CN102541468A

CN102541468A - 虚拟化环境下的脏数据回写系统

Info

Publication number: CN102541468A
Application number: CN2011104106798A
Authority: CN
Inventors: 金海�; 廖小飞; 张琦; 李丁丁
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2031-12-12
Also published as: CN102541468B

Abstract

本发明公开了一种虚拟化环境下的脏数据回写系统，包括虚拟机模块、特权操作模块以及虚拟机管理器模块，虚拟机模块用于将来自用户应用程序的物理磁盘读写请求以及脏数据发送到特权操作模块，特权操作模块用于将物理磁盘读写请求和脏数据存储在虚拟机管理器模块的虚拟机缓存中，并在虚拟机缓存的使用率达到预定阈值时处理物理磁盘读写请求，并将脏数据传输到物理磁盘。本发明能够提高虚拟机物理磁盘读写速度以及虚拟机物理磁盘带宽利用率，增强虚拟机文件系统的可靠性，减小同一物理平台上不同虚拟机之间物理磁盘读写操作的干扰，同时具有对虚拟机中应用程序和虚拟机操作系统的透明性以及对虚拟化平台的可扩展性。

Description

虚拟化环境下的脏数据回写系统

技术领域

本发明涉及计算系统虚拟化领域，更具体地说，本发明涉及一种虚拟机环境下的脏数据回写系统。

背景技术

在虚拟化平台的设计中，为了保证系统的安全性，虚拟机中的指令不能直接控制物理硬件，只能由虚拟机管理器代为操作。现有的虚拟机物理磁盘读写方法运用前后端分离驱动模型来减小虚拟化平台带来的物理磁盘读写性能开销。

然而，现有的虚拟机物理磁盘读写方法存在以下三方面的不足：1、此方法限制了虚拟机物理磁盘读写操作的带宽；2、此方法没有对多个虚拟机的物理磁盘读写操作进行有效地隔离，使得虚拟机之间产生物理磁盘读写性能干扰；3、当虚拟机的文件系统意外崩溃时，此方法没有很好的保护虚拟机内存中的有效且还没来得及写入物理磁盘的数据(即脏数据)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种虚拟化环境下的脏数据回写系统，其能够提高虚拟机物理磁盘读写速度以及虚拟机物理磁盘带宽利用率，增强虚拟机文件系统的可靠性，减小同一物理平台上不同虚拟机之间物理磁盘读写操作的干扰，同时具有对虚拟机中应用程序和虚拟机操作系统的透明性以及对虚拟化平台的可扩展性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种虚拟化环境下的脏数据回写系统，包括虚拟机模块、特权操作模块以及虚拟机管理器模块，虚拟机模块用于将来自用户应用程序的物理磁盘读写请求以及脏数据发送到特权操作模块，特权操作模块用于将物理磁盘读写请求和脏数据存储在虚拟机管理器模块的虚拟机缓存中，并在虚拟机缓存的使用率达到预定阈值时处理物理磁盘读写请求，并将脏数据传输到物理磁盘。

虚拟机模块包括虚拟机心跳信息检测子模块、物理磁盘前端驱动子模块以及内存脏数据保护子模块，特权操作模块包括虚拟机心跳信息接收子模块、物理磁盘后端驱动子模块、物理磁盘读写请求管理子模块、缓存信息收集子模块以及缓存刷新控制子模块，虚拟机管理器模块包括虚拟机磁盘缓存子模块，虚拟机心跳信息检测子模块用于每隔一段时间向虚拟机心跳信息接收子模块发送虚拟机心跳信息，物理磁盘前端驱动子模块用于接收物理磁盘读写请求以及脏数据，将脏数据按照其内存数据块所对应的物理磁盘地址进行排序，并把内存数据块共享给物理磁盘后端驱动子模块，内存脏数据保护子模块用于定时扫描用户应用程序，并在发现有程序意外崩溃时锁定用户应用程序所对应的脏数据，物理磁盘后端驱动子模块用于访问物理磁盘前端驱动子模块的共享内存数据块，以获取排序的物理磁盘读写请求和脏数据，并将物理磁盘读写请求以及脏数据传送给物理磁盘读写请求管理子模块，物理磁盘读写请求管理子模块用于接收物理磁盘读写请求以及脏数据，将物理磁盘读写请求以及脏数据以平衡二叉树以及哈希表的数据结构存放在虚拟机磁盘缓存子模块中，并在新的物理磁盘读写请求到达时更新虚拟机磁盘缓存子模块中的数据，缓存信息收集子模块用于检测虚拟机磁盘缓存子模块的使用率，并在使用率达到预定阈值时，向缓存刷新控制模块发送刷新请求，缓存刷新控制子模块用于在接收到刷新请求之后处理虚拟机磁盘缓存子模块中的物理磁盘读写请求，并将脏数据写入物理磁盘，虚拟机心跳信息接收子模块用于定时接收来自虚拟机心跳信息检测子模块的虚拟机心跳信息，并在一定时间未接收到虚拟机心跳信息之后通知缓存刷新控制子模块开始处理物理磁盘读写请求，虚拟机磁盘缓存子模块用于接收并存储来自物理磁盘后端驱动子模块中的物理磁盘读写请求以及脏数据。

预定阈值为虚拟机磁盘缓存子模块的容量的60％至70％。

本发明的优点在于：

1、本发明提高了虚拟机物理磁盘读写速度以及虚拟机物理磁盘带宽利用率；脏数据到达虚拟机缓存时读写操作即可返回，因此有限的物理磁盘带宽可以更多地分配给对物理磁盘需求量大的虚拟机使用。

2、本发明增强了虚拟机文件系统的可靠性；由于虚拟机的脏数据全部存储在位于虚拟机管理器的虚拟机缓存中，因此，即使虚拟机突然崩溃，其脏数据也不会丢失，而且仍然可以被正确地写入物理磁盘。

3、本发明减小了同一物理平台上不同虚拟机之间物理磁盘读写操作的干扰；由于虚拟机缓存充当了虚拟磁盘的角色，因此物理磁盘不再是多个虚拟机竞争的主要资源。

4、本发明具有对虚拟机中应用程序和虚拟机操作系统的透明性以及对虚拟化平台的可扩展性。本发明无需对虚拟机操作系统进行任何修改，可以适用于任何虚拟化平台。

附图说明

图1为本发明虚拟化环境下的脏数据回写系统的系统框图。

具体实施方式

以下首先对本发明的技术术语进行解释和说明：

用户应用程序：为了完成某项或某几项特定任务而被开发运行于操作系统之上的计算机程序。

脏数据：计算机内存中的有效且还没来得及写入物理磁盘的数据。

虚拟机缓存的使用率：正在被使用的虚拟机缓存大小与虚拟机缓存总量的百分比。

虚拟机心跳信息：一种用于在计算机之间周期性传输的电子信号，此信号用于判断计算机的工作状态。

平衡二叉树：一种计算机科学中的数据结构。表示一棵空树或它的左右两个子树的高度差的绝对值不超过1，并且左右两个子树都是一棵平衡二叉树的树。

如图1所示，本发明虚拟化环境下的脏数据回写系统包括虚拟机模块1、特权操作模块2以及虚拟机管理器模块3。

虚拟机模块1包括虚拟机心跳信息检测子模块11、物理磁盘前端驱动子模块12以及内存脏数据保护子模块13。

特权操作模块2包括虚拟机心跳信息接收子模块21、物理磁盘后端驱动子模块22、物理磁盘读写请求管理子模块23、缓存信息收集子模块24以及缓存刷新控制子模块25。

虚拟机管理器模块3包括虚拟机磁盘缓存子模块31。

虚拟机模块1用于将来自用户应用程序的物理磁盘读写请求以及脏数据发送到特权操作模块2。

特权操作模块2用于将物理磁盘读写请求和脏数据存储在虚拟机管理器模块1的虚拟机缓存子模块31中，在虚拟机缓存子模块31的使用率达到预定阈值时处理物理磁盘读写请求，并将脏数据传输到物理磁盘。在本实施方式中，预定阈值为虚拟机物理磁盘缓存模块的容量的60％至70％。

虚拟机心跳信息检测子模块11用于每隔一段时间向虚拟机心跳信息接收子模块21发送虚拟机心跳信息。

物理磁盘前端驱动子模块22用于接收物理磁盘读写请求以及脏数据，脏数据按照其内存数据块所对应的物理磁盘地址进行排序，并把内存数据块共享给物理磁盘后端驱动子模块22。

内存脏数据保护子模块13用于定时扫描用户应用程序，并在发现有程序意外崩溃时锁定用户应用程序所对应的脏数据。

物理磁盘后端驱动子模块22用于访问物理磁盘驱动前端模块12的共享内存数据块，以获取排序的物理磁盘读写请求和脏数据，并将物理磁盘读写请求以及脏数据传送给物理磁盘读写请求管理子模块23。

物理磁盘读写请求管理子模块23用于接收物理磁盘读写请求以及脏数据，将物理磁盘读写请求以及脏数据以平衡二叉树以及哈希表的数据结构存放在虚拟机磁盘缓存子模块31中，并在新的物理磁盘读写请求到达时更新虚拟机磁盘缓存子模块31中的数据。

缓存信息收集子模块24用于检测虚拟机磁盘缓存子模块31的使用率，并在使用率达到预定阈值时，向缓存刷新控制子模块25发送刷新请求。

缓存刷新控制子模块25用于在接收到刷新请求之后处理虚拟机磁盘缓存子模块31中的物理磁盘读写请求，并将脏数据写入物理磁盘。

虚拟机心跳信息接收子模块21用于定时接收来自虚拟机心跳信息检测子模块11的虚拟机心跳信息，并在一定时间未接收到虚拟机心跳信息之后通知缓存刷新控制子模块25开始处理物理磁盘读写请求。

虚拟机磁盘缓存子模块31用于接收并存储来自物理磁盘后端驱动子模块22的物理磁盘读写请求以及脏数据。

本发明的工作原理如下：

首先，物理磁盘前端驱动子模块12接收来自用户应用程序的物理磁盘读写请求以及脏数据，脏数据按照其内存数据块所对应的物理磁盘地址进行排序，并把内存数据块共享给物理磁盘后端驱动子模块22。然后，物理磁盘后端驱动子模块22访问物理磁盘驱动前端模块12的共享内存数据块，并获取已排序的物理磁盘读写请求和脏数据，并将物理磁盘读写请求以及脏数据传送给物理磁盘读写请求管理子模块23。当物理磁盘读写请求管理子模块23接收到物理磁盘读写请求以及脏数据时，物理磁盘读写请求管理子模块23便将物理磁盘读写请求以及脏数据以平衡二叉树以及哈希表的数据结构存放在虚拟机磁盘缓存子模块31中，并在新的物理磁盘读写请求到达时更新虚拟机磁盘缓存子模块31中的数据；在此过程中，缓存信息收集子模块24定时检测虚拟机磁盘缓存子模块31的使用率，当使用率达到预定阈值时，便向缓存刷新控制子模块25发送刷新请求；一旦缓存刷新控制子模块25接收到刷新请求，缓存刷新控制子模块25就开始处理物理磁盘读写请求并最终完成物理磁盘数据传输。最后，虚拟机心跳信息检测子模块11每隔一段时间便会向虚拟机心跳信息接收子模块21发送虚拟机心跳信息；当虚拟机心跳信息接收子模块21在一定时间未接收到虚拟机心跳信息之后便通知缓存刷新控制子模块25开始处理物理磁盘读写请求。

Claims

1. 一种虚拟化环境下的脏数据回写系统，包括虚拟机模块、特权操作模块以及虚拟机管理器模块，其特征在于，

所述虚拟机模块用于将来自用户应用程序的物理磁盘读写请求以及脏数据发送到所述特权操作模块；

所述特权操作模块用于将所述物理磁盘读写请求和所述脏数据存储在所述虚拟机管理器模块的虚拟机缓存中，并在所述虚拟机缓存的使用率达到预定阈值时处理所述物理磁盘读写请求，并将所述脏数据传输到物理磁盘。

2.根据权利要求1所述的脏数据回写系统，其特征在于，

所述虚拟机模块包括虚拟机心跳信息检测子模块、物理磁盘前端驱动子模块以及内存脏数据保护子模块；

所述特权操作模块包括虚拟机心跳信息接收子模块、物理磁盘后端驱动子模块、物理磁盘读写请求管理子模块、缓存信息收集子模块以及缓存刷新控制子模块；

虚拟机管理器模块包括虚拟机磁盘缓存子模块；

所述虚拟机心跳信息检测子模块用于每隔一段时间向所述虚拟机心跳信息接收子模块发送虚拟机心跳信息；

所述物理磁盘前端驱动子模块用于接收所述物理磁盘读写请求以及所述脏数据，将所述脏数据按照其内存数据块所对应的物理磁盘地址进行排序，并把所述内存数据块共享给所述物理磁盘后端驱动子模块；

所述内存脏数据保护子模块用于定时扫描所述用户应用程序，并在发现有程序意外崩溃时锁定所述用户应用程序所对应的脏数据；

所述物理磁盘后端驱动子模块用于访问所述物理磁盘前端驱动子模块的所述共享内存数据块，以获取排序的物理磁盘读写请求和脏数据，并将所述物理磁盘读写请求以及所述脏数据传送给所述物理磁盘读写请求管理子模块；

所述物理磁盘读写请求管理子模块用于接收所述物理磁盘读写请求以及所述脏数据，将所述物理磁盘读写请求以及所述脏数据以平衡二叉树以及哈希表的数据结构存放在所述虚拟机磁盘缓存子模块中，并在新的物理磁盘读写请求到达时更新所述虚拟机磁盘缓存子模块中的数据；

所述缓存信息收集子模块用于检测所述虚拟机磁盘缓存子模块的使用率，并在所述使用率达到所述预定阈值时，向所述缓存刷新控制模块发送刷新请求；

所述缓存刷新控制子模块用于在接收到所述刷新请求之后处理所述虚拟机磁盘缓存子模块中的所述物理磁盘读写请求，并将所述脏数据写入物理磁盘；

所述虚拟机心跳信息接收子模块用于定时接收来自所述虚拟机心跳信息检测子模块的所述虚拟机心跳信息，并在一定时间未接收到所述虚拟机心跳信息之后通知所述缓存刷新控制子模块开始处理所述物理磁盘读写请求；

所述虚拟机磁盘缓存子模块用于接收并存储来自所述物理磁盘后端驱动子模块中的所述物理磁盘读写请求以及所述脏数据。

3.根据权利要求1或2所述的脏数据回写系统，其特征在于，所述预定阈值为所述虚拟机磁盘缓存子模块的容量的60%至70%。