云主機秒級可用技術的設計與實現

趙旭彤 賈京峰 李志明

【摘 要】基于云計算平臺基礎架構，設計并實現了一種新型創建云主機功能流程。論文從傳統云平臺創建虛擬機的功能流程開始，設計并研發創新性功能流程，以達到云主機秒級可用的目標。通過此技術的引進，將大大減少云主機創建等待時間，提升云平臺的服務體驗。

【Abstract】Based on the infrastructure of the cloud computing platform， a new type of function flow for creating cloud host is designed and implemented. The paper starts with the function flow of creating virtual machines in the traditional cloud platform， and designs and develops innovative function flow， so as to achieve the target of the subsecond available of cloud hosts. Through the introduction of this technology， the waiting time of creating the cloud host will be greatly reduced， and the service experience of the cloud platform will be improved.

【關鍵詞】云主機；秒級啟動；虛機機 ；模板

【Keywords】cloud host； subsecond start； virtual machine； template

【中圖分類號】TP393 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）05-0123-02

1 引言

云計算平臺中，管理員或用戶在配置、創建云主機后，系統還需要通過配置引導啟動創建的云主機，此階段對用戶來說，云主機實際上是處于不可用階段。此節點一般情況下，Linux系統為20s以上，Windows系統則更久，有時甚至超過1min。如何有效減少此不可用階段的時間，提升云主機的使用友好性，是云計算平臺的一大難題。

2 結構設計和功能實現

2.1 云主機典型創建流程

在基于Openstack的IaaS云平臺中[1]，創建云主機的一般過程如下：①用戶從自服務Web界面進行配置，并確定創建云主機；②服務器端控制臺接收用戶創建信令消息，調用計算節點 API創建虛機；③計算節點Nove接受API調用，并進行認證等相關輔助流程，確認調用可信后調用Libvrit API進行處理；④Libvrit 調用QEMU，QEMU跟進用戶的資源配置要求，準備調用網絡存儲等相關資源創建虛機，同時QEMU返回云主機創建中的消息，通過逐層通知，告知用戶云主機創建中；⑤QEMU開始進入虛機創建階段，準備網絡存儲等資源，進入虛機Bootloader，啟動虛機，重啟系統和服務，直到交付給用戶最終可用的云主機。

我們定義，從第一步到第四步之間消耗的時間段，為T1；第五步消耗的時間段，為T2。在整個流程中，T1一般耗時少于1min；但對T2，虛擬機在創建后，進入虛機啟動階段，通常Linux系統需要耗費10s以上，Windows則更久，有時候甚至超過1min。

T1加T2是用戶從創建到可用的總時間，而控制臺返回的往往是T1時間，只是告訴用戶，機器已經激活，但實際上云主機還處于不可用狀態，指導T2結束，用戶才可以進入云主機的登錄界面。提升用戶服務體驗最有效的方式，就是如何減少T2階段所消耗的時間。

2.2 秒級可用技術設計

云主機秒級可用技術使用以下技術細節，減少T2階段所耗時間： ①創新性定制化虛擬化軟件，技術革新支持統一內存快照加速，加速虛機啟動；②云主機內存和CPU熱升級技術，用于將虛機升級或降級至用戶配置；③QGA技術用于用客戶化定制服務以及功能。

基于以上核心技術點，可以成功將云主機創建時的啟動時間從20s以上，縮短至1～3S左右。秒級可用技術詳細架構功能流程，說明如下：①用戶從自服務Web界面進行配置，并確定創建云主機；②計算節點Nova創建磁盤，此時使用定制化研發的統一內存快照加速技術，拉取系統集成鏡像，創建磁盤快照，并拉取此磁盤快照對應的虛擬機的配置、狀態信息；③Libvrit 基于磁盤快照啟動虛機，進入云主機創建流程；④檢查內存中是否有特定的可用虛擬機模板，有則直接使用，沒有則啟動一個虛擬機模板；⑤通過第二步的虛擬機配置、狀態信息，對比用戶待創建云主機的配置規格，逐項熱升級到用戶指定的云主機配置規格；⑥更改虛擬機的狀態信息，如網絡地址、用戶名密碼信息等，完成云主機的創建過程。

秒級可用技術，規避了OS的啟動過程，通過對比云主機配置與系統內虛機實例模板的配置、狀態信息，逐項更新的方式，大大減少了云主機的整體創建時間，快速地為用戶提供一個可用的云主機，用戶點擊完創建與開通云主機后，幾乎無須等待即可使用，提升了用戶云主機服務體驗。

2.3 關鍵技術：CPU與內存熱升級

在現有大多數的IaaS云平臺上，云主機的CPU和內存熱升級，要經歷關機再開機的配置生效過程。時間一般以分鐘來計，而且這個過程中應用程序和業務會經歷中斷。如果是高可用架構，在業務集群中一般采用逐臺升級的方式來避免業務影響，但也會需要大量的運維操作。

現有業務經常出現客戶不希望中斷業務，實現虛擬機的CPU資源的動態升級。因此需要在虛擬機運行狀態實現CPU和內存業務完美融合。為了更好地應對不同的業務需求，在設計時我們將CPU和內存的熱升級做成兩個獨立的選擇，保證云主機秒級可用技術，或者用戶在單項資源不足時，可以靈活地調整資源配置，而不是非要固定地選擇某一種類型。

第一，CPU熱升級技術。CPU熱升級使用的是max 和current調整CPU，我們現有這種方法基本是仿效Ovirt的CPU熱升級的設計。

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通過提升current sockets值完成CPU的熱升級。

第二，內存熱升級技術。業內現有技術實現內存的熱升級，使用的是memory ballooning。 Memory ballooning這種技術相比對操作系統和物理機要求較高，需要虛擬機和物理機一起合作完成。

內存熱升級技術：Hotplug 內存熱插拔，這是一個確定的發展方向，降低了內存的占用。內存相當于一個獨立的設備掛載給虛擬機，方便升降適應性更好。Hotplug可以動態地增加或減少虛擬機系統中可用的內存數量。可以支持更多的操作系統和固件，這種垂直縱向的擴大和縮小可以很好地滿足業務場景的需求。

第三，關鍵技術點實現機制。在控制層，調度層和計算服務層增加CPU和內存熱升級相應的邏輯，在成功添加CPU和內存后將其信息推送到持久化層，保證業務數據統一。我們從兩個方面進行了技術更新，一方面是，業務接口調整內容如下：①增加CPU熱添加接口；②自動更新VM的Flovar 中的配置；③增加新的接口動態添加內存 ；④熱添加的內存持久化到數據庫；⑤硬重啟虛擬機后讀取之前的信息并加回；⑥增加動態刪除內存接口；⑦增加關機狀態下清理內存接口。另一方面是，虛擬機模板調整：虛擬機內不同的系統對于添加的CPU和內存的策略。我們的定制模板為方便用戶，自動激活熱掛載的CPU和內存。

2.4 技術亮點

使用云主機秒級可用技術后，IaaS云平臺有以下優勢與亮點：①減少用戶等待時間：用戶從之前的T1 + T2的時間大大縮短到秒級，大大提高用戶體驗，實現真正的創建即使用。②對后端鏡像存儲沒有限制：后端鏡像存儲，可選用Ceph或者其他解決方案。特別的，對于Ceph有特別優化，性能可用性支持更好。③支持所有鏡像：對于所有系統鏡像均可以使用，免去鏡像困擾。④節約用戶成本：計費時用戶創建時即開始，運用此技術可以降低用戶對于系統啟動時間的花費。

3 實驗驗證

通過一個實驗，將能夠明顯地感受到云主機秒級可用技術的有效性。本次實驗環境為：①系統：CentOS7.2；②內核版本：3.10.327；③OpenStack版本：Mitaka版；④Libvrit 版本： 定制化發行版V2.0；⑤QEMU版本：定制化發行版V2.3；⑥CPU： Intel Xeon 2056 V3；⑦內存： 128G；

本次測試云主機配置為：4核8G，300G磁盤，OS為CentOS7.2。目標是測試開啟和不開啟云主機秒級可用技術下，T1+T2的總耗時對比。

測試結果顯示，未開啟云主機秒級可用技術，T1+T2總耗時為30.8秒；開啟云主機秒級可用技術后，T1+T2總耗時為3.1秒。可以明顯看到開啟云主機秒級可用技術后帶來的效果。

4 結語

使用云主機秒級可用技術，相對于傳統方法[2]，可以大大提高了用戶的體驗，與此同時，使用此功能后可以做到：①減少用戶等待時間，讓用戶更快速地部署系統，甚至如果用戶已經在鏡像中部署好服務，那用戶創建云主機后數秒即可提供相關服務。②減少用戶成本，云主機的計費方式主要按照資源使用量以及時間計費，無用時間的下架勢必減少用戶成本，在大批量創建的時候尤為明顯。

云主機創建開通后即可使用，本技術能夠滿足在系統部署時希望快速登入系統的用戶，尤其是自動化開通，自動化部署服務的用戶。隨著強勁的業務與服務的快速交付要求，以及CICD應用部署的普及，云主機秒級可用技術將得到極大的應用，產生極高的價值。

【參考文獻】

【1】李志軍，孔朋朋，雷振伍.基于OpenStack的私有云平臺設計[J]，微型機與應用，2016，35 （9） ：24-26.

【2】吳聯盟.開源云管理平臺OpenStack中虛擬機部署機制的研究與優化[D].北京：北京郵電大學， 2013.