云計算環境下基于負載特征的數字圖書館虛擬機遷移調度策略

●陳 臣（蘭州商學院 網絡中心，蘭州 730020）

云計算環境下基于負載特征的數字圖書館虛擬機遷移調度策略

●陳 臣（蘭州商學院 網絡中心，蘭州 730020）

云計算；負載特征；數字圖書館；虛擬機遷移

虛擬機動態遷移技術是虛擬化領域最重要的技術之一。為了有效降低圖書館大規模云數據中心的能量消耗，保證用戶的服務等級協議（SLA），提高虛擬機遷移時的資源利用率和服務可用性，提出了一種云計算環境下基于負載特征的數字圖書館虛擬機遷移調度策略。該策略可實現虛擬機遷移的自主管理，并能夠提升資源的使用效率，具有較好的自適應性。

云計算環境下，虛擬機集群在提高云圖書館讀者服務保障能力的同時，大幅降低了運營、維護成本投入和能源消耗，使圖書館云閱讀服務具有較高的用戶滿意度和市場競爭力。隨著云圖書館虛擬機應用范圍、對象、內容和規模的不斷擴展，虛擬機集群的結構復雜度和管理難度不斷增長。如何有效利用虛擬機遷移技術，在保證云虛擬化資源具有較高安全性、利用率、靈活性和可用性的前提下，均衡云圖書館物理資源的利用率和負載分布，實現云管理、云服務、虛擬化資源和負載的快速遷移，是確保圖書館讀者云閱讀活動高效、連續、可靠和可持續，以及減少虛擬機遷移過程對云系統CPU、內存、存儲和網絡帶寬等資源消耗量的關鍵。

1 云圖書館虛擬機遷移的內容、方式與需求

1.1 云圖書館虛擬機遷移的內容與方式

1.1.1 云圖書館虛擬機遷移的內容

云計算環境下，圖書館云數據中心系統結構、云服務模式、云資源管理與分配方式、云服務有效性判定方法等，隨著讀者云閱讀服務需求的變化而不斷變革。同時，云圖書館也會根據讀者云閱讀服務安全與質量等級需求，開展相應級別的虛擬機創建、虛擬化資源劃分、虛擬機遷移和遷移管理活動。

云圖書館虛擬機遷移所涉及的主要內容有虛擬機鏡像文件、相應的配置文件、虛擬機的外設遷移、虛擬機放置算法、虛擬機管理與安全策略的遷移等內容。為了提高虛擬機遷移的安全性、高效性、經濟性和可控性，云圖書館會根據虛擬機遷移數據總量、遷移目的、遷移過程對云服務的質量與連續性需求、遷移的效率與時間要求、遷移工具對應用程序的性能影響等因素，選擇靜態遷移或者動態遷移的方式，實現云圖書館在遷移安全性、效率、可用性、成本和時間等因素結構整體最優。［1］

1.1.2 云圖書館虛擬機遷移的方式

云圖書館虛擬機遷移主要有靜態遷移和動態遷移兩種方式。靜態遷移通常也可稱為常規遷移或者離線遷移，就是在虛擬機關機或者暫停服務的狀況下，將虛擬機從一臺物理機遷移到另一臺物理機。虛擬機靜態遷移對云圖書館服務連續性影響較大，通常將遷移數據量大、對讀者云閱讀活動滿意度影響小、遷移成本高、遷移時限要求低的虛擬機，選擇靜態的方式實施遷移。

動態遷移也稱為在線遷移，是在虛擬機不停機的狀態下，將一個虛擬機系統從一個物理主機移動到另一個物理主機的過程。動態遷移方法對云圖書館用戶服務質量、可控性、可用性和連續性影響較小，但具有對遷移內容和環境要求苛刻、遷移效率低、遷移成本高和可控性差的缺點。動態遷移通常選擇對讀者云閱讀活動滿意度和云應用服務有效性影響大，以及對象數據量低和遷移時效要求高的虛擬機。

1.2 應重點關注對遷移活動有效性影響大的關鍵因素

云圖書館虛擬機遷移過程的有效性，是由遷移過程云資源分配有效性、遷移過程對虛擬機集群性能影響程度、遷移后虛擬機的可用性、讀者云閱讀滿意度等因素共同決定。因此，為了提高云圖書館虛擬機遷移安全性和有效性，應重點關注對虛擬機遷移活動有效性影響大的關鍵因素。

首先，應準確發現、分析、判斷觸發遷移的源節點上需要遷移的虛擬機。云圖書館擬遷移虛擬機的選擇，應建立在對用戶云閱讀需求、虛擬機應用服務對象和內容、云虛擬化資源總量和可供分配量、遷移后虛擬機運行效率的正確分析上。可根據遷移活動對圖書館云閱讀服務質量、云數據中心運營效率、用戶云閱讀愉悅性、虛擬機集群可控性等內容的影響，進行擬遷移虛擬機優先等級的劃分。其次，選擇恰當的虛擬機遷移時機。虛擬機遷移時機的選擇依據，應綜合考慮云應用服務重要性、實時性、對云服務與云管理系統的影響力、用戶滿意度等因素。第三，應選擇正確的遷移目標節點。遷移目標節點的選擇，應以提高云圖書館服務能力和用戶滿意度為核心，堅持關注關鍵用戶、關鍵應用、關鍵服務和關鍵內容的原則。［2］

1.3 虛擬機遷移應關注圖書館云閱讀服務與系統管理質量的需求

云計算環境下，云圖書館虛擬機遷移應解決關系云閱讀服務與云系統管理的重點內容。首先，云圖書館應通過虛擬機遷移，把云服務負載平均分配到數據中心虛擬機上，并將超負載虛擬機負荷合理遷移到輕負載物理機上，防止虛擬機服務瓶頸現象的發生。其次，當物理服務器出現故障或者急需維護、升級時，應通過虛擬機遷移將云服務遷移到其他物理設備上，保證讀者云閱讀服務的連續性。第三，當某個物理服務器處于不安全、不穩定狀態，或者運行效率快速下降和應用服務系統瀕臨崩潰時，也可將虛擬機遷移到數據中心安全的物理設備上，保證云服務安全、高效和可持續。第四，云資源優化和降低能耗的需求。加強云資源優化水平和降低能源消耗，是提高云圖書館運營效率和減少云服務成本的重要途徑。云圖書館應在保證服務質量的前提下，通過虛擬機遷移將位于不同主機上的多部虛擬機遷移到同一主機，同時關閉閑置虛擬機，保證云數據中心較低的虛擬機云資源消耗率和較高的服務投資收益率，以及虛擬化資源的高效分配和優化配置。［3］

1.4 降低虛擬機遷移對云閱讀活動影響的需求

利用高效的虛擬機遷移管理工具，在最短時間內實現虛擬機的最小化整體遷移，以及大幅度降低數據中心虛擬機遷移對讀者云閱讀活動的影響，是提高虛擬機遷移效率和保證云閱讀服務高效、連續的關鍵。

云圖書館虛擬機遷移對云閱讀活動的影響，主要可分為遷移后云閱讀應用程度服務有效性、遷移過程所用時間、遷移過程云服務中斷時間三個方面的內容。因此，為了降低虛擬機遷移對圖書館云閱讀活動的影響，應在虛擬機遷移之初對虛擬機遷移的內容、方法、途徑和結果有效性進行評估。評估內容主要包括擬遷移虛擬機云服務的即時性需求、遷移的方法和策略合理性、遷移總過程耗費的時間、遷移環境拓撲結構有效性和可用性四個方面。此外，云圖書館為了提高虛擬機遷移效率，需要綜合考慮云圖書館基礎設施規模、虛擬機遷移的整體數據量和時限要求、遷移環境建設成本與投資收益、虛擬機遷移后云服務的有效性保障等方面因素。同時，應加強數據中心內部SAN網絡存儲建設，保證虛擬機動態遷移安全、高效、快速、經濟。［4］

2 云圖書館基于負載特征的虛擬機遷移策略與有效性保障

2.1 建立科學、合理的虛擬機遷移有效性評估指標體系

制定科學、合理的虛擬機遷移有效性評估指標體系，是正確評估虛擬機遷移準備科學性、遷移過程高效與可控性、遷移后應用服務有效性的重要途徑。

決定虛擬機遷移活動有效性的主要因素為圖書館讀者云閱讀服務需求、云應用服務系統功能、虛擬機集群管理效率、虛擬機遷移環境安全性等。因此，云圖書館虛擬機遷移有效性評估指標體系的建立，應主要包括虛擬機遷移總體時間、遷移過程云服務暫停時間、遷移過程總的數據傳輸量、遷移后虛擬機性能損失度、數據中心區域數據傳輸網絡有效性、遷移過程的可控性和透明度等因素。此外，在評估指標體系的建立過程中，還應結合各評估子指標對圖書館云服務有效性和讀者滿意度的影響力，為各子指標分配相應的權重因子，提高評估結果科學性、精確度和對虛擬機遷移活動指導的有效性。第三，應注重虛擬機遷移有效性評估指標體系的可操作性和快速判斷能力，保證評估過程簡單、高效、經濟、易控。另外，評估過程還應具有較低的系統資源消耗量和成本投入，實現虛擬機遷移活動的快速判定和反饋控制。

2.2 制定高效、易控的虛擬機遷移策略

云圖書館虛擬機遷移的有效性，主要體現在負載均衡、能耗管理、遷移時機和策略有效性、虛擬機集群系統容錯性四個方面。

首先，云圖書館虛擬機負載均衡，也是一個合理判定虛擬機遷移目的地，并通過動態反饋遷移觸發，實現虛擬機動態遷移和云資源分配，以及消除虛擬機集群服務熱點的問題。在虛擬機負載均衡過程中，應將云閱讀服務負載量、負載節點位置和虛擬機遷移管理等內容，與云圖書館服務水平協議（SLA）保障相結合，實現虛擬機負載在云圖書館物理基礎設施全局范圍內的均衡。其次，虛擬機遷移的能耗管理，可通過虛擬機遷移過程云資源的動態分配、遷移過程的能耗控制、云系統整體性能保障、遷移后虛擬機云資源的準確配置來實現，保證遷移過程不降低云圖書館整體服務性能和資源利用效率。第三，虛擬機遷移時機的選擇。應將云服務即時性需求和虛擬機運營效率、可用性，作為虛擬機遷移時機的觸發、反饋條件。并通過虛擬機遷移排隊和多虛擬機同時遷移控制，減少在多個虛擬機遷移過程中存在的性能干擾問題。第四，虛擬機集群系統的容錯性，是提高云圖書館讀者服務保障力和快速降低系統負載率的重要途徑。通過虛擬機系統的遷移，將虛擬機從不健康節點遷移到健康節點，并在虛擬機發生故障時保證備份虛擬機可立刻接管工作，為讀者實現云服務安全環境、讀者云閱讀需求、云服務可靠性和持續可用性、云系統運營服務不間斷的快速交付。［5］

2.3 實現云圖書館虛擬機外設資源的完全遷移

云圖書館虛擬機外設系統的遷移，是關系虛擬機系統遷移有效、可靠和完整的關鍵內容，主要內容包括虛擬機文件系統和網絡設備的遷移。通過虛擬機外設資源的遷移，實現虛擬機系統及其服務保障體系的完全、透明遷移，保證虛擬機系統遷移到新的節點后，具有較高的可管、可用性。

云圖書館虛擬機文件系統和網絡設備的遷移，具有遷移數據量大、持續時間長、安全問題突出和可控性要求高的特點。因此，云圖書館文件系統的遷移，通常選擇在用戶訪問少、云服務負載低的時間段進行。遷移的內容主要包括CPU、內存、外存儲系統和設備狀態數據。為了提高虛擬機遷移效率和可靠性，云圖書館數據中心在資金許可的情況下，可通過建設網絡存儲系統或存儲區域網絡，保證遷移后的虛擬機集群系統安全、高效、即時、快速地通過網絡訪問文件系統，避免了文件系統伴隨虛擬機遷移而遷移。

網絡設備的遷移，是保證虛擬機遷移到新節點后，具有較高的運營效率、可控性和可用性的關鍵。虛擬機集群在制定遷移策略時，應重點注重網絡設備遷移的完全性和可用性。確保虛擬化網絡的安全性、傳輸能力和管理策略，能夠隨著虛擬機系統的遷移而遷移，并在虛擬機遷移后為虛擬機運營提供安全、高效、經濟、便捷的網絡數據傳輸服務。

2.4 保證虛擬機遷移活動安全、可控

為了提高虛擬機遷移的安全、可控性，圖書館首先應制定覆蓋云數據中心虛擬機集群的遷移策略，并為每個擬遷移的虛擬機制定符合虛擬機生命周期發展規律和云應用服務需求的遷移策略，實現虛擬機安全遷移策略的統一規劃和分別部署。其次，制定高效、可控、易操作的虛擬機遷移安全策略。通過安裝防病毒軟件、虛擬防火墻、虛擬交換機管理程序和部署有效的虛擬機遷移安全管理策略，對虛擬機之間的數據交換進行精細化的安全控制與管理。第三，虛擬機在遷移之初，應對擬遷移節點物理服務器實行主機硬件設備（包括CPU特性和奇偶校驗等）兼容性檢測，保證存儲磁盤支持第三方CFS文件格式，并按照虛擬機遷移優先級別增添實時遷移隊列，防止虛擬機遷移沖突和系統超載。第四，應加強虛擬機遷移過程和遷移后狀態的監控、發現、分析、判斷，并對遷移到新節點的虛擬機實施有效的自動化安全策略部署與管理。根據虛擬機云應用服務任務和所在新環境中存在的安全問題，將虛擬機安全管理與操作策略遷移到新的節點，執行動態、自適應的安全管理策略。

2.5 加強云圖書館虛擬機遷移過程服務負載的管理

當云圖書館虛擬機遷移到新的節點后，云服務的內容、負載量、虛擬機配置與管理、虛擬機云服務生命周期管理等內容，和遷移之前有很大區別。云圖書館虛擬機遷移過程服務負載管理的方法與效率，對虛擬機應用服務有效性、服務成本、用戶云閱讀滿意度和虛擬機可管理性，有著較大的影響和決定作用。

首先，云圖書館虛擬機遷移到新的節點后，應根據虛擬機服務負載量分配虛擬化資源，并根據虛擬機云閱讀服務負載變化規律而動態調整云資源分配量，避免資源分配過剩或者分配不足，進而導致虛擬機應用服務過程資源浪費或服務效率下降。其次，應根據虛擬機負載總量和圖書館開展云閱讀應用服務活動的資源需求，為虛擬機分配不同數量的CPU、內存、外存、虛擬化網絡等資源，防止虛擬機在云應用服務過程中，因某種資源完全消耗而導致虛擬機服務中斷。第三，虛擬機遷移與部署完畢后，應加強對虛擬機運行和負載變化狀況的實時監控。結合云應用服務需求對虛擬機資源的分配數量進行調控，并在虛擬機不停機狀況下進行動態資源補充。第四，虛擬機擔負新的服務任務前，應對新的云閱讀服務負載進行預評估，不斷提高虛擬機資源分配準確度，以降低虛擬機在開展新的云服務過程中，以及云資源分配和后期的維護、擴展工作壓力。

3 結語

云計算環境下，虛擬機遷移是一個關系圖書館云服務保障能力建設、云閱讀服務效率與經濟性、用戶云閱讀滿意度和云服務可持續性發展的重要問題。隨著云圖書館讀者閱讀服務需求和用戶服務模式的轉變，虛擬機遷移環境將會更加復雜、多變，會面臨更多的安全威脅和不穩定因素。此外，對虛擬機遷移的安全性、效率、可控性和經濟性需求將進一步提高，虛擬機遷移有效性成為決定云圖書館可持續發展和市場競爭力的關鍵因素。

［1］孫國飛，等．基于預拷貝的虛擬機動態內存遷移機制改進［J］．計算機工程，2011，37（13）：36－39.

［2］陳陽，等．基于內存混合復制方式的虛擬機在線遷移機制［J］．計算機學報，2011，34（12）：2278－2291.

［3］Svard P，etal．Evaluation of delta compression techniques forefficientlivemigrationoflargevirtualmachines ［C］//Proceedingsof the7th ACM SⅠGPLAN/SⅠGOPSinternational conference onⅤirtual Execution Environments．Newport Beach,California,USA:ACM,2011: 111－120.

［4］徐志紅，等．基于同步機制的虛擬機磁盤在線遷移策略［J］．計算機工程，2012，38（9）：291－293.

［5］劉進軍，等．基于負載特征的虛擬機遷移調度策略［J］．計算機工程，2011，37（17）：276－278.

G250.76

A

1005－8214（2014）02－0087－04

陳臣（1974－），男，陜西西安人，碩士，副教授，研究方向：云計算。

2013－03－06［責任編輯］徐 娜

本文系2012年教育部人文社會科學青年基金項目“云計算環境下數字圖書館云服務信息化平臺架構策略與用戶服務模式研究”（項目編號：12YJC870019） 的研究成果之一。