1 概述
虛擬機在線遷移技術(shù)能將虛擬機從源節(jié)點透明地遷移到目的節(jié)點，而用戶不會感知到物理節(jié)點的切換，有效提高服務(wù)可用性，可廣泛應(yīng)用于資源調(diào)度、服務(wù)器在線維護(hù)等方面�，F(xiàn)有在線遷移技術(shù)通常局限在一個局域網(wǎng)范圍內(nèi)，如VMware的VMotion和Xen的Live Migration等，主要涉及內(nèi)存、CPU狀態(tài)的遷移以及網(wǎng)絡(luò)的重定向。以Xen為例，Xen使用預(yù)復(fù)制技術(shù)通過反復(fù)迭代內(nèi)存臟頁實現(xiàn)內(nèi)存數(shù)據(jù)和CPU狀態(tài)的遷移；在保持虛擬機IP不變的情況下，采用主動地址解析協(xié)議(Address Resolution Protocol,ARP)廣播更新交換機中MAC地址與端口的對應(yīng)關(guān)系以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重定向；源節(jié)點、目的節(jié)點使用網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(Network File System,NFS)共享虛擬機鏡像文件，避免磁盤遷移。
在局域網(wǎng)之間或WAN范圍內(nèi)，由于源、目的節(jié)點所在IP范圍不同，虛擬機遷入到目的網(wǎng)絡(luò)后，如果不改變IP地址則無法通信，如果改變了IP，將中斷原有網(wǎng)絡(luò)連接，影響遷移的透明性。基于此，本文提出一種新的網(wǎng)絡(luò)重定向模型LMNR(Live Migration Network Redirection)。
2 相關(guān)工作
文獻(xiàn)[3]利用虛擬專用局域網(wǎng)業(yè)務(wù)(Virtual Private LANService, VPLS)技術(shù)橋接分布在WAN范圍內(nèi)的多個宿主機以形成一個虛擬的局域網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)中的虛擬機在遷移過程中無需改變IP地址，便可保持原有網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)在線遷移。但該方式不僅要求網(wǎng)絡(luò)中的路由器支持VPLS，還需要在遷移過程中動態(tài)配置路由器。
文獻(xiàn)[4]提出在源、目的節(jié)點間建立雙向IP隧道的網(wǎng)絡(luò)重定向策略，通過隧道保持虛擬機的IP地址不變，并在遷移后，為虛擬機配置一個新的IP，以接受新的請求。該策略使原有連接的往返數(shù)據(jù)均通過源、目的節(jié)點中繼，增加了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，引入了額外的延遲。此外，新增IP還需要改變虛擬機的網(wǎng)關(guān)、路由等網(wǎng)絡(luò)信息，影響虛擬機的路由穩(wěn)定。
文獻(xiàn)[5]設(shè)計基于移動IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)連接重定向系統(tǒng)。當(dāng)虛擬機遷移到不同子網(wǎng)時，將其看作移動節(jié)點，不改變IP地址，通過目的節(jié)點(外部網(wǎng)絡(luò))和源節(jié)點(家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò))之間的雙向隧道傳輸所有來自和發(fā)往虛擬機的數(shù)據(jù)。與文獻(xiàn)[4]相似，該系統(tǒng)使所有數(shù)據(jù)通過源、目的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。此外，系統(tǒng)還要求物理節(jié)點支持ARP代理協(xié)議。
綜上所述，文獻(xiàn)[4-5]在虛擬機遷移后，原有連接的往返數(shù)據(jù)仍然依靠源、目的節(jié)點的雙向隧道中繼，增加了數(shù)據(jù)傳輸路徑和延遲。文獻(xiàn)[3,5]提出的重定向策略對傳輸路徑中的路由器和物理節(jié)點是不透明的，對設(shè)備要求較高，使用戶難以部署該策略。
針對現(xiàn)有跨域遷移策略在傳輸路徑及設(shè)備透明性方面存在的局限，本文提出在源節(jié)點與虛擬機間直接建立與設(shè)備無關(guān)的單向IP隧道的方法，優(yōu)化重定向的傳輸路徑，使虛擬機不改變IP便可保持原有連接，并采用IP雙棧策略提高對新服務(wù)請求的響應(yīng)速度。
3 網(wǎng)絡(luò)重定向模型
3.1 模型定義
定義網(wǎng)絡(luò)重定向模型形式化描述為四元組
(1)S、D分別表示在線遷移的源節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點的集合，設(shè)a∈S，?b∈D；
(2)V表示擬遷移虛擬機的集合，設(shè)vi∈V，且設(shè)vi的原有IP地址為IPvo，遷移后新增IP地址為IPvn；
(3)f表示為S→V，即從S到V的映射關(guān)系，實現(xiàn)從源節(jié)點到虛擬機的網(wǎng)絡(luò)重定向策略。
3.2LMNR算法描述
LMNR算法通過預(yù)配置、ARP同步以及會話處理等6個階段實現(xiàn)虛擬機跨域遷移的網(wǎng)絡(luò)重定向，如圖1所示。
圖1 LMNR數(shù)據(jù)傳輸示意圖
LMNR數(shù)據(jù)傳輸具體過程如下：
(1)預(yù)配置階段
遷移前，預(yù)配置策略開啟a節(jié)點特權(quán)域dom0的轉(zhuǎn)發(fā)功能，為vi新增IPvn，預(yù)構(gòu)建dom0到vi的IP隧道，隧道可表示為有序?qū)?IPA,IPVN>，同時在dom0中指定路由將所有發(fā)往IPvo的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至隧道。由于遷移前發(fā)往vi的數(shù)據(jù)是通過路由器x直接發(fā)給vi的，這些數(shù)據(jù)對于dom0來說在邏輯上是不可見的，因此預(yù)配置在提高模型部署效率的同時，不會影響遷移前的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。
(2)遷移虛擬機階段
該階段基于Xen技術(shù)實現(xiàn)，采用預(yù)復(fù)制方法在a、b間傳輸內(nèi)存數(shù)據(jù)和CPU狀態(tài)，并在b節(jié)點重啟vi。
(3)建立單向IP隧道階段
該階段由3個步驟組成，實現(xiàn)了IP隧道的建立和DNS的更新。
步驟1vi重啟后，在a的dom0中廣播定制的ARP欺騙報文，該報文可記為
由于在dom0中預(yù)設(shè)了指向vi的路由，因此數(shù)據(jù)到達(dá)dom0后被轉(zhuǎn)發(fā)至隧道，隨后被vi接收。
步驟2將ARP欺騙報文
MACbgw為b所在子網(wǎng)網(wǎng)關(guān)即y的MAC。這種改變網(wǎng)關(guān)MAC而保持其IP的策略是建立單向IP隧道的基礎(chǔ)，同時也使得模型在為vi增加IPvn時并不需要新增網(wǎng)關(guān)IP，保持了vi的路由穩(wěn)定。為快速建立IP隧道，需要同步a和vi上的ARP欺騙，模型通過在兩者間建立傳輸控制協(xié)議(TransmissionControl Protocol,TCP)監(jiān)聽來解決這一問題，在完成遷移后立即向vi發(fā)送消息，使a和vi同時實施ARP欺騙。經(jīng)過步驟1和步驟2后，單向IP隧道已經(jīng)建立起來。在這一過程中不需要路由器或物理節(jié)點啟用ARP代理或其他特定的功能，策略部署對設(shè)備而言是透明的。
步驟3dom0向DNS服務(wù)器發(fā)送更新報文，將vi域名對應(yīng)的IP由IPvo更新為IPvn，使IPvn可以響應(yīng)新的服務(wù)請求。更新后，IPvo將不會再接到新的請求。
(4)保持原有會話階段
在遷移前，客戶機e發(fā)起到IPvo的會話，重定向后的數(shù)據(jù)傳輸路徑為有序組
(5)新增會話階段
在遷移后，客戶機g通過DNS獲得vi的IPvn并向其發(fā)起新的會話請求，請求路徑為
(6)撤銷隧道階段
模型檢測IPvo保持的會話是否結(jié)束，若在結(jié)束前收到遷移返回指令，則撤銷IP隧道，恢復(fù)ARP條目，并使vi返回節(jié)點；若結(jié)束，則撤銷隧道，刪除vi的IPvo，保留IPvn，即將vi本地化為b的虛擬機。與現(xiàn)有其他重定向模型不同，LMNR設(shè)計了vi本地化策略，本地化后vi可以根據(jù)需要遷往其他節(jié)點或遷回a節(jié)點，而此時b就為源節(jié)點。本地化避免了vi只能被遷回a節(jié)點，提高了遷移的靈活性。
LMNR算法使用預(yù)配置策略提前構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)重定向環(huán)境，減少了遷移后系統(tǒng)的部署時間。利用同步ARP策略，同時開啟a和vi的重定向功能，快速建立單向IP隧道。采用IP雙棧，使虛擬機在保持原有會話的同時，利用新增IP響應(yīng)所有新的連接請求，提高服務(wù)的響應(yīng)效率。算法的偽代碼如下：
4 實驗與結(jié)果分析
4.1 實驗環(huán)境
硬件環(huán)境為：3個分布在不同子網(wǎng)的宿主機節(jié)點(千兆網(wǎng)絡(luò))，每節(jié)點配置雙XeonE5504CPU、8GB內(nèi)存，分別作為源節(jié)點a，目的節(jié)點b和NFS服務(wù)器，虛擬機vi具有2個虛擬CPU，512MB內(nèi)存。
軟件環(huán)境為：Linux平臺，虛擬化軟件Xen3.0.3。本文設(shè)計3組實驗分別測試模型的性能。
4.2結(jié)果分析
實驗1總遷移時間比較
在vi中運行SupERPI、Memtester和Netperf測試工具，分別模擬CPU、內(nèi)存、帶寬敏感的負(fù)載以及無負(fù)載4種情況，統(tǒng)計模型遷移vi的總時間并與傳統(tǒng)的Xen域內(nèi)遷移時間進(jìn)行比較。實驗發(fā)現(xiàn)：在相同負(fù)載的情況下，跨域模型比局域網(wǎng)內(nèi)的總時間略有增加，但差別并不明顯，如表1所示，其中，運行Netperf時增加最小，為0.239s，運行Memtester時增加最大，為2.664s，主要原因是該工具使內(nèi)存迭代和重定向的數(shù)據(jù)量增加，從而增加總時間。
表1 總遷移時間比較
實驗2 遷移性能測試
在vi中提供apache服務(wù)，并利用ab(apache bench)工具向vi的IPvo發(fā)起Http請求，測試遷移性能，請求總數(shù)為40000個，并發(fā)10個。實驗發(fā)現(xiàn)：請求總時間為44.50s，過程中無請求失效。遷移前每個請求的平均時間為6.39ms；遷移后的平均時間為7.92ms，比遷移前增加1.53ms，延遲較��；遷移過程中的平均時間為9.75ms，有6個請求超過0.5s，分布區(qū)間為[2.515,2.602]，其所占請求數(shù)的比例僅為0.015%，如圖2所示。
圖2 跨域遷移性能測試結(jié)果
可見，如果用戶點擊IPvo訪問vi，遷移過程中和遷移后所增加的時間不會影響到用戶的訪問體驗，原有會話被保持，模型具有良好的透明性。此外，實驗還測試了IPvn響應(yīng)請求的時間，其結(jié)果與遷移前IPvo的時間基本一致。實驗結(jié)果表明：本文模型不僅利用原有IP保持會話，還可使用新增IP響應(yīng)新請求，優(yōu)化傳輸路徑，提高服務(wù)響應(yīng)效率。
實驗3 網(wǎng)絡(luò)暫停時間測試
在vi中提供流媒體服務(wù)，測試遷移的網(wǎng)絡(luò)暫停時間。實驗通過TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，在client端通過播放器進(jìn)行視頻點播，并通過抓包統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息。從圖3可以看出，vi從源到目的節(jié)點的過程中網(wǎng)絡(luò)暫停時間為2.58s，從目的節(jié)點返回的暫停時間為2.10s。由于暫停的時間短，且流媒體具有緩存功能，因此在整個過程中視頻播放流暢，用戶沒有發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)中斷，滿足了透明遷移的需求。
圖3 服務(wù)暫停時間測試結(jié)果
5 結(jié)束語
本文設(shè)計并實現(xiàn)了跨域遷移的網(wǎng)絡(luò)重定向模型，采用預(yù)配置、單向IP隧道以及IP雙棧等多種策略有效提高數(shù)據(jù)重定向效率，減少部署時間。實驗結(jié)果表明，該模型可以應(yīng)用于跨局域網(wǎng)或WAN環(huán)境中的虛擬機在線遷移，具有較好的實用性。
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本文標(biāo)題：虛擬機跨域遷移中的網(wǎng)絡(luò)重定向模型
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