云計算數據中心節能安全的虛擬機實時遷移

王國珍

云計算數據一般采用集中管理，而虛擬機遷移的數量過多，造成不能擴展到大規模的問題。為此提出一種節能的虛擬機管理方式——分布式管理，分布式管理分為本地管理和全局管理，本地管理負責數據中心的各個節點，通過設置最低限制與最高限制決定虛擬機的遷移量，全部管理負責將虛擬機遷移至最小能耗的節點上。

【關鍵詞】云計算 節能 虛擬機 本地管理 實時遷移

計算虛擬化是創造一個虛擬的網絡系統。如一個硬件平臺、一個操作系統、一個存儲設備或者一個網絡資源。虛擬化是IT企業總體趨勢的一部分。IT企業總體趨勢還包括自動計算、在IT環境將能夠管理自己基于知覺活動的一個場景。隨著虛擬化技術的快速發展，大多數數據中心都采用了云計算理念來設計新一代的數據中心框架。這項技術所帶來的好處包括，提高資源利用率，降低運營成本和簡化服務器管理。服務器整合和虛擬機實時遷移也可以用來實現負載均衡和節能。虛擬化是已廣泛應用于現代數據中心的云計算來實現服務器節能行動的創新。服務器整合實現了能源利用效率，使操作系統的多個實例同時運行在一臺機器。隨著虛擬化，它可能通過虛擬機實時遷移來穩固服務器負載程度。然而，虛擬機遷移又帶來額外的能源消耗問題。

1 相關知識

1.1 基礎設施服務（IaaS）

當前有許多云服務提供不同的軟件服務，在底層可以提供客戶訪問服務商控制的整體虛擬機，客戶想要運行軟件，只能以系統客戶配上虛擬機在高層級才能在線運行，不要需要客戶去操作；但是高層級的軟件無法保證計算機的保密性，因為服務本身操作的是客戶本身的數據。

如圖1所示，以Eucalyptus為例，系統包含一個或多個運行客戶虛擬機的鏡像節點，最為典型的是Xen，而Eucalyptus擁有一系列的操作方式來管理這些。

從客戶角度看，Eucalyptus是一個服務接口，是一個可執行、可管理的服務接口，虛擬機鏡像VMI運行VM，而CM負載VMI。

1.2 攻擊模型

云服務商的系統管理員擁有控制后臺的權限，可以實施多種攻擊來訪問客戶虛擬機內存。IaaS不會允許某人擁有全部權限，而且也部署了嚴格的安全措施，嚴格訪問權限策略，保護硬件的物理安全。可以認為服務商能夠阻止對機械物理訪問的攻擊，但系統管理員還是需要將內部機器的訪問權限用來管理機器運行的軟件。因此TCCP必須做到以下兩點：

（1）確保虛擬機在安全保護的情況下運行；

（2）在任何時候，擁有權限的系統管理員遠程登錄運行虛擬機的機器，都不能訪問虛擬機的內存。

1.3 可信賴計算

可信賴計算（TCC）提出了利用一系列的軟硬件技術來構建可信賴平臺，而且給出了可信賴平臺模塊（TPM）集成的設計標準。TPM支持私鑰（EK）并將此作為身份識別的唯一標準，還支持一些不可修改的加密手段，不同廠商的設備使用不同的公鑰識別集成模塊。

可信賴平臺改進了TPM集成的特點，使他能夠遠程識別。在啟動時，主機計算一個由啟動軟件序列哈希值組成的測定列表ML、啟動軟件（BIOS）、啟動項、啟動軟件執行平臺等。ML安全載入主機TPM，遠程的一方利用當前運行在主機中的平臺，平臺調用TPM生成包含ML的應答信息，并用TPM的私鑰加密，主機將信息反饋給遠程方，遠程方利用對應的EK公鑰解密，這樣就完成了對主機的認證。

2 虛擬機實時遷移研究內容

2.1 創新關鍵技術點

根據本項目，主要采用新一代分布式虛擬化技術以及著重考慮數據存儲安全問題，利用基于分布式安全存儲技術，建立安全、高效、節能的存儲系統必須要在數據的冗余性、實時性上加大力度，但往往數據的安全和可靠性與系統的易用性存在矛盾。而本轉化項目通過建立新型的體系結構和新技術，將數據的可靠、安全、節能等等因素綜合考慮進去，在基于分布式存儲網絡的數據免災服務中，增加了以IDA算法為核心的存儲結構體系，顛覆了傳統業務中存儲方式。本項目所采用的一系列技術做到了國內領先、國際先進。

2.2 創新技術匹配點

基于分布式存儲網絡的數據免災服務，是NGDC整個體系結構中第一個試水的項目，在存儲體系結構的基礎上，增加了數據在線備份功能，實現了由技術到應用的轉化，從而驗證了此分布式存儲體系系統的實際價值。存儲的可靠性與效率的矛盾、經濟性與冗余效果的矛盾、業務系統與編碼計算的資源競爭、數據備份與業務系統的爭用、跨網絡的存儲與IO的不匹配性。

3 云服務平臺IaaS

基于存儲平臺從硬件、系統與管理、產品特性等多個層次支持所提供服務的安全、高效與可靠性。通過在實際運營中不斷的改進平臺功能和性能， CloudEx 云平臺已經成為國內成熟商用的IaaS云服務平臺，其先進、安全特性如下：

3.1 彈性伸縮

跨數據中心的虛擬化管理系統將分布在多個數據中心的服務器、存儲和網絡等資源統一虛擬化為相應的資源池。通過峰值復用、共享存儲、帶寬復用大大提高了服務器、存儲和帶寬等資源的利用率。

3.2 快速部署

（1）幾分鐘即可交付一臺可以直接使用的云主機，包括應用布署；

（2）按使用量計費；

（3）不論是計算資源、存儲資源還是帶寬資源，彈性云計算都支持按需使用、按所需付費。

3.3 本地永久存儲

（1）云主機內置本地永久存儲硬盤空間；

（2）對云主機的停機、重起操作不會影響你在云主機運行時保存的數據。

3.4 廣泛的網絡訪問

平臺由分布在全國的數十個IDC中的服務域（CSZ：Cloud Service Zone）所構成，每個CSZ的網絡接入帶寬都可以超過10Gbps，整合起來就可以提供海量的網絡接入帶寬，支持全網范圍內的、廣泛的網絡訪問需求。CloudEx 云平臺提供高性能的Web接入能力，單臺Web服務器支持的并發連接超過20000連接/秒，并且可以隨時進行線性擴展，提供應用層面的海量服務接入能力。endprint

3.5 虛擬化資源池管理

CloudEx云平臺在開源Xen虛擬化管理技術的基礎上，增加智能化、分布式、集中化的業務受理、工單派發、動態設備及網絡拓撲發現、自動配置、實時監控、可視化管理的高級功能。

4 實時遷移技術

實時遷移，就是保證1個或者N個虛擬機運行的同時互不干擾，將一臺計算機（假設為1號）的數據遷移到另一臺計算機（假設為2號）之中，并將計算機恢復運行的技術。利用這種技術，可以實現服務器在線維護、升級及動態負載均衡。

5 虛擬機實時遷移的設計思想

由于實時遷移主要針對集群式服務器所開發出來的，這種環境下主要分內存、網絡和存儲資源遷移三個階段。

5.1 內存的遷移

內存的遷移是虛擬機遷移最復雜的區域，一個完整的內存遷移需要進行三個部分來進行：

（1）push階段。在虛擬機運行的同時，將它的一些內存的頁面通過網絡拷貝至機器上，為保證內容中的數據一致，被修改的網頁需要重新上傳。

（2）Stop-and-copy階段。虛擬機在停止工作時，需要將剩下的頁面拷貝到另外一臺計算機上，然后在新的計算機上重新運行虛擬機。

（3）Pull階段。新的虛擬機在運行過程中，如果訪問到已拷貝的頁面，就會出現頁面錯誤，從而需要將原來機器上的數據重新拷貝過來，再進行運行。

實際上，遷移內存時，沒必要進行上述三個階段，以目前的大部分遷移策略只包含一個或者兩個階段。

Xen采用Push和stop-and-copy階段結合而成的方案，又稱作為預拷貝（Per-copy）的方法。在Push階段需要將內存以迭代的方式一次一次拷貝進另外一臺計算機內，第一次拷貝所有的頁，第二次只拷貝那些錯誤之后被修改過的頁，依此類推，在N次拷貝的是N-1次拷貝過程中被修改的頁。當錯誤頁的數目達到一定程度時，預拷貝Push階段就即將結束，進入stop-and-copy階段，在這一階段再次把剩下的錯誤頁以運行的狀態之下的信息拷貝過去，這種方法是和上個階段相結合，平衡了停機時間和總遷移時間之間的矛盾，是一種較為理想動態遷移方式。但是對于那種修改比較頻繁的頁，需要反復重新傳送，尤其是修改頁較多時，遷移的總性能將會降低。為了保證遷移的效率和總性能的平衡，需要運用算法測定，防止反復傳送相同的頁。

5.2 網絡的遷移

虛擬機這種系統的封裝方式意味著虛擬機在遷移時包括了所有的網絡設置，包括協議在內以及IP地址也會隨之遷移。在局域網中，可以發送ARP的方式將虛擬機的IP地址和另外一臺機器的MAC地址相綁定，之后將所有包裝好的發送至機器上。

6 云計算虛擬機分布式管理

6.1 分布式管理結構

分布式管理包括本地管理和全局管理兩種方式，分布式管理結構如圖2所示。

CPU的利用率和服務器的總電量的消耗是有聯系的，隨著CPU的利用率從閑置的狀態升高至負載，服務器電源消耗的量也在成倍升高，CPU的利用率是隨著工作負載而變化，所以CPU利用率相當于一個時間函數u（t），一段時間內總能源消耗E可以定義為

，可以清楚的看出能源消耗是隨著CPU的利用率而改變的。

本地管理持續監控節點CPU的利用率，并在運行虛擬機監控器的節點獲取各個虛擬機的信息，主要目的是根據對資源的需求將虛擬機的大小進行調整，決定某個時候的虛擬機將某些虛擬機從該節點遷移出去。全局管理只有一個節點，收集那些來自本地管理的節點信息，并在最佳之處的節點接收需要遷移的虛擬機。將使用各種不同的管理方法統一到一起管理，分布式管理的主要目的是將任務發布至各個本地管理之中，而全局管理只負責收集信息并進行決策。

為了提高節點CPU的利用率，系統設置一個最低值。當節點的CPU利用率低于設置的最低值時，系統就會先將節點上的虛擬機全部遷移出去之后再關閉所有的節點，以此達到節能的效果。為了提高系統的服務質量，系統還會設置一個高門限值。這是因為CPU的利用率過高時，那么該節點的部分虛擬機將因爭奪資源而降低了對客戶服務的質量。當節點的CPU利用率大于設置的高門限值時，系統將該節點的一個或者多個虛擬機進行遷移，從而降低CPU的利用率。

6.2 分布式管理對策

集中管理的方式是在管理中對數據中心的虛擬機采用實時優化，它的目的是保證每時每刻的虛擬機配置是最好的。因此，采用統一管理的方法后數據將會產生大量虛擬機遷移，同時也增加了電源消耗。

在分布式管理過程中沒有采用實時優化，而是通過分布在節點上的本地管理對CPU利用率進行監控。如果節點的CPU利用率在設置的高門限值和低門限值之間，那么虛擬機就不會發生遷移的狀態。如果某個節點異常時，也就是該節點的CPU利用率大于高門限值或者小于低門限值，系統將會做出兩種反應：第一，從出現異常處選出虛擬機進行遷移；第二，選取其他節點接收從第一種反應中選出的虛擬機，從下面兩個方面進行選擇：

（1）虛擬機。一旦虛擬機監控找到異常，本地管理就在出現異常的節點處選擇虛擬機進行遷移后消除，通常會有一個或者多個虛擬機出現異常然后被遷移出去。出現異常的節點CPU利用率過高的情況，那么本地管理需要遷移一個或者多個虛擬機。為了減少遷移的次數，本地管理可以將所有虛擬機的目前CPU利用率進行排列，然后選取CPU利用率最大的一個進行遷移。在遷移之后，該節點的CPU利用率還是過高，將會自己遷移CPU利用率排序次之的某個虛擬機直到該虛擬機的異常情況消除為止。

如果在某個節點的CPU出現利用率過低，那情況就會變得簡單。本地管理將所有節點上的虛擬機遷移到其他節點上并關閉之前的節點，以達到節能的效果。

（2）節點的選擇。當虛擬機選擇結束時，全局管理就會選擇節點來接收需要遷移的虛擬機。全局管理首先對所有節點進行預判，看接收該虛擬機后是否會出現異常節點的情況。如果沒有滿足該條件，則不遷移。如果存在滿足這樣的條件，那么全局管理首先對滿足條件的所有節點進行電源消耗評估，既計算這些節點在接收虛擬機之前與之后的電源消耗差，然后從中選出最小電源消耗的節點，并將虛擬機遷移到該節點之上。

7 結束語

計算虛擬化是創造一個虛擬的網絡系統。猶如一個硬件平臺、一個操作系統或者一個網絡資源。隨著虛擬化技術的發展，大多數數據中心都采用云計算思想來設計現代化數據中心框架。這項技術的到來，通過虛擬機實時遷移能夠實現在負載的情況下節能的效果，使虛擬機在云計算數據平臺中得到合理的運用。

參看文獻

[1]王政.節能型虛擬機部署和遷移算法研究與實現[D].江蘇大學，2015.

[2]石帥.云計算環境下的虛擬機節能調度算法研究[D].哈爾濱工業大學，2014.

[3]王桂平.云環境下面向可信的虛擬機異常檢測關鍵技術研究[D].重慶大學，2015.

作者單位

北京世紀互聯寬帶數據中心有限公司 北京市 100015endprint