CN113254161B - 一种基于cpu的快速虚拟机热迁移方法 - Google Patents

一种基于cpu的快速虚拟机热迁移方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CPU的快速虚拟机热迁移方法，其步骤包括：步骤S1：在KVM虚拟机监控程序在分配第二阶段页表时，分配对4K页长度和非4K页长度的指针；步骤S2：对第二阶段翻译页表进行动态页长度更新，若为非4K页长度页表时，将非4K页长度指针的有效页表指针指向4K页长度的指针；步骤S3：当切入到VCPU进程时，进行寄存器vttbr_el2状态更新。本发明具有原理简单、可大幅降低内存传输量，可大幅缩短热迁移完成时间和服务中断时间等优点。

Description

一种基于CPU的快速虚拟机热迁移方法
技术领域
本发明主要涉及到服务器虚拟化技术领域，特指一种基于CPU的快速虚拟机热迁移方法。
背景技术
服务器虚拟化技术是当前的热点，而KVM虚拟机的热迁移技术则是虚拟化技术当中的热点。热迁移，又叫动态迁移、实时迁移，即虚拟机状态保存 /状态 恢复 ：将整个虚拟机的运行状态完整保存下来，同时可以快速的恢复到原有硬件平台，甚至是不同硬件平台上。恢复以后，虚拟机仍旧平滑运行，用户不会察觉到任何差异。虚拟机热迁移可以满足数据中心的实现容错、负载均衡、系统硬件维护等功能需求。
衡量KVM虚拟机热迁移效率的重要指标是：热迁移完成时间和服务中断时间，热迁移完成时间包含了服务中断时间，这两个时间指标越短，KVM虚拟机热迁移效率越高。其中，热迁移完成时间是指从迁移管理进程启动迁移开始到目标虚拟机启动工作之间的时间；服务中断时间是指源虚拟机停止工作到目标虚拟机启动工作之间的时间间隔。
KVM虚拟机热迁移的效果要确保在源虚拟机完全停止工作时的磁盘文件数据、内存数据和虚拟机CPU状态，和目标虚拟机启动工作时的完全一致。
在进行磁盘状态数据迁移时，大多数采用源虚拟机和目标虚拟机之间基于网络的共享文件存储方式实现；基于这种实现方式，磁盘状态数据就不需要进行传输。针对具体虚拟机而言，虚拟机CPU状态数据是一个固定长度的数据结构；由于虚拟机CPU状态数据量非常小而且数据量是固定的，虚拟机CPU状态数据采用直接复制传输方式。
KVM虚拟机的内存长度一般都有GB以上，一些虚拟机10GB甚至几十GB；因此内存数据的同步和传输技术是影响KVM虚拟机之间热迁移性能的主要优化技术。当前KVM虚拟机热迁移的研究也主要集中在虚拟机内存数据同步和传输方面。主要技术方案有三类：
1）传输优化技术，主要提高内存数据从源端到目的端的传输吞吐率，特别是网络传输吞吐率。例如并行压缩传输技术方案，先将内存数据在源端进行并行压缩，经过网络传输后在目的端进行并行解压，这主要用于跨服务器硬件平台的KVM虚拟机热迁方案。
2）内存数据预先传输技术。该方案在源虚拟机停止工作之前，就启动内存数据传输；当源虚拟机停止工作后，只需要最后一次传输少量的内存数据。
3）减小内存传输量。基于虚拟机物理内存并不完全是有效数据，没有映射的内存块、只读内存块、甚至可读写的未脏内存块，这些内存块要么不包含有效数据，要么数据已经全部在磁盘文件中保存了，因此这些内存块是没有必要进行额外传输的。
上面三种技术方案相互不冲突，因此KVM虚拟机热迁移中可以同时使用，其中内存数据预先传输技术和减小内存传输量技术，这两类技术结合比较紧密。
对于CPU而言，例如FT-2000+/64和S2500等服务器系列CPU，遵循ARMv8体系结构，支持CPU虚拟化、内存虚拟化、中断虚拟化等硬件级虚拟化技术，从而更好地实现KVM虚拟机。
传统采用的方式是内存虚拟化技术，参见图4所示，即采用了两阶段翻译机制来支持内存虚拟化：第一级是客户虚拟地址翻译成客户机物理地址（又称为中间物理地址）；第二级是KVM进程虚拟地址内的虚拟机内存地址翻译成真实物理地址（又称为主机内存地址）。用于第一阶段翻译的页表是由虚拟机操作系统进行管理；用于第二阶段翻译的页表由虚拟机监控程序KVM管理。
参见图5所示，Qemu迁移管理任务启动KVM虚拟机迁移，通过KVM虚拟机监控程序获取当前脏页信息，包含了每个脏页在KVM进程虚拟地址上的虚拟起始地址；迁移管理任务将获得的脏页数量与设定阈值进行比较：如果小于设定阈值，就给KVM虚拟机监控程序发送停机命令，然后将脏页的数据内容全部复制并传输给目标虚拟机；如果大于设定阈值，仅仅将脏页的数据内容全部复制并传输给目标虚拟机，然后循环通过KVM虚拟机监控程序获取后续脏页信息。
在Qemu迁移管理任务获取脏页信息调用中，KVM虚拟机监控程序先将所有脏页信息记录下来，并将脏页标记清零，然后再将脏页信息返回给迁移管理任务。在Qemu迁移管理任务发送停机命令后，KVM虚拟机监控程序会将KVM进程挂起，即虚拟机CPU状态全部冻结。
那么，在上述过程中，只要虚拟机没有被停止，虚拟机内部的客户操作系统和应用会修改内存单元，导致脏页会不停的产生。一方面，Qemu迁移管理任务在每次循环中迁移出虚拟机的脏页；另一方面，虚拟机在不停地产生脏页。
需要注意的是，这个过程很可能存在一种情况，某个脏页在被Qemu拷贝迁移之后，虚拟机对该页内存又进行修改，哪怕仅仅是一个字节，这导致下一次又被认为是脏页需要重新迁移。
当下面情况发生时，这种内存迁移机制就有可能发生Qemu迁移管理任务获得脏页数量收敛性比较差甚至不收敛，从而导致迁移完成时间特别长。
1）每次获得的脏页数据量很大，Qemu迁移管理任务的拷贝时间长。
2）在一次循环过程间隔中，虚拟机产生脏页的数据量比较大。
3）设定域值设置的比较小。
同时，由于当前CPU的内存管理单元MMU支持的普通页长度为4K、16K、64K三种；在相同的应用条件下，所有脏页的数据量 = 脏页数量 × 页长度，脏页数量与应用模型相关，因此脏页的数据量就与页长度成正比。因此64K页长度条件下产生的脏页数据量大约是4K页长度的16倍。
但是，当前页长度是在操作系统配置时静态定义的，也就是说一旦静态确定了，在服务器运行过程中不能动态修改普通页长度。通常在服务器配置下，页长度采用64K，主要是因为服务器系统性能在64K页长度条件下比4K页长度的要好。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、可大幅降低内存传输量，可大幅缩短热迁移完成时间和服务中断时间的基于CPU的快速虚拟机热迁移方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于CPU的快速虚拟机热迁移方法，其步骤包括：
步骤S1：在KVM虚拟机监控程序在分配第二阶段页表时，分配对4K页长度和非4K页长度的指针；
步骤S2：对第二阶段翻译页表进行动态页长度更新，若为非4K页长度页表时，将非4K页长度指针的有效页表指针指向4K页长度的指针；
步骤S3：当切入到VCPU进程时，进行寄存器vttbr_el2状态更新。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S1中，于struct kvm_arch结构体中，pgd_t *pgd指针是第二阶段页表内存地址，增加pgd_t *pgd4K指针和pgd_t *pgdXK指针；其中，所述pgd_t *pgd4K指针是指向4K页长度的页表指针；所述pgd_t *pgdXK指针是指向16K或64K页长度的页表指针。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S1中，在KVM虚拟机监控程序在分配第二阶段页表时，在原有分配一个页表内存的基础上增加到分配两块页表内存：当采用4K页长度时，直接使用pgd指针，pgd4K指针为NULL；当采用比4K大的页长度时，pgdXK指向一个非4K页长度的页表，而pgd4K指向4K页长度的页表。
作为本发明的进一步改进：所述pgd指针指向当前正在使用的、生效的页表地址。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S2中，如果是4K页长度，保持原样；如果是非4K页长度，在源虚拟机端，当Qemu线程迁移管理任务向KVM虚拟机监控程序请求脏页信息时，就启动4K页长度的页表初始化工作，根据所述pgd_t *pgdXK指针指向的pgdXK的页表项初始化所述pgd_t *pgd4K指针指向的页表项，并将有效页表指针指向pgd4K，同时更新vttbr；在目标虚拟机端，虚拟机开始运行之前，根据pgd4K的页表项初始化pgdXK的页表项，并将有效页表指针指向pgdXK，同时更新vttbr。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S3中，在这个上下文切换过程KVM虚拟机监控程序根据pgd和vttbr自动完成寄存器vttbr_el2的状态；所述KVM虚拟机监控程序向所有VCPU进程所在的CPU以机间中断形式，统一进行寄存器vttbr_el2状态更新。
作为本发明的进一步改进：还包括步骤S4：当虚拟机迁移完成后恢复到最初的设置值。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的基于CPU的快速虚拟机热迁移方法，原理简单、操作简便、适用范围广，不影响到原系统的配置和执行，其主要用来解决在64K页长度服务器系统中采用4K页长度进行内存迁移；在迁移完成后，源服务器和目标服务器依然可以采用64K页长度进行常规工作。本发明是通过动态修改页长度，使得在虚拟机迁移过程采用4K页长度进行内存迁移，从而大幅降低内存传输量，从而大幅度缩短热迁移完成时间和服务中断时间。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图。
图2是本发明在具体应用实例中分配第二阶段页表时的示意图。
图3是本发明在具体应用实例中对第二阶段翻译页表进行动态页长度更新的示意图。
图4是内存虚拟化技术的原理示意图。
图5是Qemu迁移管理任务的原理示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
虚拟机内存迁移是针对客户物理地址进行迁移，这段内存地址范围由KVM虚拟机监控程序管理的第二阶段映射，将其映射到真实主机内存；所以，在虚拟机创建之初，会由KVM虚拟机监控程序分配第二阶段的页表。本发明的方法就是在KVM虚拟机监控程序分配第二阶段页表的过程中来完成。
如图1、图2和图3所示，本发明的基于CPU的快速虚拟机热迁移方法，其包括：
步骤S1：在KVM虚拟机监控程序在分配第二阶段页表时，分配对4K页长度和非4K页长度的指针；
步骤S2：对第二阶段翻译页表进行动态页长度更新，若为非4K页长度页表时，将非4K页长度指针的有效页表指针指向4K页长度的指针；
步骤S3：当进程上下文切入到VCPU进程时，进行寄存器vttbr_el2状态更新。
作为较佳的实施例，本发明进一步包括步骤S4：当虚拟机迁移完成后恢复到最初的设置值，从而使得本发明的调整过程仅仅是影响热迁移过程页长度，对原本系统的执行过程不产生影响。
在具体应用实例中，所述步骤S1中，在KVM虚拟机监控程序在分配第二阶段页表时，本发明在原有分配一个页表内存的基础上增加到分配两块页表内存：当采用4K页长度时，直接按照已有的方案直接使用pgd指针，pgd4K指针为NULL；当采用比4K大的页长度时，pgdXK指向一个非4K页长度的页表，而pgd4K指向4K页长度的页表。所述pgd指针指向当前正在使用的、生效的页表地址。
在具体应用实例中，所述步骤S1中，于struct kvm_arch结构体中，pgd_t *pgd指针是第二阶段页表内存地址，本发明的步骤S1就是在这个基础上增加pgd_t *pgd4K指针和pgd_t *pgdXK指针；其中，所述pgd_t *pgd4K指针是指向4K页长度的页表指针；所述pgd_t*pgdXK指针是指向16K或64K页长度的页表指针。
在具体应用实例中，所述步骤S2中，如果是4K页长度，本发明不进行任何改造；如果是非4K页长度（特别是64K页长度），本发明在源虚拟机端，当Qemu线程迁移管理任务向KVM虚拟机监控程序请求脏页信息时，就启动4K页长度的页表初始化工作，根据所述pgd_t*pgdXK指针指向的pgdXK的页表项初始化所述pgd_t *pgd4K指针指向的页表项，并将有效页表指针指向pgd4K，同时更新vttbr。在目标虚拟机端，虚拟机开始运行之前，根据pgd4K的页表项初始化pgdXK的页表项，并将有效页表指针指向pgdXK，同时更新vttbr。
在具体应用实例中，所述步骤S3中，在这个上下文切换过程KVM虚拟机监控程序会根据pgd和vttbr自动完成寄存器vttbr_el2的状态。因此需要KVM虚拟机监控程序，向所有VCPU进程所在的CPU以机间中断形式，统一进行寄存器vttbr_el2状态更新。
由上可知，本发明是在64K页长度服务器系统中采用4K页长度进行内存迁移，迁移完成后，源服务器和目标服务器依然可以采用64K页长度进行常规工作。本发明的关键创新就在于，通过动态修改页长度，使得在虚拟机迁移过程采用4K页长度进行内存迁移，从而大幅降低内存传输量，从而大幅度缩短热迁移完成时间和服务中断时间。
通过采用本发明的上述方案，本发明通过动态修改页长度，采用4K页长度使得虚拟机热迁移过程能大量减少内存脏页的数据长度，从而加快了脏页数收敛性，进而大量降低了内存脏页的拷贝传输的数据量，使其具有极大缩短了虚拟机热迁移完成时间和服务中断时间。本发明的动态修改页长度，仅仅是影响热迁移过程页长度，当虚拟机迁移完成后又会恢复到最初的设置值。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于CPU的快速虚拟机热迁移方法，所述虚拟机热迁移用来完成源虚拟机端到目标虚拟机端的动态迁移，其特征在于，步骤包括：
步骤S1：在KVM虚拟机监控程序在分配第二阶段翻译页表时，分配对4K页长度和非4K页长度的指针；
步骤S2：对第二阶段翻译页表进行动态页长度更新，若为非4K页长度页表时，将非4K页长度指针的有效页表指针指向4K页长度的指针；
步骤S3：当切入到VCPU进程时，进行寄存器vttbr_el2状态更新。
2.根据权利要求1所述的基于CPU的快速虚拟机热迁移方法，其特征在于，所述步骤S1中，于struct kvm_arch结构体中，pgd_t *pgd指针是第二阶段翻译页表内存地址，增加pgd_t *pgd4K指针和pgd_t *pgdXK指针；其中，所述pgd_t *pgd4K指针是指向4K页长度的页表指针；所述pgd_t *pgdXK指针是指向16K或64K页长度的页表指针。
3.根据权利要求2所述的基于CPU的快速虚拟机热迁移方法，其特征在于，所述步骤S1中，在KVM虚拟机监控程序在分配第二阶段翻译页表时，在原有分配一个页表内存的基础上增加到分配两块页表内存：当采用4K页长度时，直接使用pgd指针，pgd4K指针为NULL；当采用比4K大的页长度时，pgdXK指向一个非4K页长度的页表，而pgd4K指向4K页长度的页表。
4.根据权利要求3所述的基于CPU的快速虚拟机热迁移方法，其特征在于，所述pgd指针指向当前正在使用的、生效的页表地址。
5.根据权利要求2所述的基于CPU的快速虚拟机热迁移方法，其特征在于，所述步骤S2中，如果是4K页长度，保持原样；如果是非4K页长度，在源虚拟机端，当Qemu线程迁移管理任务向KVM虚拟机监控程序请求脏页信息时，就启动4K页长度的页表初始化工作，根据所述pgd_t *pgdXK指针指向的pgdXK的页表项初始化所述pgd_t *pgd4K指针指向的页表项，并将有效页表指针指向pgd4K，同时更新vttbr；在目标虚拟机端，虚拟机开始运行之前，根据pgd4K的页表项初始化pgdXK的页表项，并将有效页表指针指向pgdXK，同时更新vttbr。
6.根据权利要求2-5中任意一项所述的基于CPU的快速虚拟机热迁移方法，其特征在于，所述步骤S3中，在这个上下文切换过程KVM虚拟机监控程序根据pgd和vttbr自动完成寄存器vttbr_el2的状态；所述KVM虚拟机监控程序向所有VCPU进程所在的CPU以机间中断形式，统一进行寄存器vttbr_el2状态更新。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的基于CPU的快速虚拟机热迁移方法，其特征在于，还包括步骤S4：当虚拟机迁移完成后恢复到最初的设置值。
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