基于Xen的虚拟机动态迁移技术研究及应用

论文摘要

近年来,虚拟机技术由于能够很好的屏蔽底层硬件资源的异构特性,具有提高资源使用效率,增强系统弹性和扩展性,减少硬件投资及管理维护成本等诸多优势而被广泛的应用于资源服务整合、系统安全、分布式计算以及新兴的云计算等领域。虚拟机动态迁移技术作为虚拟机技术的一个重要特征,能够完整无缝地将运行着的虚拟机从一台物理主机迁移到另一台物理主机,同时实现操作系统和应用软件的动态迁移,宕机时间在毫秒级别,它是实现物理机之间负载均衡、使系统达到高可用性和高可靠性的核心关键技术,也是当前虚拟化和云计算相关领域的研究热点之一。本文在深入分析Xen虚拟机体系结构的基础上,对虚拟机动态迁移技术及云环境下的虚拟机管理框架进行了深入研究,具体做了如下工作。首先,本文对Xen虚拟机技术及动态迁移技术进行了深入地研究,针对Xen原有内存迁移算法在虚拟机脏页率高时存在的拷贝效率低的问题,提出了一种改进的加权统计预拷贝算法。该算法对多次收集到的脏页信息进行加权统计,优先选择传送修改频率低并且在一段时间内不被使用的页面,对于修改频率高的页面在虚拟机挂起后传送,该算法能够有效减少内存页面传送数量,缩短总迁移时间。其次,本文设计实现了一个云环境下的虚拟机迁移管理框架,提供以手动和自动控制两种方式进行虚拟机动态迁移。在自动迁移控制方式下,通过监控系统中的平台负载信息,可以检测物理机负载状态。当某台物理机资源被使用过载而成为热点时,迁移管理框架会自动选择迁移其上的部分虚拟机到其他物理机上,从而降低该物理机资源的使用率,消除热点。最后,通过大量实验对所提出的加权统计预拷贝迁移算法的性能和迁移框架的功能进行了验证。实验表明当虚拟机处于重负载脏页率较高时,所提出的算法能够减少内存页面传送数量、有效缩短总迁移时间,并不会明显增加虚拟机宕机时间,与原迁移算法相比,总迁移时间缩短了15%,内存页面传送数量减少了20%；此外,从物理机内存使用率的角度,对迁移管理框架的功能进行了实验验证,结果表明,所提出的迁移框架能够及时检测内存使用率热点,并能够自动通过动态迁移虚拟机来消除热点,从而实现负载平衡。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 1.4 本文的组织结构
• 第2章 Xen体系结构与迁移技术研究
• 2.1 虚拟机技术概述
• 2.1.1 虚拟化分类
• 2.1.2 虚拟化模型
• 2.1.3 几种虚拟化平台
• 2.2 Xen体系结构
• 2.2.1 CPU虚拟化
• 2.2.2 内存虚拟化
• 2.2.3 I/O设备虚拟化
• 2.3 Xen虚拟机动态迁移技术
• 2.3.1 动态迁移概述
• 2.3.2 动态迁移流程
• 2.3.3 内存迁移的实现
• 2.4 本章小结
• 第3章 加权预拷贝算法的设计与实现
• 3.1 算法的提出
• 3.2 设计思路
• 3.3 算法的设计
• 3.3.1 重要的数据结构和变量
• 3.3.2 算法流程
• 3.4 算法的实现
• 3.4.1 收集内存脏页信息
• 3.4.2 计算权值
• 3.4.3 标记页面
• 3.5 收集次数对算法性能影响分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 迁移管理框架的设计与实现
• 4.1 开发背景
• 4.2 设计原则
• 4.3 框架设计
• 4.3.1 整体架构设计
• 4.3.2 各功能模块设计
• 4.3.3 迁移管理框架执行流程
• 4.4 策略设计
• 4.4.1 热点检测策略
• 4.4.2 迁移策略
• 4.5 迁移管理框架实现
• 4.5.1 开发语言与函数库
• 4.5.2 命令和消息的定义
• 4.5.3 迁移相关模块的实现
• 4.5.4 其他模块的实现
• 4.6 本章小结
• 第5章 实验与分析
• 5.1 实验环境
• 5.1.1 硬件环境
• 5.1.2 软件环境
• 5.2 实验结果
• 5.2.1 迁移算法分析
• 5.2.2 热点检测与自动迁移
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间参加的科研项目