CN104811493B - 一种网络感知的虚拟机镜像存储系统及读写请求处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开提供了一种网络感知的虚拟机镜像存储系统，该存储系统包括私有缓存管理模块、公有缓存管理模块、网络监控模块、决策模块和动态寻址模块；其中，私有缓存管理模块、公有缓存管理模块、网络监控模块和动态寻址模块位于计算节点，决策模块位于管理节点；还公开了一种基于以上存储系统的读写请求处理方法，使得网络负载较轻的节点处理更多的镜像访问请求，而网络负载较重的节点处理较少的镜像访问请求，从而避免产生I/O热点，使得全局网络负载均衡；本发明能够根据当前虚拟机通信模式及网络使用状况，自适应的为每个虚拟机读写请求选择合适的目的节点，均衡数据中心网络负载，解决由网络拥塞导致的虚拟机读写中的瓶颈问题。

Description

一种网络感知的虚拟机镜像存储系统及读写请求处理方法
技术领域
本发明属于云计算与虚拟化技术领域，更具体地，涉及一种网络感知的虚拟机镜像存储系统及方法。
背景技术
在云平台中用户可以通过租赁虚拟机的方式来使用计算、存储和网络等资源，虚拟机镜像作为存放虚拟机数据的容器，直接影响虚拟机的读写性能，因此在云平台中，高效的虚拟机镜像存储尤为关键。
传统的虚拟机镜像存储分为三类：后端集中式存储，后端集中式存储+计算节点单机缓存，后端集中式存储+计算节点间协作式缓存；后端集中式存储，通常采用专用的共享存储服务器作为虚拟机镜像仓库，不同计算节点上的虚拟机可直接远程访问到所需的镜像，或采用将存储服务器中的镜像文件分发到计算节点本地后再使用的方式；这种方式管理简便，但随着数据中心或云平台的规模扩大，后端集中式存储很容易成为I/O瓶颈。
后端集中式存储+计算节点单机缓存的方式，为了减少访问后端集中式存储的次数，采用在计算节点本地磁盘中添加缓存的方式，缓存后端存储中的热点数据；这种方式比起后端集中式存储效率大大提高，但由于单节点上的磁盘空间很有限，随着虚拟机种类的增加，大小受限的本地缓存通常不能发挥出很好的性能。
后端集中式存储+计算节点间协作式缓存的方式允许某一计算节点上的虚拟机访问其他计算节点磁盘缓存中的数据，所有计算节点的缓存组成了一个大的分布式存储池，使得虚拟机读写的缓存命中率大大提升；但由于虚拟机访问其他计算节点中的缓存时依赖于节点间的网络，而虚拟机间通信或对外服务也依赖于这套网络，因此访问虚拟机镜像所产生的网络流量和虚拟机通信所产生的网络流量处于竞争关系，彼此相互影响；如果存放热点镜像数据的计算节点恰好是虚拟机间通信密集的节点，那么该节点将会成为瓶颈，使得虚拟机镜像存储系统的性能大大降低，甚至退化到跟没有缓存时的情况一样。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种网络感知的虚拟机镜像存储系统，其目的在于通过监控数据中心里的网络流量，使远程的镜像访问请求避开网络拥塞的计算节点和链路，即网络负载高的节点处理较少的镜像访问请求，而网络负载较低的节点处理较多的镜像访问请求，从而均衡数据中心的网络负载，由此解决现有虚拟机镜像存储方法中存在的镜像访问与虚拟机间通信的干扰问题，进而提高虚拟机读写效率。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种网络感知的虚拟机镜像存储系统，该存储系统基于私有缓存和公有缓存两级缓存构架，私有缓存为第一级缓存，公有缓存为第二级缓存；系统包括私有缓存管理模块、公有缓存管理模块、网络监控模块、决策模块和动态寻址模块；私有缓存管理模块、公有缓存管理模块、网络监控模块和动态寻址模块位于计算节点；决策模块位于管理节点；
其中，私有缓存管理模块用于管理计算节点中的私有缓存：根据虚拟机发出的读写请求对私有缓存进行读写，完成私有缓存中的数据替换；并在私有缓存未命中的情况下将虚拟机发出的读写请求传递给动态寻址模块；
公有缓存模块用于管理计算节点中的公有缓存，根据动态寻址模块转发的虚拟机发出的读写请求，对公有缓存进行读写，完成公有缓存中的数据块替换；
网络监控模块用于监控各个计算节点上的网络负载，并将网络负载信息发送给决策模块；
决策模块用于根据收集到的网络负载信息制定每个计算节点的请求转发规则；
动态寻址模块用于接收访问私有缓存未命中的读写请求，以及从其他动态寻址模块转发过来的读写请求，并根据决策模块传来的请求转发规则将读写请求转发到相应的目的节点中的其他动态寻址模块；
其中，存储系统所基于的私有缓存位于计算节点本地磁盘，镜像数据在私有缓存中以文件的方式进行存储；私有缓存中的数据仅能被一台虚拟机所访问，其内容为每台虚拟机所独享；
当且仅当私有缓存使用空间超过配额时，执行私有缓存替换策略，将一部分数据导入到后端存储中；任何的缓存替换策略均适用于私有缓存；配额可根据磁盘使用状况配置；
存储系统所基于的公有缓存位于计算节点本地磁盘，镜像数据在公有缓存中以镜像块的方式进行存储；每个公有缓存可被任意一台虚拟机所访问，其内容为所有虚拟机所共享；通过公有缓存可以实现镜像在各个计算节点间的存储和访问；
公有缓存处理的请求全部为读请求，虚拟机写入的新数据不会存放于公有缓存；公有缓存的大小可根据磁盘使用情况设定，任何的缓存替换策略均适用于公有缓存。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于网络感知的虚拟机镜像存储系统的读写请求处理方法，具体如下：
(1)虚拟机向存储系统发出读写请求；
(2)判断请求类型，若为读请求则执行步骤(3)，否则执行步骤(4)；
(3)按照动态的虚拟机镜像寻址方式查询并读取相应数据，并将数据返回至虚拟机；
(4)在写入前，判断写请求是否命中私有缓存；若是，则将相应数据写入私有缓存，并返回成功状态；若否，则执行写时复制(Copy-on-Write,COW)操作，按照步骤(3)读取请求的上下文数据。
优选地，步骤(3)所述的动态的虚拟机镜像寻址方法具体如下：
(3.1)根据读写请求中包含的待访问镜像编号与偏移量地址信息，查找当前节点上的私有缓存；
(3.2)判断读写请求是否命中私有缓存，若是，则返回所查询到的数据；若否，则进入步骤(3.3)；
(3.3)将镜像编号和偏移量信息转换为一个字符串，将该字符串定义为请求编号；
(3.4)将请求编号作为哈希键，采用一致性哈希算法获取该请求对应的目标节点，根据读写请求转发规则将请求编号转发到目的节点；由于请求转发规则会随当前网络负载状况变化而变化，因此该步骤为实现网络感知的读写请求处理的关键步骤；其中，一致性哈希算法是用于解决在动态网络拓扑中存储和查询数据的一种哈希算法，其良好的扩展性常用于解决负载均衡问题；
(3.5)根据接收到的读写请求与目标节点中的请求编号转换表，将读写请求对应的请求编号转换为目标镜像块编号；
其中，目标镜像块编号是镜像块内容经过MD5哈希运算后产生的值，相同内容的镜像块具有相同的目标镜像块编号；请求编号和目标镜像块编号是当镜像模板注册到系统后进行计算，并填充到请求编号转换表中，寻址过程中无需进行额外计算；模板镜像从系统中删除后需清除各个计算节点中请求编号转换表中相关内容；为了提高查询效率，可将请求编号转换表以键值对的方式放入内存中；其中MD5哈希为一种消息摘要算法，常用于对数据进行校验，确保数据的完整性；镜像块MD5值相同则表明镜像块的内容相同；
(3.6)根据目标镜像块编号查询该编号是否命中共有缓存；若是，返回所查询的数据；若否，则查询模板镜像中对应的镜像块，获取所请求的数据。
优选的，步骤(3.4)中的读写请求转发规则具体如下：
(3.4.1)根据网络负载信息分配各个计算节点对应的虚节点个数：网络负载大的节点分配到较少的虚节点，网络负载小的节点分配到较多的虚节点；
(3.4.2)判断是否出现可用带宽为零的计算节点，若是，则进入步骤(3.4.1)，重新确定该计算节点对应的虚节点数；若否，则进入步骤(3.4.3)；
(3.4.3)根据虚节点信息获取读写请求的目的节点，然后进入步骤(3.4.4)；
(3.4.4)判断读写请求的源节点与目标节点间的拓扑距离是否大于或等于预先设定的阈值；若是，则不转发读写请求，并将该目标节点暂时从哈希环中去除，进入步骤(3.4.3)，重新获取目标节点；其中，拓扑距离是指读写请求在源节点与目标节点间经过的交换机跳数；
(3.4.5)重复步骤(3.4.3)～(3.4.4)，直到读写请求的源节点与目标节点间的拓扑距离小于阈值，进入步骤(3.4.6)；
(3.4.6)将读写请求转发至目的节点。
进一步优选的，在树型拓扑结构的数据中心，步骤(3.4.3)中所述的阈值设定方法具体为：若某一级中超过半数以上的交换机的可用带宽不足总带宽的80％，则将读写请求经过该级交换机所需的跳数设定为阈值。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的网络感知的虚拟机镜像存储系统，系统中的请求转发规则根据当前计算节点的网络负载状况调整，使得网络负载较轻的节点处理更多的虚拟机镜像读写请求，而负载较重的节点处理较少的请求，从而达到全局网络负载的均衡，避免在虚拟机镜像存储中产生热点；
(2)本发明提供的基于网络感知的虚拟机镜像存储系统的读写请求处理方法，可以使得镜像访问模式随网络状况变化而变化，从而使得全局网络一直维持在较均衡的水平，从而提高虚拟机的读写性能；
(3)本发明提供的网络感知的虚拟机镜像存储方法具有良好的可扩展性：系统中的转发策略可根据当前数据中心的网络状况灵活配置，且不仅限于网络状况，也可根据节点上的CPU，内存或硬盘等使用状况来分配相应的虚节点，改变转发策略后无需修改其他模块，且不影响整个系统的正常运行；
(4)本发明提供的网络感知的虚拟机镜像存储系统方法和系统，具有低额外开销的特点：当系统中的转发策略发生变化时，部分请求的目标节点会发生变化，但由于查询镜像块时用了请求编号转换表，将基于传统文件偏移量的寻址转换为基于内容的寻址，因此只要发生变化前后的目标节点中存在相同内容的镜像块，依然可以命中公有缓存；由此大大提高了系统的缓存命中率，减少了由转发策略随网络变化而带来的额外开销；同时由于系统限制了请求转发所经过的跳数，不会对网络增加过多的负载。
附图说明
图1是网络感知的虚拟机镜像存储系统的整体结构图；
图2是读写请求处理方法流程的示意图；
图3是动态虚拟机镜像寻址方式的示意图；
图4是读写请求转发规则制定流程的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供的网络感知的虚拟机镜像存储系统，该存储系统基于私有缓存和公有缓存两级缓存构架，私有缓存为第一级缓存，公有缓存为第二级缓存；该系统包括私有缓存管理模块、公有缓存管理模块、网络监控模块、决策模块和动态寻址模块；私有缓存管理模块、公有缓存管理模块、网络监控模块和动态寻址模块位于计算节点；决策模块位于管理节点；
其中，私有缓存管理模块用于管理计算节点中的私有缓存：根据虚拟机发出的读写请求，对私有缓存进行读写，完成私有缓存中的数据替换；并在私有缓存未命中的情况下将虚拟机的读写请求传递给动态寻址模块；
由于私有缓存模块直接接受虚拟机发出的读写请求，故该模块置于虚拟机管理器的驱动模块中，采用虚拟机中支持的镜像格式实现，在实施例中采用QCOW2格式；
公有缓存模块用于管理计算节点中的公有缓存，根据动态寻址模块转发的虚拟机发出的读写请求，对公有缓存进行读写，完成公有缓存中的数据块替换；
网络监控模块用于监控各个计算节点上的网络负载，并将网络负载信息发送给决策模块；
动态寻址模块用于接收未命中私有缓存的读写请求，以及从其他动态寻址模块转发过来的读写请求，并根据决策模块传来的请求转发规则将读写请求转发到相应的目的节点中的其他动态寻址模块；在实施例中，动态寻址模块作为一个守护进程实现，请求转发通过不同节点的进程间套接字通信实现；
决策模块用于根据收集到的网络负载信息制定每个计算节点的请求转发规则，并发送给任意一个计算节点中的动态寻址模块；之后由该动态寻址模块以广播的方式将信息同步到其余计算节点的动态寻址模块中。
本发明提供的一种基于网络感知的虚拟机镜像存储系统的读写请求处理方法，处理流程如图2所示，具体如下：
(1)虚拟机向存储系统发出读写请求；
(2)判断请求类型，若为读请求则执行步骤(3)，否则执行步骤(4)；
(3)按照动态的虚拟机镜像寻址方式查询并读取相应数据，并将数据返回至虚拟机；
(4)在写入前，判断写请求是否命中私有缓存；若是，则将相应数据写入私有缓存，并返回成功状态；若否，则执行写时复制(Copy-on-Write,COW)操作，按照步骤(3)读取请求的上下文数据。
如图3所示，虚拟机镜像存储方法中步骤(3)所述的动态虚拟机镜像寻址方法如下：
(3.1)根据读写请求中包含的待访问镜像编号与偏移量地址信息，查找当前节点上的私有缓存；
(3.2)判断读写请求是否命中私有缓存，若是，则返回所查询到的数据；若否，则进入步骤(3.3)；
(3.3)将镜像编号和偏移量信息转换为一个字符串，将该字符串定义为请求编号；
(3.4)将请求编号作为哈希键，采用一致性哈希算法获取该请求对应的目标节点，根据读写请求转发规则将请求编号转发到目的节点；由于请求转发规则会随当前网络负载状况变化而变化，因此该步骤实现了网络感知的读写请求处理；
(3.5)根据接收到的读写请求与目标节点中的请求编号转换表，将读写请求对应的请求编号转换为目标镜像块编号；
其中，目标镜像块编号是镜像块内容经过MD5哈希运算后产生的值，相同内容的镜像块具有相同的目标镜像块编号；
请求编号和目标镜像块编号是当镜像模板注册到系统后进行计算，并填充到请求编号转换表中的，寻址过程中无需进行额外计算；模板镜像从系统中删除后需清除各个计算节点中请求编号转换表中相关内容；
为了提高查询效率，可将请求编号转换表以键值对的方式放入内存中；memcached和redis这两个开源系统提供了在内存中以键值对的方式缓存数据的功能，可以采用这两个系统去存储请求编号转换表；
(3.6)根据目标镜像块编号查询该编号是否命中共有缓存；若是，返回所查询的数据；若否，则查询模板镜像中对应的镜像块，获取所请求的数据。
如图4所示，步骤(3.4)中的读写请求转发规则具体如下：
(3.4.1)根据网络负载信息分配各个计算节点对应的虚节点个数：网络负载大的节点分配到较少的虚节点，网络负载小的节点分配到较多的虚节点；
(3.4.2)判断是否出现可用带宽为零的计算节点，若是，则进入步骤(3.4.1)，重新确定该计算节点对应的虚节点数；若否，则进入步骤(3.4.3)；
(3.4.3)根据虚节点信息获取读写请求的目的节点，然后进入步骤(3.4.4)；
(3.4.4)判断读写请求的源节点与目标节点间的拓扑距离是否大于或等于预先设定的阈值；若是，则不转发读写请求，并将该目标节点暂时从哈希环中去除，进入步骤(3.4.3)，重新获取目标节点；其中，拓扑距离是指读写请求在源节点与目标节点间经过的交换机跳数；
(3.4.5)重复步骤(3.4.3)～(3.4.4)，直到读写请求的源节点与目标节点间的拓扑距离小于阈值，进入步骤(3.4.6)；
(3.4.6)将读写请求转发至目的节点。
本发明实施例1的集群基本硬件和软件配置如表1所示，管理节点1个，计算节点和存储节点数量根据数据中心规模配置，均不少于1个；
表1实施例1的集群基本硬件和软件配置列表
在实施例1中，首先在每个计算节点上部署动态寻址模块；然后，在管理节点部署决策模块；最后，将系统使用的模板镜像放在存储节点的相应目录下，并通过计算节点上的动态寻址模块将该镜像注册到系统中；
当所需镜像注册到本存储系统后，各个节点中虚拟机管理器可直接使用该镜像启动虚拟机；在镜像读写过程中，数据会被自动取入计算节点缓存；本发明提供的存储系统在初始化时，为每个计算节点都分配相同的虚节点数，使得读写请求可以均匀映射到各个计算节点；
决策模块在网络状况发生变化时收集各个节点上的网络状态，并调整各计算节点所对应的虚节点数；调整后读写请求的映射策略发生改变，均衡全局网络状况；调整后部分读写请求可能发生访问缓存失效，这部分读写请求将直接访问存储节点中的虚拟机镜像模板，不影响整个系统的可用性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种网络感知的虚拟机镜像存储系统，其特征在于，所述系统基于私有缓存和公有缓存两级缓存构架，包括私有缓存管理模块、公有缓存管理模块、网络监控模块、决策模块和动态寻址模块；私有缓存管理模块、公有缓存管理模块、网络监控模块和动态寻址模块位于计算节点；决策模块位于管理节点；
其中，私有缓存管理模块用于管理计算节点中的私有缓存：根据读写请求对私有缓存进行读写，完成私有缓存中的数据替换；并在私有缓存未命中的情况下将虚拟机发出的读写请求传递给动态寻址模块；
公有缓存模块用于管理计算节点中的公有缓存，根据动态寻址模块转发的虚拟机的读写请求，对公有缓存进行读写，完成公有缓存中的数据块替换；
网络监控模块用于监控各个计算节点上的网络负载，并将网络负载信息发送给决策模块；
决策模块用于根据收集到的网络负载信息确定各计算节点的读写请求转发规则；
动态寻址模块用于接收访问私有缓存未命中的读写请求，以及从其他动态寻址模块转发过来的读写请求；并根据决策模块确定的读写请求转发规则将读写请求转发到相应的目的节点中的其他动态寻址模块。
2.一种基于权利要求1所述的网络感知的虚拟机镜像存储系统的读写请求处理方法，其特征在于，所述读写请求处理方法具体如下：
(1)存储系统接收到虚拟机所发出的读写请求；
(2)判断请求类型，若为读请求则执行步骤(3)，否则执行步骤(4)；
(3)按照动态的虚拟机镜像寻址方式查询并读取相应数据，并将数据返回至虚拟机；
(4)判断写请求是否命中私有缓存；若是，则将相应数据写入私有缓存，并返回成功状态；若否，则执行写时复制操作，按照步骤(3)读取请求的上下文数据。
3.如权利要求2所述的读写请求处理方法，其特征在于，步骤(3)所述的动态的虚拟机镜像寻址方法具体如下：
(3.1)根据读写请求中包含的待访问镜像编号与偏移量地址信息，查找当前节点上的私有缓存；
(3.2)判断读写请求是否命中私有缓存，若是，则返回所查询到的数据；若否，则进入步骤(3.3)；
(3.3)将镜像编号和偏移量信息转换为一个字符串，将该字符串定义为请求编号；
(3.4)将请求编号作为哈希键，采用一致性哈希算法获取该请求对应的目标节点，根据读写请求转发规则将请求编号转发到目的节点；
(3.5)根据接收到的读写请求与目标节点中的请求编号转换表，将读写请求对应的请求编号转换为目标镜像块编号；
(3.6)根据目标镜像块编号查询该编号是否命中共有缓存；若是，返回所查询的数据；若否，则查询模板镜像中对应的镜像块，获取所请求的数据。
4.如权利要求3所述的读写请求处理方法，其特征在于，所述步骤(3.4)中的读写请求转发规则具体如下：
(3.4.1)根据网络负载信息分配各个计算节点对应的虚节点个数：网络负载大的节点分配到较少的虚节点，网络负载小的节点分配到较多的虚节点；
(3.4.2)判断是否出现可用带宽为零的计算节点，若是，则进入步骤(3.4.1)，重新确定该计算节点对应的虚节点数；若否，则进入步骤(3.4.3)；
(3.4.3)根据虚节点信息获取读写请求的目的节点，进入步骤(3.4.4)；
(3.4.4)判断读写请求的源节点与目标节点间的拓扑距离是否大于或等于预先设定的阈值；若是，则不转发读写请求，并将该目标节点暂时从哈希环中去除，进入步骤(3.4.3)，重新获取目标节点；其中，拓扑距离是指读写请求在源节点与目标节点间经过的交换机跳数；
(3.4.5)重复步骤(3.4.3)～(3.4.4)，直到读写请求的源节点与目标节点间的拓扑距离小于阈值，进入步骤(3.4.6)；
(3.4.6)将读写请求转发至目的节点。
5.如权利要求4所述的读写请求处理方法，其特征在于，对于树型拓扑结构的数据中心而言，步骤(3.4.4)所述的阈值设定方法具体为：若某一级中超过半数以上的交换机的可用带宽不足总带宽的80％，则将读写请求经过该级交换机所需的跳数设定为阈值。
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