CN102654841A

CN102654841A - 细粒度分配虚拟机计算资源的方法和设备

Info

Publication number: CN102654841A
Application number: CN2011100498935A
Authority: CN
Inventors: 江峰; 雷葆华; 张洁; 蔡永顺; 饶少阳; 王峰; 王志军
Original assignee: China Telecom Corp Ltd
Current assignee: China Telecom Corp Ltd
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2012-09-05

Abstract

本发明提出细粒度分配虚拟机计算资源的方法和设备。让虚拟机运行时间周期t；检查在时间周期t内虚拟机对CPU资源的占用率a；判断虚拟机对CPU资源的占用率a是否小于等于虚拟机对CPU资源的占用率的上限b，如果是，即a＜＝b，则虚拟机继续运行下一个时间周期，否则，让虚拟机暂停。本发明让虚拟机占用更细粒度的资源，并且这种占用是可控的，即使是很小一部分资源，服务质量也是有保证的。

Description

细粒度分配虚拟机计算资源的方法和设备

技术领域

本发明属于计算机领域中的虚拟化技术，尤其涉及细粒度分配虚拟机计算资源的方法和设备。

背景技术

虚拟化技术是一种用软件模拟计算机硬件的技术，自从虚拟化技术获得了硬件厂商的支持以来，这种软件模拟硬件的性能获得了巨大的提升了，以至于整个操作系统，例如Windows，不需要直接安装在物理硬件上，而是运行在虚拟硬件上，便可获得完全可以接受的性能。这种物理硬件，我们称之为物理机(Physical Machine，简称PM)，而虚拟硬件，我们称之为虚拟机(Virtual Machine，简称VM)，其上运行的操作系统称之为宾客操作系统(Guest OS，简称GOS)。管理虚拟机的软件，我们称之为虚拟机管理器(Virtual Machine Monitor，简称VMM)。

在物理机上运行的虚拟机管理器有两种形式：1)如图1所示，虚拟机管理器直接运行于物理机之上，在此之上运行一个特权操作系统，该特权操作系统具有对物理设备等资源的访问权限。其他的虚拟机也运行于虚拟机管理器之上，但是当访问物理设备时需要通过特权操作系统。2)如图2所示，在物理机上运行一个操作系统，称为宿主操作系统(HostOS)，虚拟机管理器运行于宿主操作系统之上，或者是作为宿主操作系统的一个模块。其他的虚拟机运行于虚拟机管理器之上，需要通过宿主操作系统才能访问物理设备。

但是，不论是哪种实现形式，特权操作系统或者宿主操作系统都可以观察到虚拟机当前的资源使用状态，并对虚拟机进行操作。例如如果采用KVM(Kernel-based Virtual Machine，基于内核的虚拟机)，虚拟机其实就是宿主操作系统的一个进程而已，宿主操作系统可以像控制其他进程一样的控制该虚拟机。

因此，为了描述方便，我们笼统的说“虚拟机管理器可以对虚拟机进行监视和控制”，尽管这种控制有时候是特权操作系统完成的，有时候是宿主操作系统完成的。

虚拟化技术带来的好处是明显的：我们可以动态的调整虚拟机的性能，因为它是软件模拟出来的。假设我们有一台配置很高的物理机，我们可以在这台物理机上创建多个虚拟机，并且可以让不同的虚拟机有不同的配置。对于占用计算机资源非常小的应用，我们可以只分配一个低配置的虚拟机；而对于占用计算机资源很大的应用，我们可以为其分配一个高配置的虚拟机。如果这个低配置的虚拟机的负载随着业务量的增加而变大时，我们可以动态的提高虚拟机的配置以满足性能的需求；而高配置的虚拟机的负载随着业务量的降低而变小时，我们可以动态的降低虚拟机的配置，从而把腾出来的计算资源分配给其他的虚拟机......。这种动态的调整完全可以由软件来实现，例如部署一台预装了Linux操作系统的虚拟机只需要几分钟，而不是几个小时。

有了虚拟化技术，IT管理员只需要在个人电脑上进行一些操作就可以完成原本非常复杂的IT资源管理任务。此外，在虚拟机里面安装和运行操作系统，与在物理机中一模一样。即使一台物理机上同时运行着多个虚拟机，虚拟机的使用者也不知道它是在与别人分享一台物理计算机，甚至他根本就不知道他用的是物理机还是虚拟机。

正因为上述好处，美国著名的亚马逊公司利用虚拟化技术将闲置的硬件服务器资源整合起来，形成一个虚拟的互联网数据中心(InternetData Center，IDC)，它颠覆了传统的IDC模式：人们通过亚马逊的网站就可以申请到一台虚拟机，并开展互联网业务，例如架设自己的网站，而无须自己购买物理机，大大降低了初期IT投资成本。同时，虚拟机是按小时而不是按年按月收费的，例如我们只需要花几块钱就可以使用该虚拟机。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，让虚拟机占用更细粒度的资源，并且这种占用是可控的，即使占用很小一部分资源，服务质量也是有保证的。

为了解决上述技术问题，本发明提出细粒度分配虚拟机计算资源的方法，其特征在于：

让虚拟机运行时间周期t；

检查在时间周期t内虚拟机对CPU资源的占用率a；

判断虚拟机对CPU资源的占用率a是否小于等于虚拟机对CPU资源的占用率的上限b，如果是，即a＜＝b，则虚拟机继续运行下一个时间周期，否则，让虚拟机暂停。

本发明还提出细粒度分配虚拟机计算资源的设备，其特征在于：

运行模块，用于让虚拟机运行时间周期t；

计时模块，耦合于运行模块，用于对虚拟机的运行时间进行计时；

检查模块，耦合于计时模块和运行模块，用于检查在时间周期t内虚拟机对CPU资源的占用率a；

判断模块，耦合于检查模块和运行模块，用于判断虚拟机对CPU资源的占用率a是否小于等于虚拟机对CPU资源的占用率的上限b，如果是，即a＜＝b，则通知运行模块让虚拟机继续运行下一个时间周期，否则，通知运行模块让虚拟机暂停。

与现有技术相比，本发明在虚拟机对CPU资源的占用率a大于虚拟机对CPU资源的占用率的上限b时，让虚拟机暂停。以通过暂停虚拟机的运行，使得之前运行的时间周期与暂停时间之和所确定的时间段内，平均CPU利用率小于等于CPU资源的占用率的上限b，即虚拟机暂停的时间s＞＝t＊(a/b-1)。让虚拟机占用更细粒度的资源，并且这种占用是可控的，即使占用很小一部分资源，服务质量也是有保证的。

尤其是，让虚拟机暂停的时间长度s＝t＊(a/b-1)，在整个s+t的时间段内，平均CPU利用率为b。可以使本虚拟机充分利用CPU的资源，并且不会影响其他虚拟机对CPU的使用，对本虚拟机和其他虚拟机而言，服务质量都可以得到保证。

附图说明

图1所示为现有技术中虚拟机管理器直接运行于物理机之上的示意图。

图2所示为现有技术中虚拟机管理器运行于宿主操作系统之上的示意图。

图3所示为本发明细粒度分配虚拟机计算资源的方法流程图。

图4所示为本发明细粒度分配虚拟机计算资源的设备结构示意图。

具体实施方式

虚拟化技术的另一个重要特点就是资源占用的隔离性。如果给第一个虚拟机分配一个CPU核心，给第二个虚拟机分配两个CPU核心。那么，即使第二个虚拟机完全闲置，第一个虚拟机无论多忙也不会抢占分配给第二个虚拟机的CPU核心的计算能力。这就保证了分配给第一个虚拟机和第二个虚拟机的资源是相互隔离的，尽管它们在同一台物理机上，也确保了虚拟IDC的服务是有质量保证的。

通过调研发现，IDC内部的计算机(包括物理机或者虚拟机)对计算资源的使用率非常低，通常只用到了CPU能力的5％左右，而95％的计算能力都被浪费了。即使通过虚拟化技术让虚拟机只使用一个物理核，也是一定程度的浪费。因此，我们需要一种技术来确保虚拟机占用更细粒度的资源，例如50％的CPU计算能力，并且该资源的占用是可控的，即不会抢占其他虚拟机的资源。

本发明的目的就是提出一种方案，让虚拟机占用更细粒度的资源，并且这种占用是可控的，即使是占用很小一部分资源，服务质量也是有保证的。

前面已经提到“虚拟机管理器可以对虚拟机进行监视和管理”，即可以获得虚拟机运行时的统计数据，并控制虚拟机的运行和暂停。

当虚拟机运行时，虚拟机管理器每隔一个很短的时间周期(该周期可以是定长，或者是动态变化的)就去检查一下在这个时间周期内虚拟机所占用的CPU资源情况。如果在这个周期内虚拟机对CPU资源占用率没有超过预设的阈值，则继续让虚拟机运行下一个周期(该周期的长短可以与上一个周期不同)。如果超过了预设的阈值，则让虚拟机暂停一段时间，然后再让虚拟机继续运行下一个周期。

具体的做法如图3所示，细粒度分配虚拟机计算资源的方法，包括以下步骤：

在步骤301，让虚拟机运行时间周期t。该时间周期t是一个很短的时间周期，该周期可以是定长，也可以是动态变化的。由于时间周期t可以是动态变化的，所以，如果要变更运行的时间周期，只要在执行下一个周期之前修改运行的时间周期即可。

在步骤302，检查在时间周期t内虚拟机对CPU资源的占用率a。

在步骤303，判断虚拟机对CPU资源的占用率a是否小于等于虚拟机对CPU资源的占用率的上限b，如果是，即a＜＝b，跳转到步骤301，虚拟机继续运行下一个时间周期t，否则，执行步骤304。

在步骤304，让虚拟机暂停。由于暂停的时间长度很短，在人体感觉上虚拟机是连续运行的，但是实际上虚拟机对CPU的资源占用率已经受到了限制。

在暂停之后，再让虚拟机继续运行。作为本发明的一个实施例，上述方法可以运行在虚拟机管理器、操作系统或第三方程序中。

其中，让虚拟机暂停的时间长度s＞＝t＊(a/b-1)，优选为s＝t＊(a/b-1)。因为我们要求CPU占用率不得超过b，而在时间t内的占用率为a，并且a＞b。那么我们需要让CPU停止一段时间s，使得在(s+t)这个时间段内的平均占用率为b。那么就有：(s+t)b＝a＊t。于是s＝t＊(a/b-1)。这样，在停止了s时间长度以后，在整个s+t的时间段内，平均CPU利用率为b。

如图4所示为本发明执行上述方法流程的设备结构示意图，即细粒度分配虚拟机计算资源的设备，包括：

运行模块，用于让虚拟机运行时间周期t。时间周期t是一个很短的时间周期，该周期可以是定长，也可以是动态变化的。由于时间周期t可以是动态变化的，所以，如果要变更运行的时间周期，只要在执行下一个周期之前修改运行的时间周期即可；

其中，判断模块通知运行模块让虚拟机暂停的时间长度s＞＝t＊(a/b-1)，优选为s＝t＊(a/b-1)。在暂停之后，再让虚拟机继续运行。作为本发明的一个实施例，所述设备运行在虚拟机管理器、操作系统或第三方程序中。

本发明让虚拟机只占用更细粒度的资源，并且这种占用是可控的，即使是占用很小一部分资源，服务质量也是有保证的。

所谓更细粒度的资源是指让虚拟机只能使用CPU资源的一部分，而非占用整个CPU。由于虚拟机本身的特性，当它需要资源的时候，它会不管不顾的占用尽可能多的资源来为自己服务。这样就会导致占用其他的虚拟机资源。而本发明就可以使得虚拟机对CPU资源的占用率不会超过设定的上限，不会占用其他虚拟机的资源，使得更细粒度的分配成为可能，服务质量也是有保证的。

下面通过具体实施例，对上述方法以及设备进行说明。以KVM虚拟化技术为例，宿主操作系统为Linux，虚拟机对于宿主操作系统来说其实就是一个进程，在进程控制方面与其他进程一样。在进程的执行时间度量方面，Linux采用“时钟滴答”作为单位，它与实际时间的换算关系随着不同物理机的设备特性和宿主操作系统的配置而不同，但是一旦物理机设备和操作系统确定，则每个“时钟滴答”都是一样长的。因此，我们可以换算出时钟滴答与实际时间的换算关系，例如在Linux服务器版本下，一个时钟滴答往往等于100ms，而Linux桌面版，一个时钟滴答往往等于50ms。那么，我们可以定义时钟滴答与实际时间之间的映射关系F，即：实际时间＝F(时钟滴答)。

在宿主操作系统的/proc/pid/stat文件有关于这个进程的统计信息的详细描述，其中最重要的信息有两个：utime表示进程在用户态下执行的时钟滴答；stime表示进程在内核态下执行的时钟滴答。两者之和表示该虚拟机执行总共所占用的CPU的时钟滴答。伪代码如下：

Static char buffer[128]；

FILE＊fd＝fopen(″/proc/pid/stat″，″r″)；

fgets(buffer，sizeof(buffer)，fd)；

fclose(fd)；

int n＝sscanf(buffer，″...％lu％lu...″，&utime，&stime)；

long long int time＝utime+stime；

具体的流程是：第一步，从宿主操作系统里启动虚拟机进程，并获得一个进程号pid。同时假定虚拟机对CPU的占用率不能超过x(例如30％)。

第二步，获得当前的系统时间t0，通过/proc/pid/stat文件获得该虚拟机总共所占用的CPU时间，记作p0。

第三步，等待一小段时间u(例如200毫秒)之后，再获得当前系统时间t1，以及虚拟机总共所占用的CPU时间p1。

第四步，计算CPU占用率s＝(p1-p0)/(t1-t0)。如果s＜＝x，则将t1赋值给t0，p1赋值给p0，再执行第三步。否则，执行第五步。

第五步，计算虚拟机暂停时间w＝(p1-p0)/x-u。然后向进程号pid发送信号SIGSTOP使虚拟机暂停。然后将t1赋值给t0，p1赋值给p0。在等待时间w后再向进程号pid发送信息SIGCONT使该进程继续执行。最后，继续执行第三步。

测试结果：

物理机配置是双核CPU，为虚拟机分配了一个物理核。

在不做限速的情况下，在虚拟机的宾客操作系统里运行一个性能测试程序，平均耗时9260ms。与此同时，物理机的CPU资源消耗为50％，即将一个CPU核的资源全部占满。测试结果如下：

C:Documents and Settings\Feng\桌面＞java Test time＝9266

C:Documents and Settings\Feng\桌面＞java Test time＝9250

C:Documents and Settings\Feng\桌面＞java Test time＝9265

而后，对虚拟机进行限速，即它只能用到它所占用的CPU核的50％的能力，即整个系统25％的计算能力。测试结果如下：

C:Documents and Settings\Feng\桌面＞java Test time＝19015

C:Documents and Settings\Feng\桌面＞java Test time＝18594

C:Documents and Settings\Feng\桌面＞java Test time＝19019

可以看出，由于限速的原因，程序运行速度下降为原来的一半，占用时间增加了一倍。这样，可以保证该程序的服务质量，另外，由于对该程序所占用的CPU核的能力进行了限制，也保证了与该程序共用该CPU的其他程序的服务质量。

作为对详细描述的结论，应该注意本领域的技术人员将会很清楚可对优选实施例做出许多变化和修改，而实质上不脱离本发明的原理。这种变化和修改包含在所附权利要求书所述的本发明的范围之内。

Claims

1.细粒度分配虚拟机计算资源的方法，其特征在于：

让虚拟机运行时间周期t；

检查在时间周期t内虚拟机对CPU资源的占用率a；

2.根据权利要求1所述细粒度分配虚拟机计算资源的方法，其特征在于：让虚拟机暂停的时间长度大于等于t＊(a/b-1)。

3.根据权利要求1或2所述细粒度分配虚拟机计算资源的方法，其特征在于：运行在虚拟机管理器、操作系统或第三方程序中。

4.细粒度分配虚拟机计算资源的设备，其特征在于：

运行模块，用于让虚拟机运行时间周期t；

5.根据权利要求4所述细粒度分配虚拟机计算资源的设备，其特征在于：判断模块通知运行模块让虚拟机暂停的时间长度大于等于t＊(a/b-1)。

6.根据权利要求4或5所述细粒度分配虚拟机计算资源的设备，其特征在于：运行在虚拟机管理器、操作系统或第三方程序中。