)間t檢驗(yàn)結(jié)果顯示Sign（雙側(cè)）<0.05，所以Pre-Copy優(yōu)化前后停機(jī)時(shí)間具有顯著性差異，即優(yōu)化后在縮短停機(jī)時(shí)間方面具有顯著優(yōu)越性，同時(shí)，總遷移時(shí)間t檢驗(yàn)結(jié)果顯示Sign（雙側(cè)）<0.05，所以?xún)?yōu)化前后總遷移時(shí)間具有顯著性差異，即優(yōu)化后在縮短總遷移時(shí)間方面也具有顯著優(yōu)越性。

高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)檢驗(yàn)結(jié)果，如表9、表10、表11和表12所示：

如表11所示，停機(jī)時(shí)間t檢驗(yàn)結(jié)果顯示Sign（雙側(cè)）<0.05，所以?xún)?yōu)化前后具有顯著性差異，即優(yōu)化后在縮短停機(jī)時(shí)間方面具有顯著優(yōu)越性，但是，總遷移時(shí)間t檢驗(yàn)結(jié)果顯示Sign（雙側(cè)）>0.05，所以?xún)?yōu)化前后總遷移時(shí)間具有顯著性差異，即優(yōu)化后在縮短總遷移時(shí)間方面沒(méi)有優(yōu)越性。

4.3評(píng)測(cè)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高負(fù)載環(huán)境下，Pre-Copy算法策略?xún)?yōu)化之后都取得了很好效果，尤其在高內(nèi)存負(fù)載下，停機(jī)時(shí)間和總遷移時(shí)間具有顯著的優(yōu)越性，不過(guò)優(yōu)化之后算法策略也存在不足之處，如高CPU負(fù)載下，優(yōu)化的算法策略沒(méi)有縮短停機(jī)時(shí)間。這說(shuō)明Per-Copy優(yōu)化算法策略仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化。

5結(jié)束語(yǔ)

本研究對(duì)虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移Pre-Copy算法策略進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化后算法策略分別在高CPU負(fù)載、高內(nèi)存負(fù)載和高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試并取得較好效果。對(duì)Pre-Copy算法進(jìn)一步優(yōu)化是我們今后的研究目標(biāo)。

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