姜濤

摘要：Xen虛擬機現(xiàn)有遷移機制中，源主機和目的主機需要連接共享存儲服務(wù)，共享存儲是動態(tài)遷移的必要條件。針對這一局限性提出了一種包括外存遷移在內(nèi)的動態(tài)增量遷移方法，可以在動態(tài)遷移過程中，把虛擬機磁盤文件從源主機遷移至目的主機，從而降低了動態(tài)遷移的成本，擴大了動態(tài)遷移的應用范圍。并通過實驗進行了性能分析。

關(guān)鍵詞：虛擬機;Xen;增量遷移

1 引言

目前,虛擬機產(chǎn)品主要應用于大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，其在線遷移都依賴于物理主機之間采用集中式共享外存設(shè)備。對于擁有獨立本地外存的服務(wù)器和個人計算機,遷移技術(shù)在這種場合下受到限制，所以實現(xiàn)一個包括外存遷移在內(nèi)的虛擬機增量遷移方案將使遷移技術(shù)得到更廣泛的應用。

2 虛擬機遷移技術(shù)分析

為了拓寬現(xiàn)有遷移技術(shù)的應用范圍,有必要實現(xiàn)一個包括外存遷移在內(nèi)的遷移方案，使得在采用分散式本地存儲的計算機環(huán)境下,仍然能夠利用遷移技術(shù)轉(zhuǎn)移計算環(huán)境，并且保證遷移過程中操作系統(tǒng)服務(wù)的可用性，這就需要動態(tài)增量遷移技術(shù)。

3 Xen虛擬機動態(tài)增量遷移的設(shè)計

對于VM(Virtual Machine)的內(nèi)存狀態(tài)的遷移，Xen采用了主流的預拷貝（pre-copy）的策略。結(jié)合內(nèi)存遷移的策略，動態(tài)增量遷移主要分為三個階段：PUSH階段、停機拷貝階段和PULL階段。

在PUSH階段源VM仍在運行，其外存訪問被VMM監(jiān)控。在內(nèi)存pre-copy之前采用與內(nèi)存遷移同樣的原理先進行外存的pre-copy。外存pre-copy結(jié)束后，進入Xen的內(nèi)存pre-copy階段，在此期間VM對外存的訪問仍然被監(jiān)控記錄，作為后續(xù)階段同步剩余不一致外存狀態(tài)的依據(jù)。在停機拷貝階段，源VM被掛機，傳輸剩余的內(nèi)存狀態(tài)、CPU狀態(tài)等，并將VMM所記錄的外存狀態(tài)信息發(fā)送給目的VM。

4 Xen虛擬機動態(tài)增量遷移的實現(xiàn)

4.1 PUSH階段

在遷移開始之前，用戶通過遷移命令（xm migrate）向源主機VMM發(fā)出遷移請求，收到請求后VMM通知塊設(shè)備即將開始遷移。然后檢查內(nèi)存是否夠用,如果不夠用則先釋放部分內(nèi)存，以保證有足夠的內(nèi)存進行遷移。接著源主機與目的主機建立socket連接,源主機請求遷移，當收到目的主機的響應之后,進入PUSH階段[5] 。

在遷移過程中，源主機需要監(jiān)控VM對外存的訪問。在設(shè)備后端初始化一個bitmap用于記錄外存塊的狀態(tài)變化。如果某個外存塊在循環(huán)期間被寫臟,就將塊標志位置1。每輪循環(huán)首先獲取此bitmap記錄，根據(jù)該記錄發(fā)送前一輪發(fā)送過程中被VM寫臟的外存塊。

4.2停機拷貝階段

進入至停機階段,源VM被掛起，目的VM尚未啟動，剩余內(nèi)存臟頁和外存臟塊以及運行狀態(tài)等信息被拷貝到目的主機。在外存pre-copy結(jié)束至源VM被掛起的過程中，源VM外存訪問產(chǎn)生的臟塊仍然被設(shè)備后端記錄在bitmap中。

加入外存遷移的停機拷貝階段，與之前的區(qū)別主要體現(xiàn)在將源主機設(shè)備后端所監(jiān)控記錄的bitmap發(fā)送給目的主機，目的主機啟動后將根據(jù)該bitmap確定本地外存數(shù)據(jù)是否已經(jīng)與源VM的外存數(shù)據(jù)一致[6]。通常情況下，外存的臟塊生成率相對內(nèi)存產(chǎn)生臟頁的機率是比較低的，因此理論上對停機拷貝階段時間的影響不大。

4.3 PULL階段

PULL階段由源主機和目的主機的遷移進程合作完成，包括目的VM外存訪問按需向源主機請求以及源主機VM外存主動向目的主機post-copy。

進入至PULL階段，源主機向設(shè)備后端請求監(jiān)控外存狀態(tài)的bitmap，并根據(jù)此bitmap確定從最后一輪外存pre-copy至源VM被掛起的過程中哪些外存部分被源VM寫臟，并將臟塊發(fā)送至目的主機。當bitmap中標記的所有臟塊都被傳輸至目的主機后，目的主機已經(jīng)獲得了所有最新的外存數(shù)據(jù)，外存遷移結(jié)束[7]。

5 性能測試

第一輪測試在兩臺物理主機A和B之間進行,兩物理主機均通過網(wǎng)卡連接到局域網(wǎng)，VM從一臺物理主機遷移至另一臺物理主機。通常文件系統(tǒng)的塊大小為4KB，也就是8個扇區(qū)[8]。在對VM進行外存遷移時，首先以8個連續(xù)的扇區(qū)組成的磁盤塊作為bitmap中一個監(jiān)控單位，逐漸遞增，在無工作負載情況下進行多次遷移實驗，得到各階段遷移時間：

第二輪測試在兩臺物理主機A和B之間設(shè)置共享存儲C，利用未修改過的Xen虛擬機進行試驗，同樣是在無負載條件下進行遷移，得到各階段遷移時間：

從兩組實驗結(jié)果，可以看出，動態(tài)增量遷移在總體遷移時間上明顯大于共享存儲的遷移，其中停機階段時間相差很少，主要體現(xiàn)在Pre-copy階段和Pull階段，其主要原因是這兩個階段中加入了外存遷移。在對實時性要求不是特別嚴格，而需要全系統(tǒng)遷移的情況下，動態(tài)增量遷移的實現(xiàn)擺脫了對共享存儲的依賴，使虛擬機遷移更加自由。

參考文獻

[1] C Clark,K Fraser,S Hand,J G Hansen,E Jul,C Limpach,I Pratt,A Warfield.Live migration of virtual machines[A].In Proceedings of the 2nd USENIX/ACM Symposium on Net-worked Systems Design and Implementation(NSDI2005)[C]. Berkeley,CA,USA:USENIX Association,2005:273-286.

[2] R Chandra,N Zeldovich,C Sapuntzakis,MS Lam.The collec-tive:a Cache-based system management architecture[A].In Proceedings of the Second USENIX/ACM Symposium on Net-worked Systems Design and Implementation(NSDI2005)[C].Boston,MA,2005:259-272.

[3] 劉鵬程.面向云計算的虛擬機動態(tài)遷移框架[J].計算機工程,2010,36(5):37-39

[4] 石磊,鄒德清,金海.Xen虛擬化技術(shù)[M],華中科技大學出版社,2009:38.

[5] 江雪.虛擬機動態(tài)遷移的研究[J].計算機應用,2008,28(9):2375-2377.

[6] 張彬彬,羅英偉,汪小林.虛擬機全系統(tǒng)在線遷移[J].電子學報,2009,37(4):896-899.

[7] C P Sapuntzakis,R Chandra,B Pfaff,J Chow,M S Lam,M Rosenblum.Optimizing the migration of virtual computers[A]. In Proceedings of the5th Symposium on Operating Systems Design and Implementation(OSDI2002)[C].New York,NY,USA:ACM,2002,Volume36:377-390.

[8] R Bradford,E Kotsovinos,A Feldmann,H Schioberg.Live wide-area migration of virtual machines including local persistent state[A].In Proceedings of the3rd International Conference on Virtual Execution Environments(VEE07)[C].NewYork,NY,USA:ACM,2007:169-179.