潘力

摘 要：針對(duì)云計(jì)算環(huán)境下在線遷移的問題，文章提出了一種基于內(nèi)核虛擬機(jī)的在線遷移優(yōu)化方案，研究目的是在KVM虛擬化平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)跨越遷移，保證數(shù)據(jù)的兩端一致性，從而實(shí)現(xiàn)各種大型云平臺(tái)負(fù)載平衡、系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)運(yùn)行和維護(hù)、保證虛擬機(jī)性能的穩(wěn)定性和可靠性。實(shí)踐證明提出的優(yōu)化方案能夠很好地解決線上各種遷移場(chǎng)景轉(zhuǎn)換，為遷移工作的穩(wěn)定與可靠提供了重要技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：KVM；虛擬化；在線遷移

云計(jì)算是針對(duì)如何通過互聯(lián)網(wǎng)對(duì)虛擬化硬件計(jì)算資源池進(jìn)行訪問的一種計(jì)算模型。用戶可以在線支付相關(guān)費(fèi)用使用云計(jì)算資源及相關(guān)服務(wù)，同時(shí)可以參與開發(fā)各種基于虛擬資源的擴(kuò)展插件。云計(jì)算的核心技術(shù)主要指虛擬化技術(shù)，通過耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)底層硬件和上層軟件服務(wù)分離，最終目的是通過云計(jì)算的虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)本地物理資源的云端和異地重新整合與分配，降低存儲(chǔ)成本，提高本地和云端資源的使用效率[1]。云計(jì)算服務(wù)包括虛擬機(jī)在線遷移技術(shù)服務(wù)，服務(wù)內(nèi)容主要包括云計(jì)算資源和服務(wù)供應(yīng)商統(tǒng)一管理大規(guī)模的云計(jì)算資源，云存儲(chǔ)資源，實(shí)現(xiàn)高效的運(yùn)營(yíng)管理成本及效率。虛擬化在線遷移過程中需要?jiǎng)?wù)必保證虛擬機(jī)服務(wù)應(yīng)用程序的持續(xù)安全運(yùn)行，不能意外中斷。虛擬化在線遷移指的是通過云端虛擬機(jī)從一個(gè)本地的具體的物理主機(jī)將虛擬機(jī)數(shù)據(jù)磁盤，內(nèi)存數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)遷移到另一個(gè)異地的物理主機(jī)，但是，由于虛擬機(jī)在線遷移過程中的數(shù)據(jù)傳輸需要占用相當(dāng)一部分硬件資源，導(dǎo)致虛擬機(jī)在線遷移服務(wù)在整個(gè)過程中將受到影響，特別是當(dāng)虛擬機(jī)的運(yùn)行占用較高、內(nèi)存不足時(shí)，虛擬機(jī)上的應(yīng)用程序?qū)⒖赡軐?dǎo)致諸多意外的中斷[2]。因此，虛擬機(jī)在線遷移時(shí)間的優(yōu)化已成為研究熱點(diǎn)。

1 KVM虛擬化技術(shù)

通過虛擬交換機(jī)（Kernel-based Virtual Machine，KVM）模塊上的內(nèi)存和處理器虛擬化使客戶端在虛擬環(huán)境中運(yùn)行并支持這些客戶虛擬機(jī)的運(yùn)行即可實(shí)現(xiàn)KVM完全虛擬化。完成基于Linux內(nèi)核在線虛擬化遷移解決方案完全有必要借助于一款免費(fèi)且開源的系統(tǒng)，如KVM[3]。KVM體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，基于架構(gòu)的設(shè)計(jì)模塊和思路發(fā)現(xiàn)，最初的設(shè)計(jì)是基于內(nèi)核的模塊化設(shè)計(jì)主要是指開源且免費(fèi)的KVM內(nèi)核。隨著Linux內(nèi)核的不斷擴(kuò)展，更多復(fù)雜的高集成度的虛擬化功能聚合到一起，所以KVM逐漸發(fā)展成為Hyperbivisor虛擬監(jiān)視器模式。在KVM中，虛擬機(jī)基于Linux內(nèi)核，運(yùn)行進(jìn)程收Linux受指令控制，KVM虛擬機(jī)是通過多個(gè)QemuI/O來模擬完成的，服務(wù)于多個(gè)用戶。

2 在線遷移

在線遷移，是將源主機(jī)上的虛擬機(jī)（Virtual Machine，VM）（此處為源VM）遷移到目的主機(jī)，在遷移完成后目標(biāo)主機(jī)上的VM（即目標(biāo)VM）需要繼續(xù)運(yùn)行源VM上的應(yīng)用服務(wù)。因此，需要保證源VM和目標(biāo)VM之間的信息狀態(tài)完全一致，為了實(shí)現(xiàn)源VM和目標(biāo)VM間的完全同步，在遷移中需要向目的服務(wù)器傳送源VM的各種信息，包括中央處理器（Central Processing Unit，CPU）寄存器的狀態(tài)、內(nèi)存中加載運(yùn)行的頁面數(shù)據(jù)、磁盤的文件系統(tǒng)和I/O設(shè)備的使用狀態(tài)[4]。由于各部分信息所包含的數(shù)據(jù)量不同，以及對(duì)虛擬機(jī)運(yùn)行的重要性不同，遷移處理的方式也不完全相同。

3 技術(shù)模塊

當(dāng)CPU開始在線虛擬化進(jìn)程時(shí)，首先KVM模塊需要初始化VM中的內(nèi)存數(shù)據(jù)，檢測(cè)處理器運(yùn)行狀態(tài)，一切檢測(cè)符合設(shè)置時(shí)，運(yùn)行計(jì)算機(jī)進(jìn)行初步虛擬化操作。接著，打開本地和異地的VM主機(jī)是實(shí)現(xiàn)虛擬化第二步，緊接著通過一連串的進(jìn)程指令創(chuàng)建必備的虛擬化系統(tǒng)文件。在虛擬機(jī)的創(chuàng)建和運(yùn)行的后臺(tái)運(yùn)行模式種，務(wù)必需要保證用戶模擬器（QEMU）和KVM兩個(gè)模塊的持續(xù)不間斷的安全運(yùn)行。虛擬化過程中，系統(tǒng)設(shè)定是通過設(shè)計(jì)好的設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行文件保證KVM模塊和用戶模擬器之間信息交互式訪問和請(qǐng)求實(shí)現(xiàn)。在最初的KVM設(shè)計(jì)中，只需要在設(shè)備中寫入dev和KVM兩個(gè)參數(shù)文件，實(shí)現(xiàn)第一個(gè)虛擬機(jī)的初步的創(chuàng)建完成。在實(shí)現(xiàn)虛擬化在線遷移的過程中，常常遇到的一個(gè)難題就是如何更好地實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的可用性，即將內(nèi)存虛擬化有效聚合到KVM模塊中。在最新的技術(shù)解決方案中，在KVM模塊中添加進(jìn)了一種多維應(yīng)答機(jī)制，首先記錄虛擬內(nèi)存首次請(qǐng)求訪問時(shí)間，記錄下來，并且反向追蹤兩個(gè)地理位置編碼及位置編碼，可以方便地將需要虛擬物理地址同實(shí)際物理地址進(jìn)行對(duì)調(diào)，同時(shí)隱藏地址信息。

通過軟件編程及圖形化界面展示的用戶模擬器具有兩個(gè)最突出的優(yōu)點(diǎn)：第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在支持編譯和操作的編譯環(huán)境或者軟件平臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)在線虛擬化；第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是支持各種異構(gòu)系統(tǒng)模式。最新的用戶模擬器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全硬件的技術(shù)支持，同時(shí)可以支持多終端的控制以及多模式自動(dòng)切換，增加了WINDOWS系統(tǒng)的支持。傳統(tǒng)的運(yùn)行模式需要用戶首先切換到系統(tǒng)默認(rèn)的仿真模式環(huán)境中，然后等待系統(tǒng)調(diào)用內(nèi)核完成后，依賴于Linux的指令實(shí)現(xiàn)進(jìn)程一步步運(yùn)行。一個(gè)更超前的的虛擬機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)劃已經(jīng)被諸多云計(jì)算服務(wù)商嘗試于用戶模擬器中，第一階段的代碼實(shí)現(xiàn)了外設(shè)虛擬化的接入，同時(shí)完整地嵌入了全部CPU以及完整的內(nèi)存，這種先進(jìn)的設(shè)計(jì)逐步被眾多技術(shù)員與用戶所接受。隨著技術(shù)的改進(jìn)和代碼的優(yōu)化，更多基于KVM模塊的用戶模擬器優(yōu)化方案被提出來，例如在虛擬機(jī)運(yùn)行過程中時(shí)，使用KVM模塊將用戶模擬器優(yōu)先調(diào)用到Linux內(nèi)核中，并將用戶模擬器置于相應(yīng)的運(yùn)行模式，而不是傳統(tǒng)的模式。每當(dāng)虛擬機(jī)處理輸入和輸出操作請(qǐng)求時(shí)，由用戶模擬器決定是否需要調(diào)用KVM獲取上一次的接入信息調(diào)用并反饋給用戶模擬器。進(jìn)一步理解，用戶模擬器使用KVM模塊的目的是提供基于全硬件資源下的虛擬化加速，從而將虛擬機(jī)的處理效率和內(nèi)存占用控制在一個(gè)合理的閾值內(nèi)。換句話說，我們將在用戶模擬器的代碼寫入一個(gè)共享的設(shè)備文件中，同時(shí)加載入KVM模塊中的代碼文件，兩者的代碼可以互相調(diào)用并檢測(cè)運(yùn)行狀態(tài)，這樣用戶模擬器可以根據(jù)設(shè)備文件的返回參數(shù)決定是否有必要更改當(dāng)前的環(huán)境設(shè)置或者直接停止并調(diào)用備用虛擬加速資源。綜合當(dāng)前主流技術(shù)，KVM完全可以聚合任何選擇支持的模擬程序，但是實(shí)際運(yùn)行結(jié)果顯示目前最成熟的案例還是用戶模擬器與KVM的匹配模式。endprint

Libvirt是支持Linux環(huán)境下的免費(fèi)、開源的最主流的虛擬化工具的C函數(shù)庫，可以為不同類型的虛擬機(jī)監(jiān)視器比如Hyperbivisor虛擬監(jiān)視器分享一個(gè)統(tǒng)一的圖形化管理模式。 Libvirt不是Tools，而僅僅是為虛擬化技術(shù)服務(wù)提供管理工具的API庫。Libvirt除了支持監(jiān)視器服務(wù)外，最主要的任務(wù)是方便管理員管理虛擬機(jī)和虛擬機(jī)上運(yùn)行參數(shù)控制包括磁盤存儲(chǔ)空間的分配與管理，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的控制，內(nèi)存占用控制和最關(guān)鍵的虛擬化遷移進(jìn)程保證等。

在線遷移包括3個(gè)階段：準(zhǔn)備階段，遷移階段和轉(zhuǎn)換階段，介紹了基于KVM虛擬化技術(shù)的在線遷移方案。同時(shí)，研究如何通過UCloud底層KVM虛擬化技術(shù)優(yōu)化虛擬機(jī)的在線遷移[5-7]。其中，遷移環(huán)境為虛擬化的底層KVM + Qemu，虛擬化管理Libvirt，虛擬化網(wǎng)絡(luò)Openvstack。

4 結(jié)語

通過上述的在線遷移優(yōu)化步驟，可以在KVM虛擬化平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)跨越遷移，保證數(shù)據(jù)的兩端一致性，從而實(shí)現(xiàn)各種大型云平臺(tái)負(fù)載平衡和系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)運(yùn)行和維護(hù)保證虛擬機(jī)性能的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，從用戶的角度來看，可以持續(xù)與虛擬機(jī)交互，整個(gè)遷移過程對(duì)用戶來說是透明的。目前的KVM虛擬化在線遷移可以適應(yīng)大多數(shù)用戶虛擬機(jī)遷移，避免繁瑣的步驟，并減少數(shù)據(jù)丟失的可能性。

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