1 概述

    隨著云計(jì)算、服務(wù)計(jì)算等新興技術(shù)的應(yīng)用，在WAN 環(huán)境下進(jìn)行虛擬機(jī)在線遷移的需求逐漸增加。虛擬機(jī)的在線遷移可以將虛擬機(jī)從一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)透明地遷移到另一節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)資源調(diào)度，提高服務(wù)的可用性，已成為虛擬化的基礎(chǔ)支撐技術(shù)。

    目前，在線遷移一般在同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行，源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)間通過預(yù)拷貝技術(shù)遷移內(nèi)存，利用廣播ARP 報(bào)文進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重定向，為提高效率，對(duì)于含有大量數(shù)據(jù)的磁盤則是利用共享存儲(chǔ)來避免遷移。然而在WAN 環(huán)境下，共享模式使虛擬機(jī)經(jīng)過WAN 讀寫磁盤，在網(wǎng)絡(luò)延遲較大特別是存在抖動(dòng)的情況下將降低讀寫效率。

    為此，本文設(shè)計(jì)一種適應(yīng)WAN 的磁盤在線遷移策略。

2 相關(guān)工作

    文獻(xiàn)提出利用實(shí)時(shí)同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)磁盤遷移的方法。源節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)從緩存寫入本地磁盤，并通過TCP 連接實(shí)時(shí)發(fā)送至目的節(jié)點(diǎn)，從而保持兩節(jié)點(diǎn)磁盤的數(shù)據(jù)一致，實(shí)現(xiàn)磁盤遷移。該方法可以達(dá)到與共享存儲(chǔ)相近的遷移時(shí)間，但存在大量冗余數(shù)據(jù)被同步的情況，若虛擬機(jī)多次寫同一個(gè)磁盤塊，則目的節(jié)點(diǎn)亦會(huì)被重復(fù)同步，在虛擬機(jī)遷移前，這些數(shù)據(jù)將成為無效數(shù)據(jù)。此外，該方法中實(shí)時(shí)同步的突發(fā)流量可能對(duì)帶寬提出較高的要求。

    文獻(xiàn)[4]提出預(yù)遷移與基于回放同步相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)磁盤遷移。在遷移觸發(fā)后，首先采用預(yù)拷貝技術(shù)遷移整個(gè)虛擬機(jī)的磁盤數(shù)據(jù)，在此過程中，捕獲所有寫磁盤請(qǐng)求，包括寫的數(shù)據(jù)、位置及長(zhǎng)度，并同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)保存。當(dāng)虛擬機(jī)遷移結(jié)束后，目的節(jié)點(diǎn)阻塞外部對(duì)磁盤的讀寫操作，并在磁盤上回放記錄的寫操作。由于需要遷移虛擬機(jī)磁盤的所有數(shù)據(jù)，因此該方案總體遷移時(shí)間長(zhǎng)，遷移的數(shù)據(jù)量大，在一定程度上影響了遷移效率。

    文獻(xiàn)[5]實(shí)現(xiàn)按需取塊的磁盤遷移策略，先遷移虛擬機(jī)的內(nèi)存數(shù)據(jù)和CPU 狀態(tài)，在遷移過程中，磁盤讀寫在源節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行。當(dāng)虛擬機(jī)在目的節(jié)點(diǎn)上恢復(fù)運(yùn)行后，根據(jù)讀寫磁盤的請(qǐng)求，從源節(jié)點(diǎn)按需取數(shù)據(jù)塊，并在目的節(jié)點(diǎn)緩存。當(dāng)所有需要的塊均被緩存后，在目的節(jié)點(diǎn)上即可實(shí)現(xiàn)磁盤的本地操作。該策略可以有效減少磁盤遷移的數(shù)據(jù)量，縮短遷移的總體時(shí)間，但會(huì)造成對(duì)源主機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的依賴，且遷移后仍需訪問源節(jié)點(diǎn)的磁盤，降低了訪問速度。

    綜上所述，現(xiàn)有WAN 條件下的磁盤遷移方法在遷移時(shí)間、遷移數(shù)據(jù)量以及遷移后對(duì)源節(jié)點(diǎn)的依賴程度等方面存在局限。針對(duì)上述情況，本文提出一種帶冗余檢測(cè)功能的磁盤在線遷移策略，與實(shí)時(shí)磁盤同步相比，能縮短遷移時(shí)間，減少磁盤遷移的數(shù)據(jù)量，并實(shí)現(xiàn)了虛擬機(jī)對(duì)目的節(jié)點(diǎn)磁盤的本地操作。

3 磁盤遷移策略

    3.1 策略描述

    磁盤遷移策略(RCS-DLM)基于周期同步方式保持源、目的節(jié)點(diǎn)上磁盤數(shù)據(jù)的一致性，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行虛擬機(jī)在線遷移。磁盤在線遷移的工作原理如圖1 所示，該策略包括非同步期的寫標(biāo)記、同步與冗余檢測(cè)、虛擬機(jī)在線遷移3 個(gè)階段，其中，在虛擬機(jī)遷移觸發(fā)前，前2 個(gè)階段反復(fù)交替執(zhí)行，遷移觸發(fā)后，進(jìn)入第3 個(gè)階段，執(zhí)行虛擬機(jī)遷移任務(wù)。

圖1 磁盤在線遷移的工作原理

    圖1 的具體說明如下：

    (1)Bitmap 寫標(biāo)記與實(shí)時(shí)的磁盤同步不同，在非同步期內(nèi)，RCS-DLM 負(fù)責(zé)將虛擬機(jī)的寫數(shù)據(jù)直接寫入源節(jié)點(diǎn)a 的磁盤而不傳輸至目的節(jié)點(diǎn)b。如圖1 所示，在源節(jié)點(diǎn)a，虛擬機(jī)的寫磁盤請(qǐng)求經(jīng)過虛擬機(jī)監(jiān)控器的事件通道傳遞至Dom0 域的設(shè)備模塊，設(shè)備模塊響應(yīng)該請(qǐng)求，并將數(shù)據(jù)寫入虛擬機(jī)在a 的磁盤分區(qū)。在這一過程中，RCS-DLM 捕獲并通過Bitmap 記錄被寫磁盤塊(臟塊)的位置。Bitmap 中的每一位對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)塊，若數(shù)據(jù)塊為臟塊，則相應(yīng)位為1，否則為0。本文中數(shù)據(jù)塊大小為4 KB，若取虛擬機(jī)磁盤大小為8 GB，則Bitmap 自身僅為0.25 MB。

    在非同步期內(nèi)，如果虛擬機(jī)多次將數(shù)據(jù)寫入同一個(gè)磁盤塊，其相應(yīng)的Bitmap 位被置為1，但由于每次寫入的數(shù)據(jù)不會(huì)同步至目的節(jié)點(diǎn)，因此避免了在兩節(jié)點(diǎn)間同步無效的冗余數(shù)據(jù)，節(jié)約了傳輸帶寬。

    (2)同步與冗余檢測(cè)

    同步期內(nèi)的主要工作包括基于冗余檢測(cè)的磁盤數(shù)據(jù)同步以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)復(fù)制。

    磁盤數(shù)據(jù)同步：在同步開始時(shí)，a 將非同步期的Bitmap發(fā)送至b，兩節(jié)點(diǎn)根據(jù)該位圖分別計(jì)算對(duì)應(yīng)各臟塊的Hash值；隨后，b 將Hash 表發(fā)送至a，節(jié)點(diǎn)a 依次比較每個(gè)對(duì)應(yīng)臟塊的Hash 值，如果匹配，那么表示該塊內(nèi)容一致，反之，則表示不一致；最后，RCS-DLM 將Hash 值不匹配的塊同步至節(jié)點(diǎn)b，待數(shù)據(jù)一致后，將Bitmap 所有位置0。冗余檢測(cè)避免了同步內(nèi)容一致的數(shù)據(jù)塊，減少了遷移的磁盤數(shù)據(jù)量。

    實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)復(fù)制：在進(jìn)行數(shù)據(jù)同步的過程中，虛擬機(jī)仍會(huì)向磁盤寫入數(shù)據(jù)，RCS-DLM 將數(shù)據(jù)寫入a 磁盤塊的同時(shí)通過節(jié)點(diǎn)間的TCP 連接復(fù)制到b。若此塊在非同步期已被標(biāo)記為臟塊，且準(zhǔn)備同步至b，則RCS-DLM 將其從同步隊(duì)列中刪除，并將Bitmap 相應(yīng)位置0，這進(jìn)一步減少了需要同步的數(shù)據(jù)量。

    (3)虛擬機(jī)在線遷移

    RCS-DLM 負(fù)責(zé)接受遷移命令，若遷移觸發(fā)時(shí)a 節(jié)點(diǎn)、b節(jié)點(diǎn)處于非同步期，則立即轉(zhuǎn)入同步期進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，在數(shù)據(jù)一致后進(jìn)行虛擬機(jī)內(nèi)存和CPU 狀態(tài)的遷移，如圖1 所示；在遷移過程中，虛擬機(jī)寫入a 磁盤的數(shù)據(jù)，同樣被實(shí)時(shí)復(fù)制到b 磁盤；虛擬機(jī)重啟后，直接讀寫b 磁盤，而并不需要訪問a。遷移后，a 節(jié)點(diǎn)、b 節(jié)點(diǎn)間仍可保持磁盤的周期同步，這樣方便虛擬機(jī)遷回a 節(jié)點(diǎn)。

    3.2 RCS-DLM 的性能分析

    比較從自遷移命令觸發(fā)到完成的過程中， 預(yù)遷移、RCS-DLM 及實(shí)時(shí)同步3 種方式所傳輸?shù)拇疟P數(shù)據(jù)量。預(yù)遷移方式從源節(jié)點(diǎn)復(fù)制到目的節(jié)點(diǎn)的磁盤數(shù)據(jù)量sumd可由下式計(jì)算得出：

    (1)

    其中，D 表示虛擬機(jī)所占磁盤大��；wd 表示復(fù)制D 過程中每次新產(chǎn)生臟塊的大��；P 表示寫次數(shù)；wm 為內(nèi)存和CPU 狀態(tài)遷移過程中每次寫磁盤的數(shù)據(jù)量；Q 為寫次數(shù)。RCS-DLM 遷移的數(shù)據(jù)量sumr 可由下式計(jì)算得出：

    *(2)

    設(shè)遷移觸發(fā)時(shí)，a、b 正處于非同步期，隨后，轉(zhuǎn)入同步期，其需要同步的臟塊數(shù)據(jù)量為R，R

    因?yàn)閷?shí)時(shí)同步方式在遷移內(nèi)存前無需磁盤臟塊的遷移，所以其遷移的數(shù)據(jù)量sums表示僅發(fā)生在內(nèi)存遷移過程中的磁盤寫數(shù)據(jù)，sums=sumr?R。但由于該方式要求有充足的帶寬來保證磁盤的實(shí)時(shí)同步，這一點(diǎn)在WAN 環(huán)境下很難做到，特別是在執(zhí)行磁盤密集型任務(wù)時(shí)更難保證，因此存在較大的局限性。

    從分析來看，在遷移啟動(dòng)到完成的過程中，RCS-DLM需要遷移的磁盤數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)小于預(yù)遷移方式，但比實(shí)時(shí)同步方式稍大。假設(shè)在3 種方式下a 節(jié)點(diǎn)、b 節(jié)點(diǎn)間的可用帶寬相同，則RCS-DLM 遷移所需的總體時(shí)間遠(yuǎn)小于預(yù)遷移但略大于實(shí)時(shí)同步方式。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

    4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

    硬件環(huán)境為：2 個(gè)在不同子網(wǎng)的宿主機(jī)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間帶寬設(shè)置為10 MB/s，每節(jié)點(diǎn)配置雙Xeon E5504 CPU、8 GB內(nèi)存，分別為源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)，虛擬機(jī)則由2 個(gè)VCPU、512 MB 內(nèi)存組成。軟件環(huán)境為：Linux 平臺(tái)，虛擬化軟件Xen3.0.3，使用DF 工具模擬磁盤寫操作，并使用Tcpdump統(tǒng)計(jì)源、目的節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的吞吐量。本文設(shè)計(jì)3 組實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行虛擬機(jī)讀寫性能及遷移時(shí)間的測(cè)試。

    4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

    4.2.1 實(shí)時(shí)同步方式的性能比較

    本文實(shí)驗(yàn)比較實(shí)時(shí)同步與RCS-DLM 在冗余數(shù)據(jù)、傳輸帶寬兩方面的性能。在虛擬機(jī)中模擬磁盤寫操作，每隔2 s寫入8 MB 數(shù)據(jù)，總計(jì)寫100 次，另外，寫入2 個(gè)200 MB的突發(fā)數(shù)據(jù)，非同步期固定為8 s，寫操作下2 種策略網(wǎng)絡(luò)吞吐量比較如圖2 所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在實(shí)時(shí)同步方式下，復(fù)制到目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量為1.097 GB，RCS-DLM 為0.632 GB，有0.465 GB 的冗余數(shù)據(jù)無需同步至目的節(jié)點(diǎn)，占實(shí)時(shí)同步的42.4%。在傳輸過程中，實(shí)時(shí)方式要求的最高帶寬8.97 MB/s，RCS-DLM 為5.96 MB/s。可見，冗余檢測(cè)能夠有效避免同步無效數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)傳輸對(duì)帶寬的要求。

圖2 寫操作下2種策略網(wǎng)絡(luò)吞吐量比較

    4.2.2 磁盤讀操作性能測(cè)試

    本文實(shí)驗(yàn)在虛擬機(jī)中設(shè)置FTP 服務(wù)器，以檢測(cè)讀虛擬機(jī)磁盤時(shí)RCS-DLM 的性能。實(shí)驗(yàn)在165 s 的時(shí)間內(nèi)，讀取虛擬機(jī)磁盤上0.972 GB 的數(shù)據(jù)，非同步期固定為35 s，讀操作下本文策略的網(wǎng)絡(luò)吞吐量如圖3 所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：盡管FTP 客戶端從虛擬機(jī)讀取了大量的數(shù)據(jù)，但由于讀磁盤并不觸發(fā)寫操作，因此在同步期源、目的節(jié)點(diǎn)僅同步從客戶端上傳的文件和同步信息，數(shù)據(jù)量少�？梢�，RCS-DLM 能夠較好地滿足讀操作密集的應(yīng)用。

圖3 讀操作下本文策略的網(wǎng)絡(luò)吞吐量

    4.2.3 遷移時(shí)間測(cè)試與比較

    在RCS-DLM 方式的遷移過程中，以10 s 間隔寫入不同大小的磁盤文件，統(tǒng)計(jì)遷移的總時(shí)間及內(nèi)存遷移的數(shù)據(jù)量。不同磁盤負(fù)載情況下遷移性能比較如圖4 所示，在遷移過程中，隨著寫數(shù)據(jù)量的增加，遷移的總時(shí)間和內(nèi)存遷移量將有所增加。在無負(fù)載時(shí)，內(nèi)存遷移量為0.577 GB，與內(nèi)存大小0.512 GB 相比，迭代傳輸?shù)膬?nèi)存量為0.065 GB，遷移總時(shí)間48.1s；寫入50 MB 大小的文件時(shí)，內(nèi)存遷移量為0.623 GB，迭代傳輸為0.111 GB，遷移總時(shí)間54.3 s。較之無負(fù)載情況，內(nèi)存迭代增加率為7.9%，遷移總時(shí)間增加率為12.9%，增幅較低。

圖4 不同磁盤負(fù)載情況下遷移性能比較

    此外，實(shí)驗(yàn)還利用Ping 測(cè)試虛擬機(jī)在無負(fù)載情況下遷移的暫停響應(yīng)時(shí)間。共享存儲(chǔ)方式的暫停時(shí)間為4.3s，RCSDLM的暫停時(shí)間為4.6 s，與共享存儲(chǔ)方式的時(shí)間相近。

5 結(jié)束語

    本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了帶有冗余檢測(cè)的虛擬機(jī)磁盤在線遷移策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過周期同步、冗余檢測(cè)等多種方式減少了自虛擬機(jī)遷移命令觸發(fā)到遷移完成過程中磁盤同步的數(shù)據(jù)量，降低了帶寬需求，縮短了遷移的總時(shí)間，該策略可應(yīng)用于WAN 環(huán)境中的虛擬機(jī)在線遷移�；�于本文工作，今后將在虛擬機(jī)整體遷移方面開展研究，包括優(yōu)化虛擬機(jī)磁盤、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)等的遷移時(shí)序，進(jìn)一步降低WAN 環(huán)境下延遲抖動(dòng)對(duì)遷移的影響。

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本文標(biāo)題：基于同步機(jī)制的虛擬機(jī)磁盤在線遷移策略

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