高性能虛擬化及其適用性研究.pdf

1、云計(jì)算是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代信息基礎(chǔ)設(shè)施與應(yīng)用服務(wù)模式的重要形態(tài)，是新一代信息技術(shù)集約化發(fā)展的必然趨勢(shì)。虛擬化是云計(jì)算為代表的新型計(jì)算系統(tǒng)的核心支撐技術(shù)，即通過(guò)使用虛擬機(jī)監(jiān)視器隱藏計(jì)算資源的實(shí)際物理特性（以虛擬資源的形式交付給用戶，如虛擬CPU、虛擬內(nèi)存、虛擬 I/O設(shè)備等），為用戶提供抽象的、統(tǒng)一的、模擬的計(jì)算環(huán)境（稱為虛擬機(jī)）。高性能虛擬化及其適用性研究目標(biāo)就是要提高虛擬機(jī)的性能、拓展虛擬機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域（即虛擬機(jī)的適用性）。
　　提高虛擬

2、機(jī)的性能和適用性最重要的手段之一就是給用戶交付盡可能接近物理資源性能的虛擬資源（即資源抽象方法的研究），同時(shí)實(shí)現(xiàn)有效的可管理性和可用性。由于I/O設(shè)備虛擬化所導(dǎo)致的系統(tǒng)性能損耗占到33％~66%，本論文針對(duì)I/O設(shè)備導(dǎo)致的性能瓶頸，提出了基于事件的輪詢、混合GPU影子頁(yè)表等方法，大幅提高了SR-IOV網(wǎng)卡、GPU兩類I/O設(shè)備的虛擬化性能，還顯著提高了移動(dòng)虛擬化的I/O性能。虛擬機(jī)的可管理性通常指虛擬機(jī)是否支持熱遷移、靈活的包過(guò)濾等能力

3、，虛擬機(jī)的可用性通常指提供不間斷服務(wù)的能力。由于當(dāng)前資源抽象方法的局限，導(dǎo)致高性能的虛擬機(jī)在可管理性和可用性方面存在挑戰(zhàn)，而可管理性和可用性好的虛擬機(jī)則性能欠佳，因此限制了虛擬機(jī)的適用范圍。本論文提出了混合驅(qū)動(dòng)模型和混合SR-IOV方法，提高了虛擬機(jī)的可管理性；另外，虛擬機(jī)復(fù)制提供了一種應(yīng)用透明的高可用方案，但是現(xiàn)有的方法受限于嚴(yán)重的性能損失而不能得到廣泛應(yīng)用，本論文提出了粗粒度鎖步方法，提高了虛擬機(jī)的可用性；進(jìn)而減小了虛擬機(jī)的應(yīng)用局限

4、，拓展了虛擬機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。
　　本論文對(duì)高性能I/O虛擬化的貢獻(xiàn)主要有三個(gè)方面，1）針對(duì)SR-IOV等直通設(shè)備，我們提出了sEBP（A Smart Event-based Polling Driver Model），一個(gè)智能的基于事件的輪詢驅(qū)動(dòng)模型，完全去除了主要數(shù)據(jù)收發(fā)路徑上的中斷。sEBP利用客戶機(jī)系統(tǒng)自身的事件，在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)下，讓設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序及時(shí)介入處理I/O事件，從而避免了大量中斷以及中斷導(dǎo)致的系統(tǒng)處理開(kāi)銷。2）對(duì)于受控直

5、通虛擬化，我們提出了gHyvi，一種新的混合影子頁(yè)表（松散影子頁(yè)表）。gHyvi結(jié)合同步影子頁(yè)表和異步影子頁(yè)表的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)使用場(chǎng)景自動(dòng)采用最優(yōu)的同步方法。3）在移動(dòng)端設(shè)備上，我們利用移動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景的特點(diǎn)，提出了VNative(Virtual Native)虛擬化方法：一種和傳統(tǒng)的PC服務(wù)器虛擬化方法完全不同的、基于平臺(tái)上下文切換的高效移動(dòng)I/O虛擬化方法，極大地降低了虛擬化開(kāi)銷、提高性能、增加電池續(xù)航能力。
　　在虛擬機(jī)的可管理性

6、上，論文提出了混合虛擬化 HYVI：結(jié)合硬件虛擬化的高性能和軟件虛擬化的可管理性，從而實(shí)現(xiàn)最佳平衡。HYVI利用混合驅(qū)動(dòng)模型，將軟件虛擬化的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序和高性能的SR-IOV的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序聯(lián)合起來(lái)，在平時(shí)運(yùn)行時(shí)采用SR-IOV驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)高性能，在虛擬機(jī)遷移時(shí)切換到軟件虛擬化的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫遷移。在網(wǎng)絡(luò)管理上，HYVI提出了混合SR-IOV虛擬化的方法：在服務(wù)虛擬機(jī)（或主機(jī)）上，采用軟件虛擬化的方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)包進(jìn)行靈活管理如基于IP

7、Table的包過(guò)濾，但是利用SR-IOV對(duì)過(guò)濾后的數(shù)據(jù)包進(jìn)行高效分發(fā)，從而平衡性能和可管理性。
　　在虛擬機(jī)的可用性上，論文提出粗粒度鎖步虛擬機(jī)方法COLO（COLO:Coarse-grain Lock-stepping Virtual Machines for Non-stop Service），實(shí)現(xiàn)不間斷服務(wù)。COLO實(shí)現(xiàn)按需虛擬機(jī)狀態(tài)復(fù)制，既避免了虛擬機(jī)鎖步情況下對(duì)多處理器客戶機(jī)支持的過(guò)度同步開(kāi)銷問(wèn)題，也解決了周期性的虛擬機(jī)