1 概述
虛擬機(jī)在線遷移技術(shù)能將虛擬機(jī)從源節(jié)點(diǎn)透明地遷移到目的節(jié)點(diǎn)，而用戶不會(huì)感知到物理節(jié)點(diǎn)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(gè)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(guò)反復(fù)迭代內(nèi)存臟頁(yè)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存數(shù)據(jù)和CPU狀態(tài)的遷移；在保持虛擬機(jī)IP不變的情況下，采用主動(dòng)地址解析協(xié)議(Address Resolution Protocol,ARP)廣播更新交換機(jī)中MAC地址與端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重定向；源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)使用網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(Network File System,NFS)共享虛擬機(jī)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(diǎn)所在IP范圍不同，虛擬機(jī)遷入到目的網(wǎng)絡(luò)后，如果不改變IP地址則無(wú)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�；诖�，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(gè)宿主機(jī)以形成一個(gè)虛擬的局域網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)中的虛擬機(jī)在遷移過(guò)程中無(wú)需改變IP地址，便可保持原有網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)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(guò)程中動(dòng)態(tài)配置路由器。
文獻(xiàn)[4]提出在源、目的節(jié)點(diǎn)間建立雙向IP隧道的網(wǎng)絡(luò)重定向策略，通過(guò)隧道保持虛擬機(jī)的IP地址不變，并在遷移后，為虛擬機(jī)配置一個(gè)新的IP，以接受新的請(qǐng)求。該策略使原有連接的往返數(shù)據(jù)均通過(guò)源、目的節(jié)點(diǎn)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(jī)的網(wǎng)關(guān)、路由等網(wǎng)絡(luò)信息，影響虛擬機(jī)的路由穩(wěn)定。
文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)基于移動(dòng)IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)連接重定向系統(tǒng)。當(dāng)虛擬機(jī)遷移到不同子網(wǎng)時(shí)，將其看作移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，不改變IP地址，通過(guò)目的節(jié)點(diǎn)(外部網(wǎng)絡(luò))和源節(jié)點(diǎn)(家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò))之間的雙向隧道傳輸所有來(lái)自和發(fā)往虛擬機(jī)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(guò)源、目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。此外，系統(tǒng)還要求物理節(jié)點(diǎn)支持ARP代理協(xié)議。
綜上所述，文獻(xiàn)[4-5]在虛擬機(jī)遷移后，原有連接的往返數(shù)據(jù)仍然依靠源、目的節(jié)點(diǎn)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(duì)傳輸路徑中的路由器和物理節(jié)點(diǎn)是不透明的，對(duì)設(shè)備要求較高，使用戶難以部署該策略。
針對(duì)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(diǎn)與虛擬機(jī)間直接建立與設(shè)備無(wú)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(jī)不改變IP便可保持原有連接，并采用IP雙棧策略提高對(duì)新服務(wù)請(qǐng)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(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的集合，設(shè)a∈S，?b∈D；
(2)V表示擬遷移虛擬機(jī)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(shí)現(xiàn)從源節(jié)點(diǎn)到虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)重定向策略。
3.2LMNR算法描述
LMNR算法通過(guò)預(yù)配置、ARP同步以及會(huì)話處理等6個(gè)階段實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)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(guò)程如下：
(1)預(yù)配置階段
遷移前，預(yù)配置策略開(kāi)啟a節(jié)點(diǎn)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(shí)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(guò)路由器x直接發(fā)給vi的，這些數(shù)據(jù)對(duì)于dom0來(lái)說(shuō)在邏輯上是不可見(jiàn)的，因此預(yù)配置在提高模型部署效率的同時(shí)，不會(huì)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(jī)階段
該階段基于Xen技術(shù)實(shí)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(diǎn)重啟vi。
(3)建立單向IP隧道階段
該階段由3個(gè)步驟組成，實(shí)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(bào)文，該報(bào)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(bào)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(shí)也使得模型在為vi增加IPvn時(shí)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(guò)在兩者間建立傳輸控制協(xié)議(TransmissionControl Protocol,TCP)監(jiān)聽(tīng)來(lái)解決這一問(wèn)題，在完成遷移后立即向vi發(fā)送消息，使a和vi同時(shí)實(shí)施ARP欺騙。經(jīng)過(guò)步驟1和步驟2后，單向IP隧道已經(jīng)建立起來(lái)。在這一過(guò)程中不需要路由器或物理節(jié)點(diǎn)啟用ARP代理或其他特定的功能，策略部署對(duì)設(shè)備而言是透明的。
步驟3dom0向DNS服務(wù)器發(fā)送更新報(bào)文，將vi域名對(duì)應(yīng)的IP由IPvo更新為IPvn，使IPvn可以響應(yīng)新的服務(wù)請(qǐng)求。更新后，IPvo將不會(huì)再接到新的請(qǐng)求。
(4)保持原有會(huì)話階段
在遷移前，客戶機(jī)e發(fā)起到IPvo的會(huì)話，重定向后的數(shù)據(jù)傳輸路徑為有序組
(5)新增會(huì)話階段
在遷移后，客戶機(jī)g通過(guò)DNS獲得vi的IPvn并向其發(fā)起新的會(huì)話請(qǐng)求，請(qǐng)求路徑為
(6)撤銷隧道階段
模型檢測(cè)IPvo保持的會(huì)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(diǎn)；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(jī)。與現(xiàn)有其他重定向模型不同，LMNR設(shè)計(jì)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(diǎn)或遷回a節(jié)點(diǎn)，而此時(shí)b就為源節(jié)點(diǎn)。本地化避免了vi只能被遷回a節(jié)點(diǎn)，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(shí)間。利用同步ARP策略，同時(shí)開(kāi)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(jī)在保持原有會(huì)話的同時(shí)，利用新增IP響應(yīng)所有新的連接請(qǐng)求，提高服務(wù)的響應(yīng)效率。算法的偽代碼如下：
4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境
硬件環(huán)境為：3個(gè)分布在不同子網(wǎng)的宿主機(jī)節(jié)點(diǎn)(千兆網(wǎng)絡(luò))，每節(jié)點(diǎn)配置雙XeonE5504CPU、8GB內(nèi)存，分別作為源節(jié)點(diǎn)a，目的節(jié)點(diǎn)b和NFS服務(wù)器，虛擬機(jī)vi具有2個(gè)虛擬CPU，512MB內(nèi)存。
軟件環(huán)境為：Linux平臺(tái)，虛擬化軟件Xen3.0.3。本文設(shè)計(jì)3組實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試模型的性能。
4.2結(jié)果分析
實(shí)驗(yàn)1總遷移時(shí)間比較
在vi中運(yùn)行SupERPI、Memtester和Netperf測(cè)試工具，分別模擬CPU、內(nèi)存、帶寬敏感的負(fù)載以及無(wú)負(fù)載4種情況，統(tǒng)計(jì)模型遷移vi的總時(shí)間并與傳統(tǒng)的Xen域內(nèi)遷移時(shí)間進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)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(shí)間略有增加，但差別并不明顯，如表1所示，其中，運(yùn)行Netperf時(shí)增加最小，為0.239s，運(yùn)行Memtester時(shí)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(shí)間。
表1 總遷移時(shí)間比較
實(shí)驗(yàn)2 遷移性能測(cè)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(qǐng)求，測(cè)試遷移性能，請(qǐng)求總數(shù)為40000個(gè)，并發(fā)10個(gè)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：請(qǐng)求總時(shí)間為44.50s，過(guò)程中無(wú)請(qǐng)求失效。遷移前每個(gè)請(qǐng)求的平均時(shí)間為6.39ms；遷移后的平均時(shí)間為7.92ms，比遷移前增加1.53ms，延遲較小；遷移過(guò)程中的平均時(shí)間為9.75ms，有6個(gè)請(qǐng)求超過(guò)0.5s，分布區(qū)間為[2.515,2.602]，其所占請(qǐng)求數(shù)的比例僅為0.015%，如圖2所示。
圖2 跨域遷移性能測(cè)試結(jié)果
可見(jiàn)，如果用戶點(diǎn)擊IPvo訪問(wèn)vi，遷移過(guò)程中和遷移后所增加的時(shí)間不會(huì)影響到用戶的訪問(wèn)體驗(yàn)，原有會(huì)話被保持，模型具有良好的透明性。此外，實(shí)驗(yàn)還測(cè)試了IPvn響應(yīng)請(qǐng)求的時(shí)間，其結(jié)果與遷移前IPvo的時(shí)間基本一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文模型不僅利用原有IP保持會(huì)話，還可使用新增IP響應(yīng)新請(qǐng)求，優(yōu)化傳輸路徑，提高服務(wù)響應(yīng)效率。
實(shí)驗(yàn)3 網(wǎng)絡(luò)暫停時(shí)間測(cè)試
在vi中提供流媒體服務(wù)，測(cè)試遷移的網(wǎng)絡(luò)暫停時(shí)間。實(shí)驗(yàn)通過(guò)TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，在client端通過(guò)播放器進(jìn)行視頻點(diǎn)播，并通過(guò)抓包統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)信息。從圖3可以看出，vi從源到目的節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)暫停時(shí)間為2.58s，從目的節(jié)點(diǎn)返回的暫停時(shí)間為2.10s。由于暫停的時(shí)間短，且流媒體具有緩存功能，因此在整個(gè)過(guò)程中視頻播放流暢，用戶沒(méi)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(shí)間測(cè)試結(jié)果
5 結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)并實(shí)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(shí)間。實(shí)驗(yàn)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(jī)在線遷移，具有較好的實(shí)用性。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處：拓步ERP資訊網(wǎng)http://www.ezxoed.cn/
本文標(biāo)題：虛擬機(jī)跨域遷移中的網(wǎng)絡(luò)重定向模型
本文網(wǎng)址：http://www.ezxoed.cn/html/support/1112153703.html
相關(guān)文章
