3．3異或壓縮的有效性
本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證異或壓縮與普通壓縮算法相比，能否取得更高的壓縮比，普通壓縮算法即為綜合壓縮算法除去異或壓縮部分，圖3至圖5分別描述了遷移不引入壓縮(Default)、引入普通壓縮(Cpr)和異或壓縮(Xor)時(shí)，相應(yīng)的增量同步數(shù)據(jù)量、增量遷移時(shí)間和停機(jī)時(shí)間，由圖可知，引入普通壓縮的遷移比不引入壓縮的遷移性能高很多，但仍有提升的空間，先異或再壓縮，使得原本沒有規(guī)律并且很難壓縮的數(shù)據(jù)變成大塊全零的數(shù)據(jù)，極大提高了壓縮比。圖3表明，異或壓縮后的數(shù)據(jù)量在最好情況下僅為普通壓縮后數(shù)據(jù)量的29.77 % ( VOD)，平均為普通壓縮后數(shù)據(jù)量的59.66%，因此，與普通壓縮相比，異或壓縮最好時(shí)可降低47.77%的增量遷移時(shí)間和21.68%的停機(jī)時(shí)間(VOD);平均可降低29%的增量遷移時(shí)間和14.4%寫的停機(jī)時(shí)間。
圖2遷移正常虛擬機(jī)的遷移時(shí)間和停機(jī)時(shí)間
全系統(tǒng)遷移中，第1輪遷移的數(shù)據(jù)量比增量遷移時(shí)大得多，異或壓縮雖不能非常顯著降低全系統(tǒng)遷移時(shí)間，但仍有重要意義。首先，異或壓縮有效降低了停機(jī)時(shí)間，這是在線遷移最重要的性能指標(biāo)之一，直接決定了上層應(yīng)用能否感知遷移的存在;其次，對于配置了共享存儲的平臺，增量遷移的數(shù)據(jù)量很可能比第1階段遷移的數(shù)據(jù)量要大，由圖3和圖4可知，異或壓縮此時(shí)明顯提高了遷移性能。
圖3增量遷移數(shù)據(jù)量的比較
圖4增量遷移時(shí)間的比較
圖3的同一系列中，深色表示磁盤映像數(shù)據(jù)量，淺色表示內(nèi)存映像數(shù)據(jù)量。由于文件系統(tǒng)緩存的作用，大多數(shù)應(yīng)用在增量遷移過程中改變的磁盤映像都不多，至多占增量遷移總量的15.67%（Ecommerce):.因此，影響增量遷移時(shí)間和停機(jī)時(shí)間的關(guān)鍵，仍然在于內(nèi)存映像的遷移。
3.4流水遷移的有效性
本實(shí)驗(yàn)在異或壓縮基礎(chǔ)上，分別用流水遷移和多線程壓縮遷移方法測試遷移空閑虛擬機(jī)的性能，以驗(yàn)證流水遷移的有效性。流水遷移的源端包含1個(gè)映像讀取進(jìn)程,2個(gè)壓縮進(jìn)程和1個(gè)發(fā)送進(jìn)程;多線程壓縮遷移在源端配置一個(gè)遷移進(jìn)程負(fù)責(zé)讀取和發(fā)送映像，3個(gè)壓縮線程壓縮映像。遷移目的端配置與源端類似。實(shí)驗(yàn)表明，流水遷移空閑虛擬機(jī)的遷移時(shí)間為331.29 s，比多線程壓縮遷移(365.93 s)提高了9.47%，這是由于流水遷移更好地并行了映像的讀取、壓縮、解壓和恢復(fù)，而多線程壓縮遷移只縮短了映像壓縮和解壓的時(shí)間。
圖5停機(jī)時(shí)間的比較
3.5總體性能比較
本節(jié)綜合比較快速全系統(tǒng)在線遷移(Fast)和傳統(tǒng)全系統(tǒng)在線遷移(Default)的性能�？焖偃到y(tǒng)在線遷移使用上述3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，傳統(tǒng)全系統(tǒng)在線遷移遷移磁盤時(shí)采用黑盒方式，并且不使用壓縮;遷移內(nèi)存時(shí)引入目前最先進(jìn)的多線程壓縮方法，以便和異或壓縮比較。
表3為兩種遷移方法性能對比。由于快速全系統(tǒng)在線遷移使用文件系統(tǒng)感知的磁盤同步和磁盤壓縮，故可減少同步60%的映像數(shù)據(jù)。同時(shí)，由于文件系統(tǒng)感知的磁盤同步有效減少50%磁盤映像的讀取，故遷移時(shí)間降低了50%左右。同樣地，異或壓縮使得快速全系統(tǒng)在線遷移的停機(jī)時(shí)間在多線程壓縮遷移的基礎(chǔ)上，又平均降低了14%，保證了應(yīng)用的實(shí)時(shí)在線。流水遷移的方法使得加入磁盤壓縮以后，并不增加磁盤遷移的時(shí)間，卻節(jié)省了近30%的網(wǎng)絡(luò)資源(參見表2)。
表3 遷移性能比較
若虛擬機(jī)上有較高的負(fù)載，則遷移時(shí)間增加較多，增加的遷移時(shí)間并不是由于應(yīng)用產(chǎn)生了大量的增量遷移數(shù)據(jù)，而是由第1輪同步造成的。我們測試了應(yīng)用讀寫磁盤的強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)其帶寬都在2 MBps以上，有的應(yīng)用，如Support，甚至使用了swap分區(qū)。應(yīng)用讀寫的數(shù)據(jù)量雖不是太大，卻不斷移動磁頭，影響了遷移對磁盤映像的讀取，增加了遷移時(shí)間。這個(gè)問題，傳統(tǒng)全系統(tǒng)在線遷移同樣存在。
3.6網(wǎng)絡(luò)帶寬受限時(shí)的遷移性能
本實(shí)驗(yàn)將網(wǎng)絡(luò)帶寬調(diào)整為100 Mbps以模擬廣域網(wǎng)環(huán)境，驗(yàn)證磁盤壓縮在網(wǎng)絡(luò)帶寬受限時(shí)能否減少遷移時(shí)間。實(shí)驗(yàn)表明，磁盤壓縮可減少同步近3000的磁盤映像數(shù)據(jù)，并降低了約30%的遷移時(shí)間。
同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)使用Xen的Credit調(diào)度器提供的Cap選項(xiàng)，測試為遷移保留不同大小CPU資源時(shí)，快速全系統(tǒng)在線遷移方法遷移空閑虛擬機(jī)所需的時(shí)間，并與不引入磁盤壓縮的遷移比較，以測試磁盤壓縮所需CPU開銷。不引入磁盤壓縮時(shí)，為遷移保留40%的CPU資源就能取得最好的性能，保留的CPU資源主要用于讀寫和收發(fā)磁盤映像，即等待I/ O上;引入磁盤壓縮后，需為遷移保留80%的CPU資源，即磁盤壓縮引入了40%的CPU開銷。
隨著CPU資源日益豐富，在網(wǎng)絡(luò)帶寬受限時(shí)，以40%的CPU資源換取30%的遷移性能，是非常值得的�？焖偃到y(tǒng)在線遷移以可選項(xiàng)的形式提供磁盤壓縮，管理員可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源情況靈活選擇。
3.7極限負(fù)載時(shí)的遷移
本實(shí)驗(yàn)測試在極限負(fù)載下，即應(yīng)用程序是磁盤密集型時(shí)，快速全系統(tǒng)在線遷移(Fast)的性能，并與傳統(tǒng)全系統(tǒng)在線遷移(Default)比較。傳統(tǒng)全系統(tǒng)在線遷移遷移內(nèi)存時(shí)引入目前最先進(jìn)的多線程壓縮，遷移磁盤時(shí)采用黑盒方式。本實(shí)驗(yàn)采用Iozone的write, re-write操作作為被遷移虛擬機(jī)的負(fù)載，并定時(shí)測試Iozone的吞吐率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示:
圖6遷移時(shí)Iozone吞吐率的變化
Iozone運(yùn)行60s后，虛擬機(jī)開始遷移，遷移進(jìn)程和Iozone競爭磁盤帶寬，導(dǎo)致Iozone吞吐率下降很多，快速全系統(tǒng)在線遷移使用的文件系統(tǒng)感知的磁盤同步和磁盤壓縮，有效降低了33.62%的遷移數(shù)據(jù)量，縮短了22.05%的遷移時(shí)間，使得應(yīng)用性能受影響的時(shí)間大為減少，在1 225 s時(shí)就恢復(fù)正常，而傳統(tǒng)方法直到1555 s時(shí)遷移才完成。
4討論
隨著摩爾定律的發(fā)展，服務(wù)器上的CPU資源越來越豐富，48核、64核的服務(wù)器已經(jīng)問世并正在推廣，因此，配置多個(gè)虛擬CPU(virtual CPU，VCPU)的SMP虛擬機(jī)也會日益普及．SMP虛擬機(jī)的磁盤利用率還是不高，讀取磁盤映像的帶寬依舊有限，所以文件系統(tǒng)感知的磁盤同步和流水遷移仍然可以顯著加速遷移過程．異或壓縮旨在利用虛擬機(jī)增量遷移時(shí)映像數(shù)據(jù)(尤其是內(nèi)存映像數(shù)據(jù))的自相似性提高壓縮比和壓縮速度，其在SMP虛擬機(jī)全系統(tǒng)在線遷移中仍然有效，定性分析如下：
首先，隨著VCPU個(gè)數(shù)的增加，虛擬機(jī)同時(shí)運(yùn)行的應(yīng)用程序的種類和數(shù)量也不斷增多，虛擬機(jī)的內(nèi)存蹤跡必然變大，增量遷移數(shù)據(jù)量也隨之增加，如1．2節(jié)所述，內(nèi)存寫操作修改的數(shù)據(jù)量低于頁面大小的20%，這一規(guī)律作為異或壓縮的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，對大多數(shù)應(yīng)用都適用，與同時(shí)運(yùn)行的應(yīng)用程序的種類和數(shù)量無關(guān)。因此，異或壓縮對于重負(fù)載的SMP虛擬機(jī)同樣適用。
其次，SMP虛擬機(jī)中多線程應(yīng)用的數(shù)量增多，由于線程之間共享同一地址空間，多個(gè)線程可能修改同一內(nèi)存頁面，導(dǎo)致頁面中改變的數(shù)據(jù)量的比例存在變大的可能，本文的性能評測雖然建立在單VCPU的虛擬機(jī)之上，但是評測的應(yīng)用負(fù)載都是多線程的，每一輪遷移所需時(shí)間比線程調(diào)度的時(shí)閫粒度大很多，從宏觀上看，應(yīng)用程序是并行的，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得知，異或壓縮對于并行多線程應(yīng)用依然有效，增量遷移時(shí)間和停機(jī)時(shí)間都大為減少。
綜上所述，快速全系統(tǒng)在線遷移方法一樣能夠加速SMP虛擬機(jī)的全系統(tǒng)在線遷移。
5結(jié)束語
快速全系統(tǒng)在線遷移方法利用文件系統(tǒng)感知的磁盤同步、異或壓縮和流水遷移，降低了50%的遷移時(shí)間和14%的停機(jī)時(shí)間，并節(jié)省了30%的網(wǎng)絡(luò)帶寬，較好地解決了全系統(tǒng)在線遷移時(shí)間長、占用資源多的問題。
良好的遷移策略是降低遷移代價(jià)的保證，未來，我們將深入研究大規(guī)模虛擬化平臺上，如何根據(jù)應(yīng)用負(fù)載、遷移歷史信息和資源異構(gòu)性等因素，制定最優(yōu)的遷移策略。
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