基于虚拟化的云计算平台内存资源协同共享技术研究

论文摘要

随着互联网信息服务的快速增长和用户对信息服务的逐渐依赖,互联网服务提供商面临着以更低成本提供更好服务的挑战,为此拥有按使用付费和高性价比的云计算模式受到了越来越多企业和用户的青睐。借助虚拟化技术,云计算能将大规模计算资源统一管理,提高了资源利用效率,简化了管理和维护成本,并为用户提供易获取、易扩展的按需服务。虚拟化技术能将计算资源逻辑抽象并统一表示,常常成为搭建云计算平台的技术基础,然而在对资源虚拟化的过程中会面对两大挑战:一是性能损失问题;二是虚拟机与服务器之间的“语义鸿沟”。再加上内存资源作为三大关键计算资源之一,比CPU和I/O设备更难实现复用和共享,所以成为影响系统性能的瓶颈。针对这些难题,本文进行了基于虚拟化的云计算平台内存资源协同共享技术研究和实践工作,主要研究内容包括以下几个方面:一、在深入分析Xen半虚拟化平台的基础上,提出并实现了一个在虚拟机管理器端动态获取各虚拟机内存资源使用状况的方法,跨越了虚拟机与虚拟机管理器之间“语义鸿沟”。二、在深入分析已有研究工作的基础上,本文提出了虚拟机空闲内存划分视图和虚拟机内存资源划分视图,并依此设计实现了虚拟机间内存资源动态调度机制。该机制能在保证虚拟机运行性能的前提下,提高内存资源的利用率;并赋予虚拟机内存资源弹性变化的能力,为云计算中灵活易扩展的按需服务模式提供技术基础。三、在深入研究Xen基于内容的页共享机制的基础上,本文发现了该机制实现过程中的缺陷和问题,并提出了相应的解决方案。实验证明经本文工作修补和完善的Xen基于内容的页共享机制能够正常运行,并能大幅减少物理服务器上冗余的内存页面,提高了内存资源的利用率。四、基于上述关键技术的研究,本文设计并实现了内存资源在商业模式中的应用机制:为用户购买的内存资源提供灵活多样的可选配置和按使用量计费的技术支持。本文是对系统虚拟化技术中内存资源协同共享技术的一次有益探索,研究成果对于搭建灵活易扩展并拥有海量数据处理能力的云计算平台具有良好的理论价值和实践意义。本文所做的工作已在承研的国家重点基础研究发展计划(973计划)、自然科学基金以及实际的商业环境中得到了应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 云计算平台的划时代优势
• 1.2 云计算与虚拟化技术
• 1.2.1 云计算平台架构
• 1.2.2 系统虚拟化技术
• 1.3 基于虚拟化的内存资源管理技术
• 1.3.1 内存资源的虚拟化
• 1.3.2 内存资源协同共享的面临的挑战
• 1.4 本文工作
• 1.4.1 内存资源使用情况动态评估
• 1.4.2 内存资源调度管理机制实现
• 1.4.3 基于内容的页共享技术研究
• 1.4.4 内存资源按需使用及计费设计
• 1.5 论文结构
• 第二章 相关技术研究
• 2.1 调整虚拟机物理内存
• 2.1.1 虚拟机管理器内存换页技术
• 2.1.2 气球驱动技术
• 2.1.3 内存热插拔技术
• 2.1.4 基于内容的页共享技术
• 2.2 内存资源分配策略
• 2.2.1 基于关键数据的内存资源自治调整
• 2.2.2 基于应用反馈的内存资源动态分配
• 2.2.3 基于建模评估的内存资源动态分配
• 2.2.4 超级内存技术
• 2.3 本章小结
• 第三章 动态评估内存使用情况
• 3.1 Xen 体系结构简介
• 3.2 Xen 内存管理机制
• 3.2.1 气球驱动调整物理内存
• 3.2.2 虚拟机管理器调整物理内存
• 3.3 监控虚拟机内存信息
• 3.3.1 选择合适的监控方式
• 3.3.2 选择合适的监控参数
• 3.4 采集全局内存信息
• 3.5 本章小结
• 第四章 内存资源动态调度管理机制
• 4.1 调度策略设计
• 4.1.1 空闲内存划分视图
• 4.1.2 内存资源划分视图
• 4.2 调度算法设计
• 4.2.1 计算需求
• 4.2.2 全局调度
• 4.3 调度流程实现
• 4.4 调度实现评测
• 4.4.1 评测工具和测试环境
• 4.4.2 系统性能测试
• 4.4.3 系统稳定性测试
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于内容的页共享机制
• 5.1 Xen 提供的内存页共享机制
• 5.1.1 关键数据结构和函数接口
• 5.1.2 页共享流程
• 5.2 面临的问题和解决方案
• 5.2.1 解除共享遇到死锁
• 5.2.2 与气球驱动不兼容
• 5.3 性能测试评估
• 5.3.1 测试环境
• 5.3.2 稳定性测试
• 5.3.3 内存节省量测试
• 5.3.4 I/O 性能测试
• 5.4 本章小结
• 第六章 支持商业模式设计
• 6.1 灵活的可选配置
• 6.1.1 低空闲阈值对性能的影响
• 6.1.2 内存调整单位对性能的影响
• 6.1.3 用户可选配置设计
• 6.2 按内存使用量计费
• 6.3 友好的监控前端
• 6.4 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果