CN104410681A - 基于远程直接内存访问的虚拟机动态迁移优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于远程直接内存访问的虚拟机动态迁移优化方法，包括以下步骤：步骤一，在预拷贝阶段的开始，源虚拟机向目标虚拟机传递用于标识内存变化情况的同步拷贝信息；步骤二，完成拷贝信息传递后，源虚拟机继续执行上层应用服务；步骤三，目标虚拟机向源虚拟机发送回执消息；步骤四，源虚拟机向目标虚拟机发送服务切换消息；步骤五，目标虚拟机采用按需恢复策略，利用RDMA模式在后台完成远程读取最后的脏页数据；步骤六，目标虚拟机完成最后的脏页同步后，向源虚拟机发送迁移完成信息；源虚拟机释放所有资源。本发明缩短虚拟机动态迁移的整体迁移时间和服务中断时间，同时减轻由于动态迁移对上层应用服务造成的影响。

Description

基于远程直接内存访问的虚拟机动态迁移优化方法
技术领域
本发明涉及一种迁移优化方法，具体地，涉及一种基于远程直接内存访问的虚拟机动态迁移(Live Migration)优化方法。
背景技术
虚拟机的动态迁移是虚拟化技术中最为重要的功能之一，直接关系到虚拟化平台上应用服务的高可用性和高可靠性，因此现有商用和开源虚拟化系统(如，VMWare，Xen和KVM等)均提供了该项功能。虚拟机动态迁移的性能主要取决于虚拟机迁移速度和服务中断时间。当前主流的虚拟机动态迁移实现均基于预拷贝技术(Pre-copy)，具体流程(见图1所示)如下：
(1)，迁移准备，为源虚拟机寻找适合的目标节点，创建目标虚拟机，确认迁移内容(如，虚拟机相关内存、磁盘和CPU状态)，准备网络链接等；
(2)，预拷贝，由于迁移过程中源虚拟机上的应用仍然需要提供服务，源虚拟机使用预拷贝方式，循环将源虚拟机中被标记为脏页(Dirty Page，即发生修改的)的内存通过网络同步到目标虚拟机；
(3)，离线迁移，当满足迁移条件后，源虚拟机中断上层应用服务，并将最后差异状态同步到目标虚拟机，目标虚拟机恢复上层应用服务。
由此可见，提高网络传输速度不但能缩短单次虚拟机同步时间，同时能够减少同步期间的状态变化，减少下次同步数据量和循环次数，进一步缩短整体迁移时间，而缩短传输延时则能够有效加速离线传输服务缩短服务中断时间。
当前，高性能网络设备(如，10Gbps以太网和InfiniBand等)已广泛被基于虚拟化的云计算数据中心采用，以提高数据中心内节点间网络传输速度和降低访问延时。但现有虚拟机动态迁移技术仍然只是以传统方式使用这些高性能网络互联设备，未能充分挖掘硬件性能。比如，直接使用InfiniBand网卡提供的兼容以太网编程接口的IP over InfiniteBand(IPoIB)模式。该模式下只能达到有限的传输带宽和较长的网络延迟。比如以1K-byte网络包传输为例，IPoIB模式带宽达和延时分别为每秒12.2万次和60微秒。当前被高性能网络互联设备广泛支持的远程直接内存访问(RDMA，Remote Direct Memory Access)模式能够直接对远端节点已注册的内存空间进行读写访问，完全不需要目标虚拟机的CPU进行协助。并利用单向访问特性能够充分发挥高性能网络互联设备的性能，传输带宽和网络延时则分别能够达到149.6万次和3微秒，性能提升达一个数量级。
但远程直接内存访问模式需要考虑远程和本地虚拟机对相同内存空间的直接读写访问所产生的数据竞争问题，导致现有的动态迁移方法无法直接使用。此外，当前由源虚拟机主导的迁移方法对源虚拟机计算资源(即CPU)造成极大的负担，影响上层应用服务性能，而目标虚拟机资源得不到充分利用。最后，离线迁移阶段采用同步传输方式，引起较长的服务中断时间，造成上层应用的可用性缺失。
因此如何针对远程直接内存访问(RDMA)模式特征设计动态迁移方法，充分发挥高性能网络互相设备性能，解决数据竞争、负载失衡以及服务中断等问题，达到在不影响上层应用服务性能的前提下，缩短虚拟机动态迁移过程中的整体迁移时间和服务中断时间，实已成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于远程直接内存访问的虚拟机动态迁移优化方法，其充分利用高性能网络互联设备提供的远程直接内存访问(RDMA)模式，借由对迁移方法和切换机制进行优化，缩短虚拟机动态迁移的整体迁移时间和服务中断时间，同时减轻由于动态迁移对上层应用服务造成的影响。
根据本发明的一个方面，提供一种基于远程直接内存访问的虚拟机动态迁移优化方法，其特征在于，所述基于远程直接内存访问的虚拟机动态迁移优化方法包括以下步骤：
步骤一，在预拷贝阶段的开始，源虚拟机向目标虚拟机传递用于标识内存变化情况的同步拷贝信息；在原动态迁移用于记录脏页的二进制映射表基础上，将该内存页在注册内存区段的偏移地址一同发送到目标虚拟机；
步骤二，完成拷贝信息传递后，源虚拟机继续执行上层应用服务，并将所有脏页标记为只读，利用写时拷贝技术缓存对脏页的直接修改；而目标虚拟机使用RDMA模式，直接读取源虚拟机中被标记为脏页的内存数据；
步骤三，在完成所有脏页的读取后，目标虚拟机向源虚拟机发送回执消息；
步骤四，源虚拟机向目标虚拟机发送服务切换消息，并传输最后的同步信息；目标虚拟机接收消息后使用同步信息首先标记本地内存也为只读页，并立刻恢复上层应用服务；
步骤五，目标虚拟机采用按需恢复策略，利用RDMA模式在后台完成远程读取最后的脏页数据；当本地应用在服务过程中访问了被标记的只读内存页时，目标虚拟机将优先从源虚拟机恢复该页数据；
步骤六，目标虚拟机完成最后的脏页同步后，向源虚拟机发送迁移完成信息；源虚拟机释放所有资源。
优选地，所述步骤一或步骤二或步骤三中如果有脏页在同步过程中发生了修改，源虚拟机使用缓存修改页替换被修改的脏页。
优选地，在所述步骤一之前，采用迁移准备阶段。
优选地，重复所述步骤一至步骤三，直到满足迁移条件，再开始步骤四。
优选地，所述步骤一至步骤三为预拷贝阶段，步骤四至步骤六为离线迁移阶段。
优选地，所述基于远程直接内存访问的虚拟机动态迁移优化方法主要采用控制信息与数据信息分离的迁移方法和异步离线切换与按需传输机制。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明提出的基于远程直接内存访问(RDMA)模式的虚拟机动态迁移优化方法，采用控制信息与数据信息分离的迁移方法，以及异步离线切换与按需传输机制，能够在不影响上层应用服务性能的情况下，缩短虚拟机动态迁移过程中的整体迁移时间和服务中断时间。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是当前传统虚拟机动态迁移流程图。
图2是本发明基于远程直接内存访问的虚拟机动态迁移优化方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图2所示，本发明基于远程直接内存访问的虚拟机动态迁移优化方法包括以下步骤：
步骤①，在预拷贝阶段的开始，源虚拟机向目标虚拟机传递用于标识内存变化情况的同步拷贝信息；在原动态迁移用于记录脏页(Dirty Page)的二进制映射表(Bitmap)基础上，将该内存页在注册内存区段的偏移地址一同发送到目标虚拟机。该网络传输仍采用传统方式，但由于数据量相对于内存传输可以忽略不计，因此不属于决定迁移性能的关键操作。
步骤②，完成拷贝信息传递后，源虚拟机继续执行上层应用服务，并将所有脏页标记为只读，利用写时拷贝技术缓存对脏页的直接修改，避免竞争；而目标虚拟机使用RDMA模式，直接读取源虚拟机中被标记为脏页的内存数据，该操作无需源虚拟机任何协助。
步骤③，在完成所有脏页的读取后，目标虚拟机向源虚拟机发送回执消息(使用传统方式)。如果步骤一或步骤二或步骤三中有脏页在同步过程中发生了修改，源虚拟机使用缓存修改页替换被修改的脏页。
步骤④，源虚拟机向目标虚拟机发送服务切换消息，并传输最后的同步信息(使用传统方式)。源虚拟机关闭，但暂时不释放资源；目标虚拟机接收消息后使用同步信息首先标记本地内存也为只读页，并立刻恢复上层应用服务。
步骤⑤，目标虚拟机采用按需恢复策略，利用RDMA模式在后台完成远程读取最后的脏页数据；当本地应用在服务过程中访问了被标记的只读内存页时，目标虚拟机将优先从源虚拟机恢复该页数据。
步骤⑥，目标虚拟机完成最后的脏页同步后，向源虚拟机发送迁移完成信息(使用传统方式)。源虚拟机释放所有资源。；
在步骤①之前，采用与之前动态迁移技术相同的迁移准备阶段，即为源虚拟机寻找适合的目标节点，创建目标虚拟机，确认迁移内容(如，虚拟机相关内存、磁盘和CPU状态)，准备网络链接等，但在此基础上将虚拟机内存注册为RDMA可远程访问内存。
重复上述步骤①至③，直到满足迁移条件，再开始步骤④。步骤①至③为预拷贝阶段，步骤④至⑥为离线迁移阶段。本发明主要采用两个技术要点：(1)控制信息与数据信息分离的迁移方法；(2)异步离线切换与按需传输机制。
首先，使用远程直接内存访问(RDMA)模式存在的主要问题在于源虚拟机与目标虚拟机对迁移内存的数据访问竞争，以及完全由源虚拟机发起和主导的迁移方法。本发明提出将预拷贝阶段的“控制信息”与“数据信息”分离，源虚拟机仅主导发起负载较低的控制信息传输，而将主要占负载的数据信息传输交由目标虚拟机完成。对于控制信息传输采用传统模式，由于数据量极少，不会对源虚拟机产生负担，且能够避免数据竞争。而大量的数据信息传输由目标虚拟机采用远程直接内存访问(RDMA)模式独立完成，充分利用该模式的高传输带宽，以及无需源虚拟机处理器协助的特点，缩短传输时间且不会对上层应用造成性能影响。
控制信息与数据信息分离的迁移方法的基本流程：(1)源虚拟机将包含需要进行数据同步的内存页信息使用传统方式发送给目标虚拟机；(2)并采用写时拷贝技术避免上层应用对这些内存也的直接修改；(3)目标虚拟机依据接收到的同步信息使用远程直接内存访问(RDMA)模式直接读取源虚拟机内存信息完成数据同步；(4)最后目标虚拟机向源虚拟机发送回执信息，完成动态迁移中预拷贝阶段的一个数据同步周期。
其次，离线迁移阶段的同步传输会造成较长的服务中断时间，引起上层应用的可用性缺失。本发明提出采用异步离线切换和按需传输机制减少服务中断时间。源虚拟机停止上层应用服务并不释放资源，并使用传统传输模式发送控制信息后，。而目标虚拟机在接收到离线迁移控制信息后立刻恢复上层应用服务，减少服务的中断时间。目标虚拟机使用异步后台完成远程直接内存访问(RDMA)模式传输最后的离线迁移数据，并在上层应用需要使用这些数据时采用按需优先传输以保证服务的正确性。
异步离线切换与按需传输机制的基本流程：(1)源虚拟机停止上层应用服务，并使用传统传输模式发送离线迁移的控制信息；(2)目标虚拟机在接收到离线迁移信息后，首先标记最后传输页面，并立刻恢复上层应用服务；(3)以异步离线方式使用远程直接内存访问(RDMA)模式读取源虚拟机内存变化信息；(4)当上层应用需要访问未完成传输的页面时，优先传输该页面。
综上所述，本发明提出的基于远程直接内存访问(RDMA)模式的虚拟机动态迁移优化方法，采用控制信息与数据信息分离的迁移方法，以及异步离线切换与按需传输机制，能够在不影响上层应用服务性能的情况下，缩短虚拟机动态迁移过程中的整体迁移时间和服务中断时间。本发明通过利用硬件I/O设备提供的远程直接内存访问(RemoteDirect Memory Access，RDMA)支持，缩短整体迁移时间和服务中断时间，并减轻动态迁移对源虚拟机上应用服务的影响。本发明采用控制信息与数据信息分离的迁移方法，以及异步离线切换与按需传输机制，能够充分利用高性能网络互联设备提供的远程直接内存访问(Remote Direct Memory Access，RDMA)模式提供的高带宽和低延时特性，从迁移性能和对上层应用影响两方面优化虚拟机动态迁移。
上述实施案例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (6)

1.一种基于远程直接内存访问的虚拟机动态迁移优化方法，其特征在于，所述基于远程直接内存访问的虚拟机动态迁移优化方法包括以下步骤：
步骤一，在预拷贝阶段的开始，源虚拟机向目标虚拟机传递用于标识内存变化情况的同步拷贝信息；在原动态迁移用于记录脏页的二进制映射表基础上，将该内存页在注册内存区段的偏移地址一同发送到目标虚拟机；
步骤二，完成拷贝信息传递后，源虚拟机继续执行上层应用服务，并将所有脏页标记为只读，利用写时拷贝技术缓存对脏页的直接修改；而目标虚拟机使用RDMA模式，直接读取源虚拟机中被标记为脏页的内存数据；
步骤三，在完成所有脏页的读取后，目标虚拟机向源虚拟机发送回执消息；
步骤四，源虚拟机向目标虚拟机发送服务切换消息，并传输最后的同步信息；目标虚拟机接收消息后使用同步信息首先标记本地内存也为只读页，并立刻恢复上层应用服务；
步骤五，目标虚拟机采用按需恢复策略，利用RDMA模式在后台完成远程读取最后的脏页数据；当本地应用在服务过程中访问了被标记的只读内存页时，目标虚拟机将优先从源虚拟机恢复该页数据；
步骤六，目标虚拟机完成最后的脏页同步后，向源虚拟机发送迁移完成信息；源虚拟机释放所有资源。
2.根据权利要求1所述的基于远程直接内存访问的虚拟机动态迁移优化方法，其特征在于，所述步骤一或步骤二或步骤三中如果有脏页在同步过程中发生了修改，源虚拟机使用缓存修改页替换被修改的脏页。
3.根据权利要求1所述的基于远程直接内存访问的虚拟机动态迁移优化方法，其特征在于，在所述步骤一之前，采用迁移准备阶段。
4.根据权利要求1所述的基于远程直接内存访问的虚拟机动态迁移优化方法，其特征在于，重复所述步骤一至步骤三，直到满足迁移条件，再开始步骤四。
5.根据权利要求1所述的基于远程直接内存访问的虚拟机动态迁移优化方法，其特征在于，所述步骤一至步骤三为预拷贝阶段，步骤四至步骤六为离线迁移阶段。
6.根据权利要求1所述的基于远程直接内存访问的虚拟机动态迁移优化方法，其特征在于，所述基于远程直接内存访问的虚拟机动态迁移优化方法主要采用控制信息与数据信息分离的迁移方法和异步离线切换与按需传输机制。
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