虛擬機遷移技術的現狀與研究熱點

李 力

（重慶電子工程職業學院，中國 重慶 401331）

0 緒論

云計算作為一種新興的計算模式， 近年來受到了越來越多的關注，獲得了研究人員和企業的肯定。 作為云計算核心內容的虛擬化技術，從底層硬件向上層虛擬機進行了資源映射，實現了資源的抽象和相互隔離， 允許在單一物理主機上運行多個不同的操作系統實例，提供多種服務，而且能夠有效地將資源進行彈性分配[1]。 傳統模式下，服務器可以依靠集群技術實現服務層級的負載均衡，而虛擬化則可以實現虛擬機層級的負載均衡。 依靠虛擬機在不同的主機之間遷移，集群能夠有效地進行資源的分配和調度， 這是虛擬化最大的優勢之一，因此虛擬機的遷移也是當前的一個研究熱點，引起了廣泛的關注。 本文主要對虛擬機遷移的相關技術進行綜述。

1 靜態遷移和熱遷移

最初的虛擬機遷移屬于“stop-and-copy”模式[2],也稱為靜態遷移：首先令待遷移的虛擬機暫停服務，并將內存中的全部數據復制到另一臺主機，然后在目標主機上將虛擬機激活，繼續對外提供服務。這種模式的缺陷在于，一旦執行遷移操作，服務就中斷了，不適于對業務連續性和用戶體驗有著較高要求的場合。

由于靜態遷移的局限性，許多虛擬化平臺提供了全新的虛擬機遷移模式，稱為熱遷移或者在線遷移。 簡單來說就是讓虛擬機保持運行的同時，讓它從源主機遷移到目的主機，遷移完成后，服務在目的主機上重啟，中斷的時間非常短，對用戶而言基本上是透明的。 以VMware和Xen 為代表的虛擬化解決方案提供商都使用了這種模式， 而且還有很多開源的云平臺也普遍將其用于數據中心的資源管理。

2 熱遷移的關鍵技術介紹

為了讓虛擬機在遷移之后的狀態能夠和之前保持一致，就必須傳遞CPU 的運行狀態、I/O 狀態、網絡通信的狀態和內存里的數據。 在這些需要遷移的內容中，CPU 和I/O 的遷移相對簡單，數據量較少，結構也比較單一，而內存遷移是一大難題，不僅因為內存數據本身的重要性，而且內存數據本身的存儲結構也很復雜[3]。 當今只有pre-copy 和post-copy 兩種算法較好地實現了內存的遷移。

pre-copy 算法的核心思想如下：源主機將虛擬機的所有內存頁面復制傳送到目的主機，在此期間虛擬機不間斷運行；復制之后再次被更改的內存頁面稱為臟頁面，虛擬機開始會對后續的臟頁面進行迭代復制。在每輪發送完成后檢查當前是否符合stop-and-copy 條件，如滿足則進入stop-and-copy 階段，在源主機上虛擬機被暫停運行，最后的少量內存頁面被復制到目的主機，此時目的主機和源主機的虛擬機內存頁面達到一致，目的主機使虛擬機接管工作，刪除源主機上的虛擬機數據。與靜態遷移相比，pre-copy 縮短了總遷移時間和停機時間，在負載較輕的情況下，pre-copy 可以把停機時間控制在不到0.2s 的范圍之內，很好的實現了遷移的透明性。而在負載偏高的情況下，虛擬機的內存頁面修改較為頻繁，使得臟頁面不停地產生，因而必須進行迭代復制和判斷。 這就造成了較大的系統開銷，引起很長的停機時間和總遷移時間。

post-copy 算法和pre-copy 算法相反， 它讓源主機一開始就停止虛擬機的運行，在暫停期間將虛擬機的CPU 和I/O 信息復制到目的主機上，由于數據量很小，所以目的主機立即便能夠啟動虛擬機接管工作；在目的虛擬機運行過程中，一旦訪問到相關內存產生缺頁錯誤，就會向源主機發送頁面請求，令其將這些內存頁面傳送過來。 直到目的虛擬機訪問了所有的內存頁面， 才能停止源虛擬機釋放資源。 postcopy 相比pre-copy 算法，進一步縮短了停機時間，但總的遷移時間則更長。 如果多個虛擬機需要并發的動態遷移，源主機上會因為等待內存遷移而消耗大量的計算和存儲資源， 并且很長時間無法得到釋放，導致整體的效率降低。

3 研究熱點

目前主流的熱遷移技術都有其局限性和不足之處，pre-copy 算法的總遷移時間過長，而時間越長，遷移所占用的資源就越多，使遷移中的虛擬機遭受長時間的服務性能下降。特別是如果臟頁面生成的速率高于內存復制的速率，遷移過程就會更長，直到耗時超過閾值，導致服務中斷。 為了改善上述問題，Bradford 等人設計了一種名為Memory balloon 的機制[4]，通過消除一些無用的內存數據來減少首輪復制所需要傳輸的數據量，從而縮短熱遷移的總時間；Surie 等人通過不斷的記錄用戶行為信息，并且將行為在目標主機上重現的方式來減少虛擬機遷移過程中產生的整體開銷[5]。

標準的post-copy 算法首先傳送vCPU 和I/O 信息，然后使目標虛擬機接管工作，接下來的內存讀取基于“按需取頁”的思路，由于缺頁而向原虛擬機索取。 由于網絡延遲，處理每個頁面訪問錯誤都會明顯地拖慢虛擬機。此外，如果目的虛擬機的某些內存頁面一直不被訪問，遷移便始終無法完成。 基于頁面預取的post-copy 算法事先預測可能要發生的缺頁異常并調整頁面推送序列， 由于內存訪問的局部性原理，這種算法有效地減少了缺頁異常的發生，提高了遷移的效率[6]。

混合方法綜合了pre-copy 算法和post-copy 算法的優勢， 它先進行pre-copy 過程，保持源虛擬機繼續運行的同時復始終制它所有的內存頁面到目的主機上，然后停機將CPU 和I/O 的狀態信息發送過去[7]。 目的主機收到后，啟動虛擬機接管工作，最后再按post-copy方法等待臟頁面的傳送。 混合方法在讀密集型負載下有較好的性能，在寫密集型負載下有更確定的總遷移時間。

4 面臨的挑戰

熱遷移在大多數情況下是為了負載均衡， 或實現動態資源調度。后者是虛擬化節能的主要手段，一旦虛擬機的負載降低，就可以遷移到少量主機，并關閉其它主機。 然而，云環境的熵在不斷增高，隨著虛擬機的數量和服務的種類呈海量增長，使得虛擬機、主機和機架之間經典的三層嵌套裝箱問題變得原來越復雜[8]，此外，從節能的角度來看，越來越多的遷移行為將導致額外的CPU 開銷和網絡開銷，產生額外的能耗。 在這種背景下僅僅靠優化遷移算法來解決問題，已經不具有現實性。本文認為今后將會有更多的研究致力于虛擬機的放置和合理的調度算法。

［1］蔣永生,彭俊杰,張武.云計算及云計算實施標準：綜述與探索[J].上海大學學報：自然科學版，2013，02：5-13.

［2］Whitaker A, Cox R-S, Shaw M, et al.Constructing services with interposable virtual hardware ［C］／ ／In Proceedings of the 1st symposium on networked systems design and implementation(NSDI), CA, USA, 2004：169-182.

［3］常德成,徐高潮.虛擬機動態遷移方法[J].計算機應用研究 2013.04：17-22.

［4］Bradford R, Kotsovinos E, Feldmann A.Live wide-area migration of virtual machines including local persistent state［C］／ ／Proceedings of the 3rd international conference on virtual execzrtion environments.(VEE), NY, USA, 2007.169-179.

［5］Surie A, Cavilla A-L, Lara E-D, et al.Low-bandwidth VM migration via opportunistic replay.In the 9th workshop on mobile computing systems and applications (HotMobile)［J］.NY, USA, 2008：74-79.

［6］Michael R.Hines, Kartik Gopalan.Post-Copy Based Live Virtual Machine Migration Using Adaptive Pre -Paging and Dynamic Self -Ballooning [C]／ ／Proceedings of the 2009 ACM SIGPLAN/SIGOPS International Conference on Virtual Execution Environments.New York, USA： ACM Press, 2009：51-60.

［7］NOACK M.Comparative evaluation of process migration algorithms [D].Dresden： Dresden University of Technology-Operating Systems Group, 2003.

［8］周文煜,陳華平,楊壽保,方君.基于虛擬機遷移的虛擬機集群資源調度[J].華中科技大學學報：自然科學版，2011，06：130-133.