龐峰++顧煒江

摘要： Pre-Copy算法策略采用僅僅比較相鄰兩輪傳遞頁位圖和跳過頁位圖的方式來判斷內(nèi)存頁是否需要復(fù)制傳遞。優(yōu)化之后的Pre-Copy算法策略是根據(jù)所有記錄的內(nèi)存頁修改次數(shù)來判定臟頁，當(dāng)達到某個定義的臟頁的閾值時，即進行復(fù)制重傳。實驗結(jié)果表明，在高CPU負(fù)載、高內(nèi)存負(fù)載和高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的情況下，Pre-Copy算法的優(yōu)化策略，縮短了虛擬機動態(tài)遷移的停機時間和總遷移時間，提高了虛擬機動態(tài)遷移的效率。

關(guān)鍵詞：虛擬機；動態(tài)遷移；策略；優(yōu)化

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）33-0149-03

Optimization of Live Migration Strategy for Virtual Machine

PANG Feng，GU Wei-jiang

（Nanjing Forestry University， Information Centre， Nanjing 210037， China；）

Abstract： Pre-Copy algorithm only two rounds of adjacent transfer bitmap and skip pages bitmap way to judge whether memory pages need to be copied. After optimization of the Pre - Copy algorithm based on all the records to judge dirty pages， the number of pages to modify when reach a certain threshold of dirty pages defined， namely to reproduce the retransmission. The experimental results show that the high CPU load， memory load and high network load conditions， the adaptive optimization algorithm of the Pre - Copy， shortens the virtual machine live migration of downtime and total migration time， improve the efficiency of the virtual machine live migration.

Key words： virtualization； live migration； strategy； optimization

1 概述

虛擬化技術(shù)作為云計算的核心技術(shù)，為滿足用戶按需訪問云上數(shù)據(jù)和服務(wù)提供了可能。通過虛擬化技術(shù)部署的虛擬機與傳統(tǒng)計算機相比，虛擬機具有良好的靈活性，它能夠在不間斷服務(wù)運行的情景下完成服務(wù)實時動態(tài)遷移。主流虛擬化平臺，如VMware、KVM及Xen等，都提供虛擬機動態(tài)遷移功能，已經(jīng)被應(yīng)用于局域網(wǎng)環(huán)境中跨物理主機的虛擬機遷移 [1][2]，但是高CPU負(fù)載、高內(nèi)存負(fù)載和高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等條件下的虛擬機進行遷移的效果并不是很理想。本研究對Pre-Copy算法策略進行了優(yōu)化，并進行了實驗驗證。

2 Pre-Copy算法遷移策略

Pre-Copy算法是Push和Stop-and-Copy相結(jié)合的一種內(nèi)存遷移方案 [3]。該算法復(fù)制傳遞策略如圖1所示。

Pre-Copy算法的局限性在于高負(fù)載情況下，Pre-Copy算法會造成很大的服務(wù)器系統(tǒng)開銷，甚至?xí)?dǎo)致延長停機時間和總遷移時間，這主要是由于處在高負(fù)載運行狀態(tài)下需要不斷進行被修改內(nèi)存頁的復(fù)制傳遞，達到虛擬機系統(tǒng)運行能力的上限才會停止內(nèi)存頁的復(fù)制傳遞過程進入停機復(fù)制階段。

從Pre-Copy算法的拷貝策略可以看出，在內(nèi)存頁的修改過程中，有可能出現(xiàn)上一輪被修改而本輪沒有修改，而下一輪又被修改的交替修改現(xiàn)象，此現(xiàn)象被稱為乒乓重傳[4]。在此種情況下，需要對內(nèi)存頁每輪都要進行復(fù)制傳遞，造成虛擬機動態(tài)遷移的效率大大降低。

3 Pre-Copy算法遷移策略的優(yōu)化

Pre-Copy算法策略的臟頁判定方式存在一定局限性和片面性。[5]同時，進入停機復(fù)制階段的判定條件，不夠全面與準(zhǔn)確，這都降低了虛擬機動態(tài)遷移的效率。[6]本研究對Pre-Copy算法策略進行了優(yōu)化。通過擴大臟頁判斷的周期，提高判斷內(nèi)存臟頁準(zhǔn)確度，整體上使Pre-Copy得到更好的優(yōu)化效果。

Pre-Copy算法策略優(yōu)化后的具體流程如圖2所示：

圖2 Pre-Copy算法策略優(yōu)化之后的流程圖

Pre-Copy優(yōu)化算法策略：一是盡快遷移需要遷移的頁面，二是有效地控制了不必要的遷移，防止“乒乓重傳”問題。優(yōu)化后的Pre-Copy算法策略性能將通過具體的實驗數(shù)據(jù)加以說明。

4 Pre-Copy算法優(yōu)化策略評測

為了驗證Pre-Copy優(yōu)化算法策略的所具有的優(yōu)越性，在實驗環(huán)境下，測試并記錄了在不同負(fù)載情況下Pre-Copy優(yōu)化算法策略前后，虛擬機動態(tài)遷移的實驗數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)結(jié)果進行統(tǒng)計分析。

4.1評測環(huán)境創(chuàng)建

虛擬機動態(tài)遷移實驗將在Xen虛擬化的兩臺同樣配置的物理機上進行，根據(jù)不同的實驗?zāi)康?，在虛擬機上安裝相應(yīng)的實驗軟件。這樣不僅能夠滿足相互遷移的需要，而且還能夠進行多次實驗以保證實驗數(shù)據(jù)的客觀和準(zhǔn)確。

4.2評測方案設(shè)計

實驗主要對停機時間和總遷移時間進行測定與統(tǒng)計分析。為了方便對比出Pre-Copy算法優(yōu)化前后在不同高負(fù)載情況下所表現(xiàn)出的遷移效率，分別從高CPU負(fù)載、高內(nèi)存負(fù)載和高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載三個方面對Pre-Copy算法策略優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)進行測試。

高CPU負(fù)載下虛擬機動態(tài)遷移的實驗數(shù)據(jù)及相關(guān)檢驗結(jié)果，如表1、表2、表3和表4所示：

如表3所示，停機時間t檢驗結(jié)果顯示Sign（雙側(cè)）>0.05，所以停機時間不具有顯著性差異，即優(yōu)化前后在縮短停機時間方面沒有優(yōu)越性。但總遷移時間t檢驗結(jié)果顯示Sign（雙側(cè)）<0.05，所以優(yōu)化前后總遷移時間具有顯著性差異，即優(yōu)化后在縮短總遷移時間方面具有顯著優(yōu)越性。

高內(nèi)存負(fù)載下虛擬機動態(tài)遷移的實驗數(shù)據(jù)及相關(guān)檢驗結(jié)果，如表5、表6、表7和表8所示：

如表7所示，停機時間t檢驗結(jié)果顯示Sign（雙側(cè)）<0.05，所以Pre-Copy優(yōu)化前后停機時間具有顯著性差異，即優(yōu)化后在縮短停機時間方面具有顯著優(yōu)越性，同時，總遷移時間t檢驗結(jié)果顯示Sign（雙側(cè)）<0.05，所以優(yōu)化前后總遷移時間具有顯著性差異，即優(yōu)化后在縮短總遷移時間方面也具有顯著優(yōu)越性。

高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下虛擬機動態(tài)遷移的實驗數(shù)據(jù)及相關(guān)檢驗結(jié)果，如表9、表10、表11和表12所示：

如表11所示，停機時間t檢驗結(jié)果顯示Sign（雙側(cè)）<0.05，所以優(yōu)化前后具有顯著性差異，即優(yōu)化后在縮短停機時間方面具有顯著優(yōu)越性，但是，總遷移時間t檢驗結(jié)果顯示Sign（雙側(cè)）>0.05，所以優(yōu)化前后總遷移時間具有顯著性差異，即優(yōu)化后在縮短總遷移時間方面沒有優(yōu)越性。

4.3評測結(jié)果分析

實驗結(jié)果表明，在高負(fù)載環(huán)境下，Pre-Copy算法策略優(yōu)化之后都取得了很好效果，尤其在高內(nèi)存負(fù)載下，停機時間和總遷移時間具有顯著的優(yōu)越性，不過優(yōu)化之后算法策略也存在不足之處，如高CPU負(fù)載下，優(yōu)化的算法策略沒有縮短停機時間。這說明Per-Copy優(yōu)化算法策略仍然需要進一步優(yōu)化。

5結(jié)束語

本研究對虛擬機動態(tài)遷移Pre-Copy算法策略進行了優(yōu)化設(shè)計，并對優(yōu)化后算法策略分別在高CPU負(fù)載、高內(nèi)存負(fù)載和高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下進行實驗測試并取得較好效果。對Pre-Copy算法進一步優(yōu)化是我們今后的研究目標(biāo)。

參考文獻：

[1] 姜明，吳春明，胡大民.網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測中的時間序列模型比較研究[J].電子學(xué)報，2009，37（11）： 2353-2358.

[2]GUPTA A， KAL? L V， MILOJICIC D， et al. HPC-aware VM placement in infrastructure clouds[C]// IEEE Intl Conf on CloudEngineering. San Francisco，California，USA， 2013. 11-20.

[3] 廖劍偉， 陳善雄， 李莉. 基于內(nèi)存分塊相異數(shù)據(jù)的虛擬機同步機制 [J].通訊學(xué)報，2012，33（7）： 157-164.

[4] 高翔.基于Xen的虛擬機動態(tài)遷移算法優(yōu)化[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[5] 胡嘉蠻.虛擬智慧：VMware vSphere運維實錄[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011：393-405.

[6] 程紅霞，程紅軍.云計算技術(shù)研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011（18）：32-33.