基于Xen的虚拟磁盘I/O监控方法及应用

论文摘要

虚拟化技术作为云计算产业的支撑性技术,被誉为对整个信息产业有突破性影响的信息技术。磁盘是绝大部分服务器所必须的I/O设备,提供了最基本的数据读／写服务,具有性能要求高、内部状态不易控制等特点。目前,虚拟磁盘已经成为了制约虚拟机性能和功能的瓶颈之一。本文在对虚拟化技术和Xen虚拟化平台调研基础上,深入分析了磁盘虚拟化技术的原理和实现,并针对Xen虚拟磁盘模型进行了重点研究：对Xen平台物理磁盘、逻辑卷和磁盘镜像三种虚拟磁盘格式与Xen常用的四种读写方式的磁盘读写速度进行了测试,探讨了不同的虚拟磁盘格式和读写方式的特点以及它们对虚拟机访问虚拟磁盘速度的影响。目前,Xen平台下缺乏对虚拟磁盘状态的实时监控功能,并且基于虚拟磁盘的相关应用也迫切需要虚拟磁盘I/O的监控,因此,本文设计和实现了基于Xen的虚拟磁盘I/O监控方法——DM (Disk Monitor).在对XenHVM和PVHVM模型下虚拟磁盘的设备发现流程和I/O转换传送流程的详细分析后发现,只要选取I/O请求截获点并识别截获内容,即可实时监控虚拟磁盘I/O。同时,为了保证DM的可靠性、性能和可扩展性,我们将DM的模块划分为了内核态和用户态两部分,内核态的模块包括监听模块和通信模块。用户态的模块包括通信模块、数据收集模块、虚拟磁盘操作模块、用户交互模块,通过以上六个模块的交互,完成了虚拟磁盘状态实时监控的基本功能,如显示虚拟磁盘I/O磁盘状态、开始或暂停监听指定虚拟磁盘I/O、I/O回放、I/O阻塞等重要功能。经过四种应用场景下的功能测试和验证,DM能够完成虚拟磁盘I/O实时监控的需求,并能够在此基础上提供API对虚拟磁盘进行操作和管理。在企业级数据中心虚拟化服务器中,虚拟机备份和恢复是有着广泛的应用范围的关键功能,目前,Xen只能通过快照功能完成虚拟备份和恢复,并且虚拟磁盘的备份只能局限于利用逻辑卷已有的快照功能。本文在DM的基础之上,设计并实现了基于DM的虚拟机备份,经测试,虚拟机备份能够完成增强型快照、增量备份、差异备份和持续数据保护功能,适用于通用虚拟磁盘设备从而有效弥补原有快照功能在磁盘格式上的局限性。同时,基于数据块的增量备份、差异备份和持续数据保护功能,能够有效满足实际数据中心的存储备份和恢复的需求。此外,在分布式存储环境和广域网环境下,带虚拟磁盘迁移的全系统迁移能够在整合物理资源、降低功耗等方面也有着较广泛的应用,因此本文进一步详细分析了,Xen PVHVM虚拟机模型下的基于DM的全系统迁移的架构设计。本文最后对磁盘虚拟化技术面临的问题进行总结,并对未来的研究工作进行了分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 虚拟化技术的背景及研究意义
• 1.2 磁盘虚拟化技术的背景及研究意义
• 1.3 论文研究内容和组织结构
• 第二章 磁盘虚拟化的研究及测试
• 2.1 虚拟化及磁盘虚拟化技术简介
• 2.1.1 虚拟化技术的基本原理和分类
• 2.1.2 磁盘虚拟化的设计目标和基本原理
• 2.2 XEN虚拟磁盘设备模型的分析
• 2.2.1 Xen及其虚拟化技术
• 2.2.2 Xen虚拟磁盘设备模型
• 2.2.3 虚拟磁盘格式和读写方式
• 2.3 虚拟磁盘的性能测试和分析
• 2.3.1 测试环境
• 2.3.2 测试方法
• 2.3.3 测试结果和分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于Xen的虚拟磁盘I/O监控方法DM——分析和设计
• 3.1 XEN虚拟磁盘I/O的源码分析和测试
• 3.1.1 虚拟磁盘I/O的整体流程
• 3.1.2 虚拟磁盘的设备发现流程
• 3.1.3 虚拟磁盘I/O的转换和传送
• 3.2 虚拟磁盘I/O监控方法的设计
• 3.2.1 可行性分析
• 3.2.2 基本思路和需求
• 3.2.3 基本模块设计
• 3.2.4 详细设计
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于Xen的虚拟磁盘I/O监控方法DM——实现
• 4.1 内核态模块实现
• 4.1.1 监听
• 4.1.2 通信
• 4.2 用户态模块的实现
• 4.2.1 通信
• 4.2.2 数据收集
• 4.2.3 虚拟磁盘操作
• 4.2.4 用户交互
• 4.3 功能测试
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于DM的虚拟机备份和全系统迁移的设计与实现
• 5.1 基于DM的虚拟机备份的设计和实现
• 5.1.1 虚拟机备份的分析
• 5.1.2 虚拟机备份的设计
• 5.1.3 虚拟机备份的实现
• 5.1.4 功能测试
• 5.2 基于Xen PVHVM的全系统迁移的研究和设计
• 5.2.1 研究和分析
• 5.2.2 架构设计
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 今后研究展望
• 参考文献
• 缩略语
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文和科研情况