基于文件的Xen虚拟磁盘研究

论文摘要

随着互联网的发展,对软件兼容性和可移植性需求剧增,虚拟机技术的发展进入了一个繁荣的时代,成为计算机科学领域发展最快的技术之一。根据虚拟机管理器(VMM:Virtual Machine Monitor)抽象的虚拟机架构的不同,或根据是否需要修改客户操作系统,虚拟化技术可以分为准虚拟化和完全虚拟化。Xen作为英国剑桥大学研究组提出的一个虚拟化实现方案,最初采用准虚拟化的实现。I/O性能始终是虚拟化技术的一个薄弱环节。作为I/O虚拟化技术的重要一环,本论文对准虚拟化下Xen的磁盘虚拟化做了深入的研究,详细分析了虚拟机访问磁盘的流程、特征和工作原理,探讨了不同的访问模式和读写方式对虚拟机访问虚拟磁盘速度的影响,阐述了不同格式的虚拟磁盘文件作为虚拟存储设备的优劣。同时,着重选择功能最强大,Xen最常用的Qcow格式文件作为研究对象,在原有Qcow虚拟磁盘访问模型的基础上,引入TLB和Cache技术,同时针对该格式本身的特点,在异步访问的模型上加入了特殊的预读机制,使得虚拟机对虚拟磁盘的I/O操作部分转化为直接对内存的读写操作,减少通过Xen访问物理磁盘的开销来提高系统磁盘I/O性能。最后通过搭建实验环境对改进后的系统进行测试,验证了改进后的虚拟磁盘访问模型可以稳定的运行,其性能比原有模型有较大的提高。这些改进方法具有一定的代表性和通用性,稍加改动后即可适用于其他不同的磁盘文件格式和不同的I/O虚拟化方式,具有较强的使用价值和广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 立题的意义
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 虚拟机的发展
• 1.2.2 完全虚拟化和准虚拟化
• 1.2.3 其他典型的虚拟机
• 1.2.4 设备虚拟化技术
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 虚拟机磁盘相关技术
• 2.1 虚拟机磁盘实现机制
• 2.1.1 虚拟机Xen
• 2.1.2 重要实现机制
• 2.2 虚拟磁盘存储技术
• 2.3 传统的TLB 与CACHE
• 2.3.1 TLB
• 2.3.2 Cache
• 2.4 文件预读
• 2.5 本章小结
• 第三章 XEN 磁盘虚拟化模型
• 3.1 磁盘虚拟化原理
• 3.1.1 准虚拟化下虚拟磁盘访问
• 3.1.2 全虚拟化下虚拟磁盘访问
• 3.1.3 加入PV Driver
• 3.2 驱动BLKTAP 实现基于文件
• 3.3 引入异步IO 机制
• 3.4 虚拟磁盘文件
• 3.4.1 常用虚拟磁盘文件格式
• 3.4.2 Qcow 格式
• 3.5 本章小结
• 第四章 虚拟磁盘访问策略改进设计与实现
• 4.1 引入TLB 寻址机制
• 4.1.1 TLB 设计
• 4.1.2 TLB 实现
• 4.2 引入CACHE 缓存机制
• 4.2.1 Cache 设计
• 4.2.2 Cache 实现
• 4.3 引入文件预取策略
• 4.3.1 预取策略设计
• 4.3.2 预取策略实现
• 4.4 本章小结
• 第五章 虚拟磁盘访问实验与分析
• 5.1 实验工具及环境
• 5.2 同步异步性能比较
• 5.3 使用不同文件格式性能比较
• 5.4 加入缓存预取等策略后的性能改进
• 5.4.1 小块顺序读写
• 5.4.2 大块顺序读写
• 5.4.3 小块乱序读写
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文