云計算環境中虛擬機動態遷移技術研究

袁愛平

摘 要： 預拷貝是虛擬機動態遷移的主要方法之一，通過迭代傳輸內存頁完成源節點到目標節點的遷移。但預拷貝方法由于重復傳輸同一臟頁內存，導致了遷移過程占據較長的時間。本文通過對預拷貝方法的改進，提出了一種快速的虛擬機實時遷移方法，提高了迭代過程中臟頁內存的傳輸效率。實驗結果證明，與傳統的預拷貝方法相比，改進后的預拷貝方法明顯地減少了遷移時間和傳輸數據，達到了虛擬機快速遷移的目的。

關鍵詞： 云計算； 虛擬機； 動態遷移； 預拷貝

中圖分類號：TP301 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2018）10-05-03

Abstract： Pre-copy is one of the main methods of virtual machine live migration， and the migration of source node to destination node is accomplished by iteratively transmitting memory pages. However， due to the repeated transmission of the same dirty page memory， the migration process takes longer migration time. By improving the pre-copy method， a fast live migration method for virtual machine is proposed， which improves the transmission efficiency of dirty pages in the iteration process. The experimental results show that the improved pre-copy method obviously reduces the migration time and transmission data， and it achieves the goal of rapid migration of virtual machines.

Key words： cloud computing； virtual machine； live migration； pre-copy

0 引言

隨著信息技術和網絡應用的快速發展，云計算作為一種全新的計算模式，已越來越受到工業界和學術界的關注。通過云計算平臺，用戶可以獲得按需、靈活和可伸縮的計算及存儲資源。為了提高系統資源的利用率，云計算系統引入了虛擬化技術，通過將一臺物理服務器分割為若干個相互隔離的虛擬服務器，實現對物理資源的動態分割。虛擬機的動態遷移作為虛擬化的關鍵技術之一，解決了云計算數據中心的負載均衡、電源管理、在線維護等問題。在虛擬機的動態遷移問題中，預拷貝方法是虛擬機最主要的實時遷移技術之一[1]。

1 預拷貝方法

預拷貝方法[2]是由Clark等人提出并實現的虛擬機動態遷移機制。目前最流行的Xen、KVM及VMware等虛擬化平臺都已經提供了預拷貝機制，并且已經被廣泛應用。預拷貝方法將源計算機上的內存頁以迭代的方式拷貝到目的計算機上。首先第一輪拷貝所有的內存頁，第二輪只拷貝在第一輪迭代過程中修改過的頁（臟頁），依此類推，第n輪拷貝的是第n-1輪迭代過程中修改過的頁。當臟頁數目到達某個常數或者迭代達到一定次數時，預拷貝階段就結束。這時停機，并把剩余的臟頁和CPU運行狀態拷貝到目的計算機。

預拷貝方法存在的一個問題就是重復傳輸同一臟頁內存，從而導致遷移過程占據較長的遷移時間，這對于云計算數據中心是不利的；存在的另一個問題是內存臟頁面的收斂性問題。當網絡傳輸速率小于源虛擬機內存更新速率時，就會產生臟頁面無法收斂的問題。對于預拷貝方法的數據高冗余性和收斂性這兩個問題，已經有學者提出了改進方案。趙春等人[3]提出了一種基于動態調整閾值的虛擬機遷移算法，通過統計分析物理機歷史負載數據，動態地調整虛擬機遷移的閾值門限，再延時觸發和預測物理機的負載趨勢來確定虛擬機遷移時機。Bolin Hu等人[4]提出了一個基于次數序列的預拷貝算法，通過設定高臟頁面的閥值K，低于K值的臟頁在本輪迭代中可能被發送給目的主機，否則直到迭代結束才被發送出去。Petter Svard等人[5]提出了基于增量壓縮技術的預拷貝算法，以內存頁更新變化的增量來代替變化后的頁面本身數據。本文通過對傳統預拷貝方法的改進，提出了一種快速的虛擬機實時遷移方法。

2 快速的虛擬機實時遷移方法

在預拷貝方法中，根據頁面的使用狀態將遷移的內存頁分為三類，也就是三種頁位圖：to_send、to_skip和to_fix。這三種頁位圖的說明如下。

to_send：標記的是在前一輪迭代過程中變臟的頁，也就是在本次迭代中需要被傳送的頁；

to_skip：標記的是在本次迭代中可以跳過不傳的頁；

to_fix：標記的是在最后的停機拷貝階段才傳送的頁。

實際上，to_send頁位圖中記錄的內存頁是前一輪迭代過程中被修改的頁，只需在迭代開始前把上一輪的臟頁位圖拷貝到to_send就可以了。to_skip是為了減少頁的反復重傳而引入的一個頁位圖，記錄的是那些由于改動較頻繁而可以跳過不傳的頁。to_skip中記錄的是那些還沒有被映射的頁，這些頁被放到最后一輪傳送。

針對預拷貝方法中存在的這個問題，在預拷貝方法中新增了一個頁位圖[6]：to_send_last，與to_fix位圖頁面一樣，to_send_last標記的也是需要在最后一輪迭代被傳送的頁面，但是to_send_last只記錄那些頻繁更新的頁面。為了更好地確定哪些內存頁是改動頻繁的，我們設定只有在最近的n次觀測中至少有k次被確認改動，才被最終確認為改動頻繁的內存頁。

在改進的預拷貝方法中，那些頻繁更新的頁面被放入了to_send_last位圖頁中，并且僅在最后一輪迭代中被傳送，因此可寫工作集會快速收斂，并且迭代拷貝過程可以在若干輪迭代中完成。在改進的預拷貝算法中，那些頻繁更新的頁面僅在最后一輪迭代中被傳送。同時為了避免導致留到最后傳送的頁面過多而造成停機時間的延長，使內存遷移的效率和性能下降，我們定義了一個鏈表p，p中的一個節點代表to_send_last中的一個內存頁面，并且按照臟頁率由低到高排序。定義鏈表的長度為m，其值根據具體情況設置。每次把臟頁面放入to_send_last位圖時，同時把該頁面的地址按照臟頁率插入到鏈表p中。當鏈表的長度超過m時，則把臟頁率最低的節點移出鏈表，同時把該節點指向的頁面從to_send_last位圖中刪除，再傳送該內存頁面到目的計算機上。

改進后預拷貝方法的遷移過程，分為以下6個步驟[2]，如圖1所示，這里把遷移的發起者即源計算機記為主機A，目的計算機記為主機B。

⑴ 預遷移

程序將驗證主機A和主機B的存儲以及網絡設置，并對主機B進行資源清理，以確保主機B有足夠的資源接受這個虛擬機。

⑵ 預定資源

主機B預訂虛擬機所需要的資源，并生成一個虛擬機的容器。

⑶ 預拷貝

這個階段為我們改進的部分。在這一階段VM仍然運行，主機A以迭代的方式將VM的內存頁拷貝到主機B上。其過程為首先傳輸所有的內存頁，然后在迭代過程中把那些改動頻繁的內存頁放入到to_ send last頁位圖，同時把該頁面的地址按照臟頁率插入到一個鏈表p中。當鏈表的長度超過m時，則把臟頁率最低的節點移出鏈表，同時把該節點指向的頁面從to_send_last位圖中刪除，在此輪迭代中傳送該內存頁面到目的計算機上，否則在最后一輪迭代過程中傳送。

⑷ 停機拷貝

首先，在主機A上停止虛擬機的運行，接著通過ARP廣播將與虛擬機有關的網絡流量從主機A重定向到主機B上。最后，讓主機A上的虛擬機和主機B上的容器做最后的同步工作。

⑸ 提交

當主機B已經收到完整的虛擬機狀態時，它會發一個確認信息給主機A，接著，主機A會關閉之前的虛擬機。

⑹ 啟動

主機B上的容器被激活，主機B成為新的虛擬機，并且對外廣播它的IP地址。

3 實驗與結果分析

3.1 實驗環境

⑴ 硬件環境

2臺普通PC機，配置如下：

CPU：Intel Pentium Dua1CPU 1.81GHz；

內存：2048M；

硬盤：80G；

網絡：100M以太網。

⑵ 軟件環境

實驗在安裝了Xen 3.3.0的Ubuntu 8.04系統上進行。被遷移的虛擬機是源計算機中唯一的虛擬機，并且在目的計算機中也沒有其他虛擬機。虛擬機的內存大小從256MB到1024 MB。對于改動頻繁內存頁的確認，實驗中采用的設置是n為5，k為2，鏈表的長度m設為10。實驗的各項參數值均從Xen的日志中直接獲得或計算得出，并且為多次實驗的平均值。

3.2 實驗結果與分析

低臟頁率實驗是在操作系統空負載時進行的，而高臟頁率實驗則是在操作系統中有負載時進行的。表1-4給出的是傳統預拷貝方法和快速預拷貝方法在低、高臟頁率下的迭代次數、宕機時間和總消耗時間值的對比。

在低臟頁率環境下，遷移時內存頁迭代的次數不多，所有迭代次數距設定的最多迭代次數30次還有很大的距離。優化前后對比可以看出優化效果并不明顯。

當臟頁率很高的時候，迭代的次數也隨之增多，設定的迭代次數最多為30次，傳統的預拷貝方法在各種環境都達到最高的迭代次數。而快速預拷貝方法在迭代次數、宕機時間和總消耗時間上明顯地少于傳統的預拷貝方法，提高了虛擬機動態遷移的性能。

4 結束語

本文根據對預拷貝方法機制的分析，提出了一種快速的預拷貝方法來動態遷移虛擬機，通過增加一個標記改動頻繁內存頁的頁位圖，并使用鏈表來控制最后迭代傳送的內存頁面，提高了虛擬機的遷移性能。最后在Xen 3.3.0上通過實驗進行了驗證，結果表明，與預拷貝方法相比，本文提出的快速預拷貝方法能夠在不同的虛擬機內存大小和高臟頁率環境下減少迭代次數和總遷移時間。

參考文獻（References）：

[1] 趙佳.虛擬機動態遷移的關鍵問題研究[D].吉林大學，2013.

[2] Clark C， Fraser K， Hand S Hansen J， Jul E， Limpach C，Pratt I， Warfield A. Live migration of virtual machines[C].Proceedings of the 2nd Conference on Symposium on Networked Systems Design&Implementation;（NSDI'OS）. Berkeley， USA： ACM Press，2005：273-286

[3] 趙春，閆連山，崔允賀等.基于動態調整閾值的虛擬機遷移算法[J].計算機應用，2017.37（9）：2547-2550

[4] Bolin Hu， Zhou Lei， Yu Lei， Dong Xu， Jiandun Li. A Time-Series Based Precopy Approach for Live Migration of Virtual Machines[C].Proceedings of 2011 IEEE 17th International Conference on Parrallel and Distributed Systems （ICPADS）. Tainan， Taiwan：IEEE Press，2011：947-952

[5] Petter Svard， Johan Tordsson， Benoit Hudzia， Erik Elmroth. High performance live migration through dynamic page transfer reordering and compression[C].Proceedings of 2011 3rd IEEE International Conference on Cloud Computing Technology and Science. Athens， Greece： IEEE Press，2011：542-548

[6] 馬飛.云計算數據中心中虛擬機放置和實時遷移研究[D].北京交通大學，2013.