面向云計(jì)算的虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)研究

摘要：以虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化作為研究的主要目標(biāo)，對現(xiàn)有的虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移框架進(jìn)行解析，改進(jìn)動(dòng)態(tài)遷移機(jī)制和遷移算法，提出預(yù)測概率算法和內(nèi)存壓縮算法。通過實(shí)驗(yàn)與比較分析，證明該改進(jìn)框架和算法在虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移上減少了數(shù)據(jù)傳輸量，縮短宕機(jī)時(shí)間，提高了虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移性能。

關(guān)鍵詞：虛擬機(jī)；動(dòng)態(tài)遷移；遷移時(shí)間；改進(jìn)算法

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1概述

隨著科技的發(fā)展，云計(jì)算的出現(xiàn)給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提出了全新的概念。云計(jì)算通過網(wǎng)絡(luò)將各種動(dòng)態(tài)資源分布在大量的計(jì)算機(jī)上，包括計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源等，用戶可按照需求獲取相應(yīng)的服務(wù)信息[1]。虛擬化技術(shù)為云計(jì)算提供了更有效的資源分配，虛擬化方法是把各種應(yīng)用程序運(yùn)行在虛擬機(jī)中，以按需分配的方式提供給用戶使用，而一臺(tái)或多臺(tái)虛擬機(jī)則被分配到物理服務(wù)器上，各虛擬機(jī)間相互獨(dú)立，當(dāng)某臺(tái)虛擬機(jī)出現(xiàn)故障或遭受攻擊不會(huì)影響到其他虛擬機(jī)正常運(yùn)行。虛擬化技術(shù)可以為云計(jì)算合理的分配資源，有效的提高資源利用率，最終減少投資運(yùn)營成本。然而，在數(shù)據(jù)中心，部署在虛擬機(jī)上應(yīng)用程序的訪問量會(huì)不斷的發(fā)生變化，從而使得物理服務(wù)器的負(fù)載發(fā)生變化，為了均衡服務(wù)器上的工作負(fù)載，可以使用虛擬機(jī)的動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)[2]。

虛擬機(jī)的動(dòng)態(tài)遷移是指將正在運(yùn)行的虛擬機(jī)從一臺(tái)服務(wù)器遷移到另一臺(tái)服務(wù)器上。遷移過程中要確保應(yīng)用程序能正常運(yùn)行，不中斷為用戶提供服務(wù)。虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)，可以用在服務(wù)器故障需要停機(jī)時(shí)，服務(wù)器負(fù)載過重時(shí)及調(diào)整硬件利用率，從而有效管理數(shù)據(jù)中心的資源，提高系統(tǒng)整體性能[3]。

2虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)

虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移主要包括：CPU的狀態(tài)、I/O設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲(chǔ)以及內(nèi)存等，只有這樣才能保證遷移后的虛擬機(jī)能正常運(yùn)行[5]。網(wǎng)絡(luò)資源包括IP地址以及協(xié)議狀態(tài)，存儲(chǔ)遷移主要包括鏡像文件及其他必要的文件，在局域網(wǎng)中可以使用共享服務(wù)。在虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移中，CPU、I/O狀態(tài)的數(shù)據(jù)量非常小，而且便于封裝以及遷移。在整個(gè)遷移過程中，內(nèi)存的內(nèi)容會(huì)不斷地被續(xù)寫，而且內(nèi)存的性能對虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移的總遷移和停機(jī)時(shí)間有很大的影響，所以內(nèi)存遷移是動(dòng)態(tài)遷移中最復(fù)雜也是最重要的部分[6]。下面以Xen為例，著重從內(nèi)存遷移的角度分析虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移的過程，包括以下4個(gè)基本模塊。如圖1所示：

圖1傳統(tǒng)的遷移機(jī)制圖

計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化2016年3月

第35卷第1期張亞昕：面向云計(jì)算的虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)研究

1）監(jiān)聽遷移模塊：該模塊依據(jù)負(fù)載均衡的原則，開啟負(fù)責(zé)遷移的虛擬機(jī)，尋找遷移的目標(biāo)域并發(fā)出遷移請求，詢問目標(biāo)虛擬機(jī)能否滿足資源需求，若滿足，則預(yù)定這些資源；若不滿足，不觸發(fā)遷移，繼續(xù)尋找其他主機(jī)作為目標(biāo)主機(jī)。

2）遷移執(zhí)行模塊：該模塊負(fù)責(zé)遷移的具體實(shí)施，直接影響到整個(gè)內(nèi)存遷移的總遷移時(shí)間和宕機(jī)時(shí)間[7]。在收到監(jiān)聽模塊發(fā)來的內(nèi)存遷移信號后，遷移執(zhí)行模塊開始收集遷移域及其他相關(guān)域的狀態(tài)信息，并封裝收集到的信息；發(fā)送凍結(jié)信號給凍結(jié)模塊；接下來，遷移執(zhí)行模塊在保持虛擬機(jī)運(yùn)行的同時(shí)傳輸內(nèi)存頁到目的主機(jī)。內(nèi)存頁進(jìn)行有限次的迭代拷貝，直到滿足退出迭代拷貝的條件，停止拷貝[8][9]。

3）凍結(jié)模塊：凍結(jié)模塊會(huì)凍結(jié)源虛擬機(jī)，這時(shí)虛擬機(jī)停止運(yùn)行，內(nèi)存不再更新，并傳送上一次傳送中產(chǎn)生的臟頁和剩下的內(nèi)存頁到目標(biāo)主機(jī)上，同時(shí)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)資源和CPU狀態(tài)信息給目的主機(jī)，這段時(shí)間稱為“宕機(jī)時(shí)間”。

4）目標(biāo)域喚醒模塊：遷移模塊向目標(biāo)域喚醒模塊發(fā)出“喚醒”信號，喚醒目標(biāo)域，目的域和遷移域服務(wù)一致，新虛擬機(jī)建立。

3動(dòng)態(tài)遷移優(yōu)化算法

根據(jù)上文的研究可知，遷移執(zhí)行模塊在傳送內(nèi)存頁時(shí)，臟頁率高的內(nèi)存很可能再次傳送，并且在后面迭代拷貝過程中，臟頁可能被再次修改，，這樣會(huì)增加總的傳送數(shù)據(jù)量，總遷移時(shí)間變長。因此，為了提高虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移的性能，關(guān)鍵是更準(zhǔn)確的測定工作集，減少宕機(jī)時(shí)間，在原來的遷移執(zhí)行模塊中增加預(yù)測概率模塊和內(nèi)存壓縮模塊，并提出兩個(gè)優(yōu)化算法：預(yù)測概率算法和內(nèi)存壓縮算法。

3.1預(yù)測概率算法

預(yù)測概率算法使用了Markov預(yù)測模型，該模型首先收集所有內(nèi)存頁到目前為止最近N次的修改信息并況保存起來，然后利用收集到的這N次信息預(yù)測本次傳送后又變臟的概率。該算法在預(yù)測概率的過程中考慮了臟頁的變化情況，在標(biāo)記內(nèi)存頁變化情況優(yōu)原來的兩個(gè)狀態(tài)位，修改為三個(gè)狀態(tài)位，提高了預(yù)測的準(zhǔn)確度。并依據(jù)之前對內(nèi)存頁的監(jiān)測情況來確定第1次迭代傳輸?shù)膬?nèi)存頁，減少了臟頁的反復(fù)傳送的次數(shù)，同時(shí)節(jié)省了總傳輸時(shí)間。

本文采用貝葉斯條件概率預(yù)測臟頁又變臟的概率。假設(shè)N1表示內(nèi)存頁沒有被讀、寫，N2表示內(nèi)存頁被修改，N3表示內(nèi)存頁只讀。

（1）狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣：假定內(nèi)存頁有k個(gè)可能的狀態(tài)，即N1，N2……Nk，這里假設(shè)k=3，內(nèi)存頁狀態(tài)由Ni變?yōu)镹j的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率由qij表示。

q=q11q12…q1k

q21q22…q2k

qk1qk2…qkk（1）

（2）狀態(tài)概率：狀態(tài)概率表示內(nèi)存頁的狀態(tài)轉(zhuǎn)移n次后變?yōu)闋顟B(tài)Nj的概率，即：

∑nj=1πj（d）=1（2）

根據(jù)貝葉斯的條件概率公式，得到：

πj（d）=∑ni=1πj（d-1）qij，其中j=1，2，…，k（3）

設(shè)行向量π（k）=[π1（d），π2（d），…，πk（d）]，初始狀態(tài)行向量為π（0）=[0，1，1]，

由公式（3）得到概率狀態(tài)遞推公式：

π（1）=π（0）q

π（2）=π（1）q=π（0）q2

π（k）=π（k-1）=π（0）qk（4）

3.2內(nèi)存壓縮算法endprint

內(nèi)存壓縮算法：在傳統(tǒng)虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移策略中，一般采用氣球驅(qū)動(dòng)程序動(dòng)態(tài)調(diào)整虛擬機(jī)上運(yùn)行的內(nèi)存。本算法先利用Ballon驅(qū)動(dòng)程序動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存，再在系統(tǒng)的存儲(chǔ)層加入一層—內(nèi)存壓縮層。該壓縮層把要遷移的內(nèi)存以壓縮頁的形式存放起來，遷移到目標(biāo)機(jī)上。這樣可以減少傳送的數(shù)據(jù)量，縮短總傳送時(shí)間。該系統(tǒng)是由一個(gè)可裝卸的驅(qū)動(dòng)程序組成，便于在不同系統(tǒng)之間遷移，主要包括內(nèi)存壓縮管理模塊、壓縮算法模塊、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序三個(gè)模塊。

內(nèi)存壓縮管理模塊是將塊設(shè)備作為一個(gè)交換設(shè)備首先在內(nèi)存中為塊設(shè)備劃出一定大小的空間，壓縮要遷移的內(nèi)存頁，然后以壓縮的形式存儲(chǔ)這些內(nèi)存頁。為了有效的管理壓縮后的內(nèi)存頁，本文采用LinkFit方法，即將壓縮后的每一個(gè)邏輯頁內(nèi)存頁存儲(chǔ)在稱為cell的基本分配塊中。這些邏輯頁在內(nèi)存中可以不是連續(xù)的，通過指針鏈接構(gòu)成一個(gè)完整的邏輯體。壓縮算法模塊：本壓縮算法采用的是Lempel一Ziv壓縮算法，該算法在壓縮文件中用數(shù)字代替字符，非常適合應(yīng)用在重復(fù)率高的文件中進(jìn)行壓縮。塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要依靠如下幾個(gè)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，intzipmem_init（void）的功能是向系統(tǒng)注冊zipmem設(shè)備，進(jìn)行設(shè)備初始化；intzipmem_cleanuP（void）的功能是卸載設(shè)備zipmem設(shè)備，并清除信息；intzipmem_make_request是請求函數(shù)，主要是完成設(shè)備的讀寫工作。具體實(shí)現(xiàn)的流程如圖2所示：

4實(shí)驗(yàn)環(huán)境與結(jié)果分析

4.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境的穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確，本文構(gòu)建構(gòu)建了一個(gè)同構(gòu)的局域網(wǎng)作為測試環(huán)境。實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置表如表1所示：

4.2預(yù)測概率算法測試與分析

將預(yù)測概率算法編譯進(jìn)Xen源代碼中，在空負(fù)載的情況下，分別測試在低臟頁率和高臟頁率兩個(gè)環(huán)境下源算法和預(yù)測概率算法的遷移性能。把Domain中的遷移內(nèi)存分別設(shè)置為256MB，512MB和1024MB，并記錄每次遷移的數(shù)據(jù)，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)取代次數(shù)、宕機(jī)時(shí)間和遷移時(shí)間的平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2和3所示：

由表2看出，在低臟頁率的環(huán)境下，遷移迭代次數(shù)較少，沒有達(dá)到最大迭代次數(shù)30次，分配的內(nèi)存空間對宕機(jī)時(shí)間影響不大，即預(yù)測概率算法對內(nèi)存遷移的優(yōu)化作用不明顯。由表3可看出，在高臟頁率的環(huán)境下，迭代次數(shù)增加很多，原算法超過最大迭代次數(shù)30次而退出拷貝，預(yù)測概率算法對迭代次數(shù)略有控制，但在總遷移時(shí)間和宕機(jī)時(shí)間上明顯減少，提高遷移性能，達(dá)到優(yōu)化遷移的目的。

4.3內(nèi)存壓縮算法測試與分析

本實(shí)驗(yàn)預(yù)先設(shè)置虛擬機(jī)遷移內(nèi)存為1024MB，在高臟頁率環(huán)境并有負(fù)載的環(huán)境下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)測試加入預(yù)測概率算法和內(nèi)存壓縮算法的遷移性能。

如圖3所示：在遷移傳輸過程中，總遷移頁數(shù)越多，遷移所產(chǎn)生的臟頁就越多，而臟頁會(huì)影響遷移中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。預(yù)測概率算法和內(nèi)存壓縮算法的相互配合，使遷移時(shí)的總發(fā)送頁數(shù)和遷移過程中產(chǎn)生的臟頁數(shù)明顯減少，降低了對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的影響，縮短了傳送內(nèi)存頁的總時(shí)間和停機(jī)的時(shí)間，有效提高了內(nèi)存遷移的性能。

圖3（a）改進(jìn)前后總

圖3（b）改進(jìn)前后產(chǎn)生臟頁對比

5結(jié)論

本文將虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化作為研究的主要目標(biāo)，對Xen的動(dòng)態(tài)遷移框架進(jìn)行了解析，并提出預(yù)測概率算法和內(nèi)存壓縮算法。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)建了虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移所需的基本環(huán)境，通過修改動(dòng)態(tài)遷移虛擬機(jī)中內(nèi)存變量，分別測試在低臟頁率和高臟頁率兩個(gè)環(huán)境下動(dòng)態(tài)遷移性能。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論：預(yù)測概率算法在臟頁率高的情況下遷移消耗時(shí)間和宕機(jī)時(shí)間明顯減少。然后在虛擬機(jī)內(nèi)存為1O24MB時(shí)，在使用概率預(yù)測算法的基礎(chǔ)上，加上壓縮內(nèi)存算法，通過對比動(dòng)態(tài)遷移性能得出內(nèi)存壓縮算法減少了數(shù)據(jù)傳輸量，縮短宕機(jī)時(shí)間，提高了虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移性能。

參考文獻(xiàn)

[1]HUANGDW，YEDS，HEQM，CHENJH，YEK.ABenchmarkforLiveMigrationofVirtualMachine[C].Proceedingsofthe2ndJointWOSP/SIPEWInternationalConferenceonPerformanceEngineering，NewYork，2011：307-316.

[2]MAURYAK，SINHAR.EnergyConsciousDynamicProvisioningofVirtualMachinesusingAdaptiveMigrationThresholdsinCloudDataCenter[J].2013：34-36.

[3]張璞.基于Xen的虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移策略研究[D].沈陽：遼寧大學(xué)碩士論文，2013：34-39.

[4]懷進(jìn)鵬，李泌，胡春明.基于虛擬機(jī)的虛擬計(jì)算環(huán)境研究與設(shè)計(jì)[J].軟件學(xué)報(bào)，2007，18（8）：2016-2026.

[5]OSTL，VARYANIS，INDRUSIAKLS，etal.EnablingAdaptiveTechniquesinHeterogeneousMPSoCsBasedonVirtualization[J].ACMTransactionsonReconfigurableTechnologyandSystems（TRETS），2012，5（3）：17-21.

[6]陸勇.云計(jì)算與分布式并行處理以及網(wǎng)格布式、并行處理以及網(wǎng)格計(jì)算的關(guān)系山[J].中國媒體技術(shù)，2010（3）：45-46

[7]馮振.基于LZW的數(shù)據(jù)壓縮硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].荊州：長江大學(xué)碩士論文，2013：23-26.

[8]MISHRAM，DASA，KULKARNIP，SAHOOA.DynamicResourceManagementUsingVirtualMachineMigrations[J].CommunicationsMagazine，IEEE，2012，50（90）：34-40.

[9]楊旌.服務(wù)云計(jì)算的虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2011，28（7）：6876-6879.

第35卷第1期2016年3月計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化ComputingTechnologyandAutomationVol35，No1Mar.2016第35卷第1期2016年3月計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化ComputingTechnologyandAutomationVol35，No1Mar.2016endprint