CN106020980A - 一种面向虚拟桌面的vcpu调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面向虚拟桌面的VCPU调度方法，包括下列步骤：1)在每个调度周期，根据所搜集的各个VCPU当前所处理任务的类型，将VCPU分为前台VCPU和后台VCPU；2)基于抢占原则对VCPU进行调度，所述抢占原则包括：前台VCPU抢占正在运行的后台VCPU的物理资源，前台VCPU之间不进行物理资源抢占。本发明能够自适应地匹配虚拟桌面系统的负载类型，提高虚拟桌面系统的用户交互体验。

Description

一种面向虚拟桌面的VCPU调度方法

技术领域

本发明涉及云计算、虚拟化及虚拟桌面技术领域，具体地说，本发明涉及一种面向虚拟桌面的VCPU调度方法。

背景技术

现有的虚拟化软件如Xen、KVM等对虚拟桌面的VCPU调度基本是按照传统的面向公平原则进行调度，重点体现在虚拟桌面之间尽可能平均分配处理器资源。例如，在KVM虚拟化软件中，采用的是Linux内核的完全公平调度(Completely Fair Schedule,CFS)算法，该算法的特点是将所有进程统一对待，在众多测试中该调度算法的性能表现也非常优越。CFS调度算法最早在Linux 2.6.23内核中发布，改进了在早期内核调度算法的复杂度的问题，使调度算法更加简单、有效。它的出现彻底改变了内核实施进程调度的方式，不再依赖划分时间片和增加抢占点。

CFS算法的核心思想是基于虚拟时钟的概念。虚拟时钟区别于硬件的实际时钟，虚拟时钟可以根据权重调节步调，按照不同的步调前进。而实际时钟则是按照固定的步调前进，不能改变。每个处理器不仅维护着实际的时钟，还在对应的运行队列中维护着一个虚拟时钟，它的前进步伐与该处理器上的进程总权重成反比，总权重越大，虚拟时钟前进的步伐越慢。同时，每个进程也有自己的虚拟时钟，它记录着进程已经占用CPU的虚拟时间。它的前进步伐与进程的权重成反比，进程的权重对应进程的优先级，对于不同优先级的进程，一般来说，优先级低的进程其虚拟时钟的步调会比较快，而优先级高的步调会比较慢。CFS调度算法会选择最落后于运行队列虚拟时钟的进程来执行。

现有的CFS调度算法虽然能够最大限度地体现资源分配的均衡性，但它并不能很好地支持虚拟桌面系统运行。尤其是在用户体验方面，CFS调度算法难以做到与同等配置的物理桌面计算机(如笔记本电脑、台式机等)相媲美，用户在使用虚拟桌面系统时，往往有操作延迟大、响应慢等不良体验，这也是虚拟桌面系统的主要挑战之一。宿主物理机上同时运行的虚拟桌面数量越多，用户体验越差。

发明内容

因此，本发明的任务是克服现有技术的不足，提供一种面向虚拟桌面的VCPU调度解决方案。

本发明提供了一种面向虚拟桌面的VCPU调度方法，包括下列步骤：

1)在每个调度周期，根据所搜集的各个VCPU当前所处理任务的类型，将VCPU分为前台VCPU和后台VCPU，前台VCPU的调度优先级高于后台VCPU；

2)基于抢占原则对VCPU进行调度，所述抢占原则包括：前台VCPU抢占正在运行的后台VCPU的物理资源，前台VCPU之间不进行物理资源抢占。

其中，所述步骤1)还包括：如果一个任务的所属应用的窗口界面显示在当前屏幕上，则该任务的类型为前台任务，否则该任务的类型为后台任务。

其中，所述步骤1)包括下列子步骤：

11)搜集各个VCPU当前所处理任务的类型，以及系统中各类中断与VCPU的映射绑定关系；

12)将VCPU分为前台VCPU和后台VCPU；

13)对前台VCPU划分子优先级。

其中，所述步骤11)中，所述的搜集各个VCPU当前所处理任务的类型以及系统中各类中断与VCPU的映射绑定关系，由在客户机操作系统中运行一个内核级代理执行。

其中，所述步骤13)中，根据前台VCPU的当前前台任务类型分配子优先级，前台任务类型包括：用户输入事件处理任务、面向用户的输出任务、硬件设备中断及事件处理任务以及由用户输入引起的并需要在输出中反馈给用户处理结果的任务，这些前台任务类型按照子优先级由高至低的顺序排序。

其中，所述步骤2)还包括：前台VCPU之间按照各自的子优先级分配空闲的物理资源。

其中，所述步骤2)还包括：当同一个客户机操作系统上同时有两个及以上的前台任务时，当同一台宿主物理机上运行多台虚拟机的多个前台任务时，或者多个不同虚拟机的前台任务的VCPU由物理机上同一个物理CPU执行时，前台VCPU之间按照各自的子优先级分配空闲的物理资源。

其中，所述步骤2)还包括：在虚拟机监视器中设置专用的前台VCPU迁移调度线程，在物理CPU之间迁移和调度前台VCPU，使得各物理CPU所运行的前台VCPU数目基本一致，实现动态的平衡。

其中，所述步骤2)还包括：在虚拟机的层面上，通过调度使得任意两个拥有相同数量和配置的VCPU的虚拟机，在同一个调度周期内各个VCPU运行时间的总和大致相同。

与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：

1、本发明能够自适应地匹配虚拟桌面系统的负载类型，提高虚拟桌面系统的用户交互体验。

2、本发明能够在保证良好用户体验的前提下提高宿主物理机上同时运行的虚拟桌面系统的数量，节约硬件成本。

3、本发明能够对通过恶意抢占宿主物理机CPU资源而制造拒绝服务攻击进行有效防御。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1示出了本发明一个实施例中前台VCPU在宿主物理机CPU调度队列中迁移之前的状态；该状态为不均衡状态；

图2示出了本发明一个实施例中前台VCPU在宿主物理机CPU调度队列中迁移之后的状态；该状态为均衡状态；

图3示出了本发明一个实施例中同一个调度周期内两个虚拟机中VCPU运行时间的总和对比；

上述附图中，Host表示宿主机，即物理机，Frontend VCPU表示前台VCPU，Background VCPU表示后台VCPU，VM1表示虚拟机1，VM2表示虚拟机2。

具体实施方式

如前文所述，用户在使用虚拟桌面系统时，往往有操作延迟大、响应慢等不良体验，这也是虚拟桌面系统的主要挑战之一。宿主物理机上同时运行的虚拟桌面数量越多，用户体验越差。发明人对此进行了深入研究，发现这与目前的面向公平原则的虚拟机VCPU调度策略有直接的关系。不同虚拟机的多个VCPU运行在宿主机上相同的物理CPU上，并通过各种调度算法(如CFS)进行公平性调度。当用户在虚拟桌面系统中操作时(如敲击键盘)，需要由虚拟桌面系统的某一个VCPU对键盘输入中断予以响应，而此时，该VCPU可能并未被调度执行，从而不能及时响应该中断，而只有等到VCPU被调度执行时，该键盘输入操作才能够得到响应，这就会造成用户操作延迟大。因此，现有虚拟化环境下常用的面向公平原则的VCPU调度算法并不适用于虚拟桌面系统的场景。

基于此，根据本发明的一个实施例，提出了一种面向虚拟桌面的VCPU调度方法，包括下列步骤：

步骤1：在每个调度周期，搜集各个VCPU当前所处理任务的类型，以及系统中各类中断与VCPU的映射绑定关系，基于这些因素将VCPU分为前台VCPU和后台VCPU。前台VCPU的调度优先级高于后台VCPU。对于前台VCPU，进一步根据面向交互的虚拟机VCPU动态优先级机制分配子优先级。

步骤2：基于虚拟机VCPU动态优先级的调度策略对VCPU进行调度，将VCPU放入物理CPU调度队列的合适位置。该调度策略包括抢占原则。抢占原则包括：前台VCPU抢占正在运行的后台VCPU的物理资源，前台VCPU之间不进行物理资源抢占，而是按照子优先级的高低分配空闲的物理资源。优先级越高，对应VCPU在物理CPU调度队列中的位置越靠前。

本实施例能够根据虚拟机的VCPU所执行的任务的类型为其设置动态优先级，处理交互任务的VCPU则分配较高的优先级，处理非交互任务的VCPU则分配较低的优先级，基于虚拟机VCPU动态优先级的调度策略，优先调度处理交互任务的虚拟机VCPU到宿主机物理CPU上运行，从而使得虚拟机的用户交互任务能够得到及时的处理，进而提升用户使用虚拟桌面系统的体验。

在另一个实施例中，基于虚拟机VCPU动态优先级的调度策略还包括多处理器间的VCPU调度均衡原则和/或以虚拟机为粒度的公平性原则。

多处理器间的VCPU调度均衡原则包括：在虚拟机监视器中设置专用的前台VCPU迁移调度线程，在物理CPU之间迁移和调度前台VCPU，使得各物理CPU所运行的前台VCPU数目基本一致，实现动态的平衡。

以虚拟机为粒度的公平性原则包括：从虚拟机的角度进行物理CPU资源分配的总量控制，在虚拟机的层面上维持公平性，即，通过调度使得两个拥有相同数量和配置的VCPU的虚拟机，在同一个调度周期内各个VCPU运行时间的总和大致相同。

下面，结合实施例，从面向交互的虚拟机VCPU动态优先级机制，基于虚拟机VCPU动态优先级的调度策略两个方面，对本发明做进一步地描述。

一、面向交互的虚拟机VCPU动态优先级机制

虚拟机VCPU的优先级是进行调度的依据，一般而言，对于虚拟桌面系统的用户而言，即便桌面操作系统支持多任务模式，但在一段时间之内，用户关注的任务可能只有一个，即该应用的窗口界面显示在当前屏幕上的那个任务(本发明中称为“前台任务”，与之相反的则称为“后台任务”)。然而，处理前台任务的VCPU在虚拟机监视器(VMM，或称为Hypervisor)的层面并没有被特殊处理，仍然与其它后台任务一样均等地获取CPU资源，在VCPU调度过程中，前台任务没有被及时处理，从而影响用户操作体验。基于此，根据本发明的一个实施例，提出了一种虚拟机VCPU优先级的动态标定方案，该虚拟机VCPU优先级的动态标定方案基于VCPU当前所处理的任务类型(前台任务或者后台任务)，而VCPU所处理的任务类型是在虚拟机客户操作系统中确定的，在VMM，或称为Hypervisor中则无从感知。在一个实施例中，采用客户机代理架构，即，在客户机操作系统中运行一个内核级代理(成为优先级代理)，该代理动态搜集各个VCPU当前所处理任务的类型，以及系统中各类中断与VCPU的映射绑定关系，基于这些因素将VCPU分为前台VCPU和后台VCPU。

进一步地，在一个实施例中，为了适应同一个客户机操作系统上同时有两个及以上的前台任务的情况，如用户同时打开了Word文档和词典软件，一边阅读一边进行翻译，这两个任务都是前台任务，可能由不同的VCPU在运行。此外，同一台宿主物理机上的多台虚拟机上可能有多个前台任务，而多个不同虚拟机的前台任务的VCPU可能由物理机上同一个物理CPU执行，这就需要更进一步在多个前台VCPU之间进行细粒度的调度，以更好地满足各个前台VCPU的响应要求。为此，本发明将前台VCPU再细分为四个子优先级(由高到低依次为1、2、3、4)，如表1所示：

表1

以用户在虚拟桌面中点击图标打开并编辑Word(微软Office办公软件)为例，基于上述VCPU优先级标定方法，可以将任务分解后处理各个任务的VCPU的优先级标定如下：

首先，用户点击图标的鼠标移动和点击操作事件与中断的处理，对应于前台VCPU子优先级1；其次，Word应用程序界面的调用和响应，对应于前台VCPU子优先级2；再次，从文件系统(磁盘)中载入word文档数据，对应于前台VCPU子优先级3；最后，对从磁盘中载入的word文档数据进行相应的处理并在Word应用程序界面中显示，对应于前台VCPU子优先级4。

客户机优先级代理要实时掌握虚拟机中的前台任务以及相应的前台VCPU(处理前台任务的VCPU可能有多个)，并进一步地根据前台VCPU所处理的任务类型，将其划分到各个子优先级，最后将这些优先级实时地反馈给VMM，以作为调度的依据。

二、基于虚拟机VCPU动态优先级的调度策略

1.抢占原则

虚拟机VCPU调度以动态优先级为依据，调度原则是优先调度前台VCPU，并且按照前台VCPU的子优先级高低，优先调度子优先级高的VCPU。在前台VCPU与后台VCPU之前采用抢占策略，即，前台VCPU可以抢占后台VCPU运行。在子优先级之间则采用非抢占策略，即，子优先级高的VCPU也需要等待当前正在运行的子优先级低的VCPU运行完成后才能被调度执行。

2.多处理器间的VCPU调度均衡原则

目前主流的宿主物理机均采用多处理器架构，因此，虚拟VCPU的调度重点考虑在多处理器架构的物理机上的调度，调度的目标则是在物理CPU之间达到前台VCPU的均衡性。为此，在VMM中设置专用的前台VCPU迁移调度线程，在物理CPU之间迁移和调度前台VCPU，以实现动态的平衡。图1与图2分别示出了在前台VCPU迁移调度之前与之后的情况示意，可以看出，迁移调度后，各物理CPU上运行的前台VCPU数目均衡。

3.以虚拟机为粒度的公平性原则

通过前台VCPU优先的调度策略，可以提高虚拟桌面系统的用户操作响应速度。然而，这一策略也有可能会被恶意的用户所利用，进而通过恶意抢占宿主物理机CPU资源而制造拒绝服务攻击，导致其它虚拟机无法或者只能获得较少的运行机会。例如，恶意用户通过在虚拟桌面的终端屏幕上开启多个前台任务窗口而使得所在虚拟机的VCPU尽可能地都成为前台VCPU，而尽可能多地获得物理CPU的调度机会，从而影响其它虚拟机的运行。为了避免这种情况的发生，在一个实施例中，VCPU调度策略将从虚拟机的角度进行物理CPU资源分配的总量控制，在虚拟机的层面上维持公平性，即两个拥有相同数量和配置的VCPU的虚拟机，在同一个调度周期内各个VCPU运行时间的总和应该是大致相同的。

图3示出了同一个调度周期内两个虚拟机中VCPU运行时间的总和对比。由图3可见，从宏观上看，前台VCPU抢占和挤占的是所在的同一个虚拟机的其它后台VCPU的运行机会和运行时间，从而在不同的虚拟机之间进行了较好的隔离，不会因为一台虚拟机前台VCPU的运行而导致其它虚拟机的运行性能受到影响。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其它的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (10)

1.一种面向虚拟桌面的VCPU调度方法，包括下列步骤：

1)在每个调度周期，根据各个VCPU当前所处理任务的类型，将VCPU分为前台VCPU和后台VCPU，前台VCPU的调度优先级高于后台VCPU；

2)基于抢占原则对VCPU进行调度，所述抢占原则包括：前台VCPU抢占正在运行的后台VCPU的物理资源，前台VCPU之间不进行物理资源抢占。

2.根据权利要求1所述的面向虚拟桌面的VCPU调度方法，其特征在于，所述步骤1)还包括：如果一个任务的所属应用的窗口界面显示在当前屏幕上，则该任务的类型为前台任务，否则该任务的类型为后台任务。

3.根据权利要求1所述的面向虚拟桌面的VCPU调度方法，其特征在于，所述步骤1)还包括：根据系统中各类中断与VCPU的映射绑定关系对前台VCPU划分子优先级。

4.根据权利要求3所述的面向虚拟桌面的VCPU调度方法，其特征在于，所述步骤1)包括下列子步骤：

11)搜集各个VCPU当前所处理任务的类型，以及系统中各类中断与VCPU的映射绑定关系；

12)将VCPU分为前台VCPU和后台VCPU；

13)对前台VCPU划分子优先级。

5.根据权利要求4所述的面向虚拟桌面的VCPU调度方法，其特征在于，所述步骤11)中，所述的搜集各个VCPU当前所处理任务的类型以及系统中各类中断与VCPU的映射绑定关系，由在客户机操作系统中运行的一个内核级代理执行。

6.根据权利要求4所述的面向虚拟桌面的VCPU调度方法，其特征在于，所述步骤13)中，根据前台VCPU的当前前台任务类型分配子优先级，前台任务类型包括：用户输入事件处理任务、面向用户的输出任务、硬件设备中断及事件处理任务以及由用户输入引起的并需要在输出中反馈给用户处理结果的任务，这些前台任务类型按照子优先级由高至低的顺序排序。

7.根据权利要求4所述的面向虚拟桌面的VCPU调度方法，其特征在于，所述步骤2)还包括：前台VCPU之间按照各自的子优先级分配空闲的物理资源。

8.根据权利要求4所述的面向虚拟桌面的VCPU调度方法，其特征在于，所述步骤2)还包括：当同一个客户机操作系统上同时有两个及以上的前台任务时，当同一台宿主物理机上运行多台虚拟机的多个前台任务时，或者多个不同虚拟机的前台任务的VCPU由物理机上同一个物理CPU执行时，前台VCPU之间按照各自的子优先级分配空闲的物理资源。

9.根据权利要求1所述的面向虚拟桌面的VCPU调度方法，其特征在于，所述步骤2)还包括：在虚拟机监视器中设置专用的前台VCPU迁移调度线程，在物理CPU之间迁移和调度前台VCPU，使得各物理CPU所运行的前台VCPU数目基本一致，实现动态的平衡。

10.根据权利要求1～9中任意一项所述的面向虚拟桌面的VCPU调度方法，其特征在于，所述步骤2)还包括：在虚拟机的层面上，通过调度使得任意两个拥有相同数量和配置的VCPU的虚拟机，在同一个调度周期内各个VCPU运行时间的总和大致相同。