一種基于Xen的自動遷移系統設計

郭文東

（河北省財政廳，石家莊 050051）

一種基于Xen的自動遷移系統設計

郭文東

（河北省財政廳，石家莊 050051）

虛擬機實時遷移[1,2]可以實現將一臺虛擬機在運行狀態下遷移到另一臺物理機上，可以用于服務器資源整合、負載均衡、節能省電和物理機例行維護等應用。然而，當前的虛擬機實時遷移只能達到人工遷移，而不能實現全自動遷移。當虛擬機較少時還可以人工操作，但當前數據中心規模常常有幾千至上萬臺服務器，當有幾十臺甚至幾百臺發生高負載時，人工遷移效率是很低的，并有可能會耽誤遷移時機造成一些服務器長時間過載甚至出現宕機。

Xen；虛擬化；資源整合；自動遷移

Xen；虛擬化；資源整合；自動遷移

1 引言

據調查，用戶數據中心的網絡流量往往具有周期性變化規律，往往是白天訪問數量巨大，造成服務器負載較高，而晚上則相反，服務器的負載很低，這時如果能夠自動地將那些資源利用率很低的虛擬機遷移整合到少數物理機上，并將虛擬機的原宿主物理機設置成休眠狀態，從而使運行的物理機數量和負載率都達到最佳水平，這將可以大大提高數據中心資源利用率并有效降低運營成本。

因此，本文設計了一套基于Xen[4,5]虛擬化引擎的自動遷移系統，該系統能夠實時收集服務器負載數據，除了服務器熱點探測外，還能進行冷點探測并自動識別出當前服務器資源池的整體負載，并按照預先設置的遷移決策算法，分別對集群高負載和低負載場景實施自動遷移，該自動遷移系統將有效提高數據中心的管理效率并減少服務器運營成本。

2 系統框架

針對上述應用場景，本文基于Xen虛擬化引擎設計了針對上述兩種主要場景的自動遷移解決方案，主要解決了兩個自動化問題：一是自動模式識別，即系統能夠自動感知此時該使用負載均衡模式還是節能省電模式，具有自適應的特點，確切的說是作出模式識別，是根據負載將虛擬機均分到各個物理機上還是整合到少數物理機上。二是自動決策遷移，即根據不同的模式決策遷移誰和往哪遷，該決策應該提供至少兩種模式的算法。如果是負載均衡模式，遷移誰就是要找到負載過高的熱點物理機和其上需要遷移的虛擬機，并遷移到負載低的冷點物理上；如果是節能省電模式，則是要將負載低的物理機上的虛擬機遷移整合到其他負載低的物理機上。

在具體實現上，該系統的自動性應該體現如下過程：能夠自動的收集數據，包括虛擬機和物理機的CPU使用信息、內存使用信息和帶寬使用信息；能自動的按照預先設置的熱點/冷點探測算法對相應數據進行處理，得到冷熱點機器列表信息；能自動的根據預先設置好的負載均衡模式算法或者節能省電模式算法計算出熱點或冷點虛擬機需要遷移到哪臺物理機上；能自動下發遷移命令，通知相應物理機遷移其上的某臺虛擬機到指定物理機上。

整個系統由多臺待監測主機（PM）和全局控制主機（GlobalController）組成。如圖1所示，待監測主機上運行著一臺或多臺虛擬機，虛擬機上運行MemCollector模塊，待監測主機Domain-0域上運行Communicator，Collector，NodeController模塊。全局控制主機上運行Communicator，ScenarioDetector，MigDecider模塊。各模塊的具體功能如下：

⊙ MemCollector：虛擬機內存利用率收集器，存在于虛擬機用戶態，負責實時收集虛擬機的內存利用率信息，并傳遞給Collector模塊。

⊙ Collector：信息收集器，存在于Domain-0用戶態的模塊，負責實時收集虛擬機的內存利用率、CPU利用率、帶寬利用率和丟包率數據，以及物理主機的可用資源大小、CPU利用率和帶寬利用率數據，并這些數據傳遞給GlobalController進行處理。

⊙ ScenarioDetector：模式識別器，該模塊存在于GlobalController中，負責對收到的虛擬機和物理主機信息進行處理，并決定是采用負載均衡模式算法還是節能省電模式算法，并根據相應算法探測出熱點、冷點物理機，并將虛擬機和物理機列表傳遞給MigDecider。

圖1 系統架構圖

⊙ MigDecider：遷移決策者，該模塊存在于GlobalController中，將熱點、冷點虛擬機和物理機列表按照相應的遷移決策算法進行匹配，得到要遷移的虛擬機、源端物理主機和對應的目標主機，即＜SrcPM, VM, DesPM＞，并下達遷移命令，通知源端物理主機上的NodeController遷移指定的虛擬機到指定目標主機上。

⊙ NodeController：節點控制器，存在于Domain-0用戶態，負責接收MigDecider的遷移命令，實施最終的遷移。

⊙ Communicator：Socket通信實體，負責主機之間的通信任務。

3 系統模塊設計

針對上述系統框架，我們對每個功能模塊進行了詳細的分析與設計，文獻[6]雖然也設計了自動遷移系統，不過在負載信息參考上與本文不同，另外，本文還針對一些特殊場景也進行了有針對性的設計和細致分析。

3.1 數據收集

整個虛擬機自動遷移將依賴所有收集到的虛擬機和主機的實時數據，這些實時數據反映了虛擬機和物理主機的負載情況。其中描述虛擬機負載的有3個指標：內存利用率（MEM_U）、CPU利用率（CPU_U）、帶寬利用率（BW_U）。描述物理主機的指標除了上述3個外，還包括物理機的可用資源大小（MEM_AVAI,CPU_AVAI,BW_AVAI），這直接體現了該物理主機能接收遷移過來的虛擬機的能力，不同于本文的多指標綜合參考，文獻[7]則主要關注網絡流量的統計。整個數據收集功能由位于虛擬機上的MemCollector和位于Domain-0中的Collector模塊共同完成。

3.2 模式自動識別

該系統應該具備完全自動特性和自適應能力，能夠自動識別出當前資源池環境特點，并能在資源池高負載或低負載情況下分別作出正確的判斷，從而進入適當的模式運作：負載均衡模式、節能省電模式和正常模式。模式自動識別功能由ScenarioDetector模塊實現，其輸入值為各個物理機和虛擬機的相關數據指標。

3.3 遷移決策

遷移決策是根據模式自動識別輸出的模式，分別為負載均衡模式和節能省電模式采用不同的遷移決策算法。對于這兩種模式，遷移決策都要完成三件事：一是優先解決哪個物理機；二是遷移該物理機上的哪臺虛擬機；三是把該虛擬機遷移到哪兒。該階段輸入數據有：運行模式，熱點物理機列表HOT_LIST和冷點物理機列表COLD_ LIST，物理機的可用資源和負載程度Degree，虛擬機的資源需求。輸出為要解決的物理機SrcPM，要遷移的虛擬機VM和接收物理機DestPM，即＜SrcPM,VM,DestPM＞。整個遷移決策功能是由MigDecider模塊實現的。

3.4 實施遷移

遷移決策模塊做出遷移決策后會生成三元組＜SrcPM,VM, DestPM＞，其中SrcPM為要發起遷移物理機，可能是熱點物理機也可能是冷點物理機，VM為SrcPM上要遷移的虛擬機，DestPM為接收物理機。然后通知SrcPM將虛擬機VM遷移到DestPM上，SrcPM收到遷移命令后即可發起連接，執行遷移。

4 結束語

本文設計了一種虛擬機自動遷移系統，該系統可以自動的發現熱點物理機，并根據資源池內所有物理機負載情況自動識別出正確的場景模式：負載均衡模式和節能省電模式，并根據相應的模式按照預定義的對應遷移決策算法作出決策，并通知相應的物理機將虛擬機遷移到指定物理機上。整個遷移過程無需人工干預，可實現數據中心的物理機負載均衡和節能省電功能。這種自動遷移系統將會對數據中心的服務器管理帶來極大方便，提高管理效率，并最終節約數據中心的運營成本。

[1] C. Clark, K. Fraser, S. Hand, J. G. Hansen, E. Jul, C. Limpach,I. Pratt, and A. Warfield. Live migration of virtual machines. In Proc. NSDI 2005.

[2] M. Nelson, B. Lim, and G. Hutchins. Fast Transparent Migration for Virtual Machines. In Proc. USENIX 2005. 270

[3] T. Wood, P. Shenoy, A. Venkataramani, and M. Yousif, Black-box and graybox strategies for virtual machine migration. In Proc. NSDI 2007.

[4] P. Barham, B. Dragovic, K. Fraser, S. Hand, T. Harris, A. Ho,R. Neugebauer, I. Pratt, and A. Warfield. Xen and the art of vir-tualization. In Proc. SOSP 2003.

[5] Xen-3.4.3 Source Code. http://www.xen.org/ 275

[6] Chris Hyser, Bret McKee, Rob Gardner, Brian J. Watson, Autonomic Virtual Machine Placement in the Data Center. Technique Report, HP Laboratories 2007.

[7] Sun Kewei, Li Ying, Luo Jing, Xu Xiang, Qi Quan.Network trafficbased automatic optimized migration from physical to virtualized cloud environment with UCM tool. In Proc. IC-BNMT 2009

[8] Norman Bobroff, Andrzej Kochut, Kirk Beaty.Dynamic Placement of Virtual Machines for Managing SLA 280 Violations. In Proc. IM 2007

Automatic Migration of Xen based System Design

Guo Wendong
(department of finance of Hebei province，Shijiazhuang，050051)

Virtual machine live migration can be a virtual machine migration in the operating state to another physical machine can be used for server resource integration, load balancing, energy saving and physical routine maintenance applications. However, the current virtual machine live migration can only reach a human migration, and automated migration can not be achieved. When a virtual machine can have fewer manual operations, but the scale of today's data centers often have thousands of first million servers, when there are dozens or even hundreds of high load occurs, obviously artificial migration efficiency is very low, and there isIt may delay the timing of migration caused by some servers for a long time overload even downtime. Heavy load for the server presents a hotspot automatic migration program.

Xen; Virtualization; Resource integration; Automatic migration

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.08.007

TN92文獻標示碼：B

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.08.0026-03