CN106681815A - 一种虚拟机并发迁移方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种虚拟机并发迁移方法，用于同时对多个虚拟机进行迁移，对于每个虚拟机其迁移的过程具体包括以下步骤：S1.获取需要迁移的虚拟机的资源需求，所述虚拟机运行在源物理机中；S2.计算可用的物理机集合D，物理机集合D中包含所有能够满足虚拟机资源需求的物理机，选择其中的一个物理机作为目的物理机；S3.计算从源物理机到目的物理机可用的路径集合P；S4.从路径集合P中选择带宽最大的路径作为迁移路径，使得虚拟机从源物理机迁移至目的物理机中。

Description

一种虚拟机并发迁移方法
技术领域
本发明涉及云计算领域，更具体地，涉及一种虚拟机并发迁移方法。
背景技术
云数据中心出于负载均衡、设备维护、资源整合等目的，需要将运行在各物理主机上的虚拟机进行迁移。虚拟机的动态迁移保证虚拟机运行的同时，能够把它从原物理主机迁移到目的主机，并且在目的主机恢复运行。但是虚拟机的迁移过程占用了数据中心的物理资源和网络资源，会造成云数据中心性能的下降。当多个虚拟机迁移任务并发时(这种情况在物理设备需要维护时尤为普遍)，云数据中心性能的下降更为明显。
现有技术提供了一种基于SDN的虚拟机迁移调度方案，该方案综合考虑待迁移虚拟机内存大小、网络带宽、宿主机计算能力等影响因子，然后计算合理的虚拟机迁移优先级的序列。这样的方案只是计算出了多个虚拟机迁移的顺序，本质上还是分多次迁移虚拟机，当多个虚拟机迁移请求同时到达时，会造成一些虚拟机的迁移请求需要等待一段时间才能被执行，这样虽然迁移时间减少了，但增加了等待时间，一定程度上影响了云数据中心的服务质量。
发明内容
本发明为解决以上现有技术的难题，提供了一种虚拟机并发迁移方法，该方法为每个虚拟机分配合适的迁移路径和网络带宽，尽量减少各个虚拟机之间对有限网络资源的竞争，使得所有虚拟机的迁移时间之和最小。这样既可以提高云数据中心的资源利用率，又可以提高云数据中心的服务质量。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种虚拟机并发迁移方法，用于同时对多个虚拟机进行迁移，对于每个虚拟机其迁移的过程具体包括以下步骤：
S1.获取需要迁移的虚拟机的资源需求，所述虚拟机运行在源物理机中；
S2.计算可用的物理机集合D，物理机集合D中包含所有能够满足虚拟机资源需求的物理机，选择其中的一个物理机作为目的物理机；
S3.计算从源物理机到目的物理机可用的路径集合P；
S4.从路径集合P中选择带宽最大的路径作为迁移路径，使得虚拟机从源物理机迁移至目的物理机中。
上述方案中，本发明提供的方法首先为需要迁移的虚拟机分配能够满足其资源需求的目的物理机，然后再为其选取带宽最大的路径作为迁移路径，因此本发明提供的方法能够以当前最优的网络条件来进行虚拟机的迁移，且各个虚拟机的迁移之间是相互独立、同步进行的，虚拟机与虚拟机的迁移之间不构成网络资源的竞争，这使得所有虚拟机的迁移时间之和最小，既可以提高云数据中心的资源利用率，又可以提高云数据中心的服务质量。
优选地，所述并发迁移方法具体应用于SDN数据中心架构中，所述数据中心架构包括SDN控制器、云控制器和设置在SDN控制器内部的虚拟机迁移应用模块，其中SDN控制器用执行步骤S3，所述云控制器用于执行步骤S1和S2，所述虚拟机迁移应用模块用于执行步骤S4。
优选地，所述虚拟机通过预拷贝技术迁移到目的物理机中，所述预拷贝技术包括依次执行的预拷贝阶段和停机拷贝阶段，其中预拷贝阶段虚拟机的内存以迭代的方式从源物理机拷贝到目的物理机中；而在停机拷贝阶段云控制器暂停虚拟机，将预拷贝阶段产生的脏内存页、CPU和寄存器的状态发送至目的物理机，目的物理机恢复虚拟机的运行。
优选地，预拷贝阶段虚拟机在迭代拷贝时会更改一部分内存页，称为脏内存页，更改的脏内存页在下一轮迭代时重新传输至目的物理机。
优选地，所述预拷贝阶段当传输的总数据量超过预设的门限时，迭代结束，预拷贝技术进入停机拷贝阶段。
优选地，对于任意一个虚拟机，只为其分配一条路径进行迁移。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的方法首先为需要迁移的虚拟机分配能够满足其资源需求的目的物理机，然后再为其选取带宽最大的路径作为迁移路径，因此本发明提供的方法能够以当前最优的网络条件来进行虚拟机的迁移，且各个虚拟机的迁移之间是相互独立、同步进行的，虚拟机与虚拟机的迁移之间不构成网络资源的竞争，这使得所有虚拟机的迁移时间之和最小，既可以提高云数据中心的资源利用率，又可以提高云数据中心的服务质量。
附图说明
图1为SDN数据中心的架构图。
图2为SDN控制器的网络架构图。
图3为预拷贝技术实现虚拟机动态迁移的示意图。
图4为各个虚拟机迁移的流程图。
图5为虚拟机并发迁移的示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
本实施例中，所述虚拟机并发迁移方法运行在SDN数据中心中，SDN数据中心具有开放可编程接口的特点，可以满足数据中心虚拟机智能部署和迁移的功能。SDN数据中心的架构如图1所示，包括：SDN控制器、云控制器和网络/计算设备。SDN控制器可以通过以OpenFlow为代表的协议/接口管理网络设备，同时网络设备也可以反馈信息给SDN控制器。特别地，本发明将对SDN控制器进行扩展，在其内部增加一个虚拟机迁移应用模块，该模块可利用已有信息，计算出虚拟机迁移的路径和目的物理机，并为每一个虚拟机迁移请求分配带宽资源。云控制器则是一个计算设备的管理程序，它负责虚拟机的管理和物理资源的分配，这些资源包括CPU、内存、存储以及网络带宽。
如图4、5所示，本发明设计的虚拟机并发迁移方法的具体步骤如下：
(1)云控制器收集虚拟机迁移请求和所需资源等信息。虚拟机的迁移请求可以表示为需要被迁移的虚拟机的集合。这些虚拟机可能是出于设备维护、负载均衡、资源整合等目的，无法在现有源物理机上继续运行，需要迁移到其他的物理机上。同时，每个虚拟机所需要的物理资源，以及每个物理机可用的物理资源，这些信息也可以由云控制器收集得到。
(2)SDN控制器收集网络带宽信息，如每条链路可用的网络带宽资源等。SDN控制器的网络架构如图2所示，该网络架构分为3层，分别为基础设施层、控制层和应用层，其中基础设施层主要由支持Open Flow协议的SDN交换机组成。控制层主要包含Open Flow控制器及网络操作系统(network operation system,NOS)。控制层是一个平台，该平台向下可以直接与使用Open Flow协议的交换机进行会话；向上，为应用层软件提供开放接口，用于应用程序检测网络状态、下发控制策略。位于顶层的应用层由众多应用软件构成，这些软件能够根据控制器提供的网络信息执行特定控制算法，并将结果通过控制器转化为流量控制命令，下发到基础设施层的实际设备中。
(3)虚拟机迁移应用模块(VMMAPP，Virtual Machine Migration Applicationprogram)根据步骤(1)(2)收集的信息，计算出虚拟机的迁移路径和目的物理机并为每个虚拟机迁移请求分配带宽资源。该模块通过一个基于贪心规则的启发式算法，为每个虚拟机迁移请求指定迁移路径和目的物理机，并分配带宽资源。
首先，本发明将定义优化的目标函数。方法在实行时各个虚拟机的迁移任务是同时开始的，因此优化的目标是减少多个虚拟机迁移时间的总和。这个优化目标的确立基于两个原因，一方面，各个虚拟机迁移任务一般是相互独立的；另一方面，如果优化目标是多个虚拟机迁移任务的整个持续时间，那么很可能会造成对网络带宽资源的争夺，这样虽然带宽的利用率达到了最大，但会造成网络拥堵，影响数据中心其他服务的质量。
为了定义多个虚拟机迁移时间的总和，首先要表示单个虚拟机迁移的时间。目前虚拟机的动态迁移方法中最主要的也是最广泛使用的技术是预拷贝技术，本发明采用预拷贝技术迁移虚拟机。预拷贝技术分为两个阶段，第一个阶段是预拷贝阶段，虚拟机的内存以迭代的方式从源物理机拷贝到目的物理机。初始时需要传输整个的内存镜像。由于虚拟机在持续运行时会更改一部分内存页，称为脏内存页。为了保证内存一致性，这些脏内存页需要在下一轮迭代时重新传输。预拷贝不能一直无限迭代，当传输的总数据量超过预设的门限(V>Vthd)时，迭代结束。第二个阶段是停机拷贝阶段，云控制器暂停该虚拟机，将新产生的脏内存页、
CPU和寄存器的状态发送给目的物理机。当目的物理机接收到后便可恢复该虚拟机的运行。这个过程可以由图3表示。
本实施例中，用M表示虚拟机内存镜像的大小，R表示在迁移过程中的内存脏页率，L表示分配给虚拟机迁移的带宽。虚拟机实时迁移的过程可以用图3表示。可以看出，虚拟机的迁移可以分为几轮，假设一共进行了n轮，每一轮需要传输的数据大小用Vi表示(0≤i≤n)。在第一轮传输时，所有的内存页都要被复制到目的物理机，即V0＝M。然后在接下来的每一轮中，需要重复传输前一轮中被修改过的内存页，传输的数据大小Vi＝R*Ti-1，i>0。因此，每一轮所用的时间可以表示为Ti＝Vi/L＝R*·Ti-1/L＝M*Ri/Li+1。
假设λ表示R与L的比值，即λ＝R/L。结合以上的分析，虚拟机的总迁移时间可以表示为：
假设共有K个虚拟机，K个虚拟机迁移时间的总和可以表示为(λ的值一般很小，因此λn+1可以忽略)：
将数据中心的网络抽象成一个图模型G(V,E)，其中V是物理机的集合，E是各条链路的集合。物理机和网络链路都有一定的容量限制。约束条件如下：
约束条件(a)中的变量是一个二值的变量，它表示p路径是否分配给虚拟机k用于迁移到目的物理机d上。如果虚拟机k通过p路径迁移到目的物理机d上，则该变量的值为1，否则该变量的值为0。约束条件(b)保证对于任意一个虚拟机k来说，只能为它分配一条路径迁移，因为如果考虑多路迁移的话模型将更为复杂，也会占用更多的网络资源。约束条件(c)表示为虚拟机k分配的带宽不能超过该链路的剩余带宽容量。约束条件(d)表示虚拟机k迁移的目的物理机需要满足虚拟机k的资源需求。
Mk和Rk是已知的，因此需要求解Lk来使得Tmig最小。而Lk的大小与虚拟机迁移的目的物理机和迁移路径有关，因此这是一个多约束条件的规划问题，是一个NP难问题，无法在多项式时间内求得精确的最优解。因此本实施例设计启发式算法来进行求解。该启发式算法是一个集中式的算法，假设已知所有虚拟机迁移的请求。利用贪心的思想，首先对虚拟机迁移的可用路径集合Pk按照带宽大小进行降序排列，在目的物理机可以满足虚拟机的资源需求的前提下，选择可用带宽最大的链路来迁移虚拟机，并且将该链路可用的带宽全部分配给虚拟机，直到每一个虚拟机迁移任务都被分配了路径。如图4、5所示，本方法在具体执行的时候其具体步骤如下：
3-1)初始化算法输入变量：G(V,E)←数据中心网络拓扑，V←物理机的集合，H(v)←物理机的资源，v∈V，E←各条链路的集合，c(e)←各链路容量，e∈E，K←待迁移的虚拟机个数，k＝1,2,3…K，Mk←虚拟机k的内存大小，Rk←虚拟机k的脏页率，Nk←虚拟机k的资源需求，∞←虚拟机k的迁移时间Tk。
3-2)令k＝1，为第一个虚拟机迁移任务选择路径和分配资源。
3-3)计算可用的物理机集合Dk，Dk包含所有满足约束条件(d)的物理机v。
3-4)计算可用的路径集合Pk，包含从源物理机到任意一个目的物理机的所有路径。
3-5)计算Lk，令Lk＝max Lp，p∈Pk。对于路径p∈Pk，路径p的可用带宽Lp等于该路径上链路容量最小的值，即Lp＝min c(e)，e∈p。
3-6)更新可用网络资源和物理资源的值。对于路径p上所有的链路e，c(e)＝c(e)–Lk，H(d)＝H(d)–Nk。
3-7)计算迁移时间Tk，
3-8)k＝k+1。如果k≤K，执行步骤3-3，否则，结束。
(4)按照步骤(3)计算出的迁移策略，SDN控制器通过OpenFlow协议将转发策略以流表的形式下发给交换机和路由器等网络设备。
(5)多个虚拟机迁移任务按照既定方案同时开始执行。
(6)在相应的目的物理机上，重新启动各虚拟机。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种虚拟机并发迁移方法，其特征在于：用于同时对多个虚拟机进行迁移，对于每个虚拟机其迁移的过程具体包括以下步骤：
S1.获取需要迁移的虚拟机的资源需求，所述虚拟机运行在源物理机中；
S2.计算可用的物理机集合D，物理机集合D中包含所有能够满足虚拟机资源需求的物理机，选择其中的一个物理机作为目的物理机；
S3.计算从源物理机到目的物理机可用的路径集合P；
S4.从路径集合P中选择带宽最大的路径作为迁移路径，使得虚拟机从源物理机迁移至目的物理机中。
2.根据权利要求1所述的虚拟机并发迁移方法，其特征在于：所述并发迁移方法具体应用于SDN数据中心架构中，所述数据中心架构包括SDN控制器、云控制器和设置在SDN控制器内部的虚拟机迁移应用模块，其中SDN控制器用执行步骤S3，所述云控制器用于执行步骤S1和S2，所述虚拟机迁移应用模块用于执行步骤S4。
3.根据权利要求2所述的虚拟机并发迁移方法，其特征在于：所述虚拟机通过预拷贝技术迁移到目的物理机中，所述预拷贝技术包括依次执行的预拷贝阶段和停机拷贝阶段，其中预拷贝阶段虚拟机的内存以迭代的方式从源物理机拷贝到目的物理机中；而在停机拷贝阶段云控制器暂停虚拟机，将预拷贝阶段产生的脏内存页、CPU 和寄存器的状态发送至目的物理机，目的物理机恢复虚拟机的运行。
4.根据权利要求3所述的虚拟机并发迁移方法，其特征在于：预拷贝阶段虚拟机在迭代拷贝时会更改一部分内存页，称为脏内存页，更改的脏内存页在下一轮迭代时重新传输至目的物理机。
5.根据权利要求3所述的虚拟机并发迁移方法，其特征在于：所述预拷贝阶段当传输的总数据量超过预设的门限时，迭代结束，预拷贝技术进入停机拷贝阶段。
6.根据权利要求1~5任一项所述的虚拟机并发迁移方法，其特征在于：对于任意一个虚拟机，只为其分配一条路径进行迁移。
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Inventor after: Zhang Yifan

Inventor after: Wu Weigang

Inventor before: Zhang Yifan

Inventor before: Wu Weigang

Inventor before: Xiao Nong

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