面向?qū)崟r(shí)應(yīng)用的虛擬CPU調(diào)度優(yōu)化研究.pdf

1、實(shí)時(shí)應(yīng)用是很常見的一類應(yīng)用。與其他應(yīng)用相比，實(shí)時(shí)應(yīng)用最顯著的特征是具有截止期限，任務(wù)應(yīng)該在截止期限之前完成。根據(jù)實(shí)時(shí)性需求不同，實(shí)時(shí)應(yīng)用可以分為硬實(shí)時(shí)應(yīng)用和軟實(shí)時(shí)應(yīng)用。硬實(shí)時(shí)應(yīng)用必須在截止期限之前完成任務(wù)，而軟實(shí)時(shí)應(yīng)用可以容忍少量錯(cuò)過截止期限的情況發(fā)生。隨著虛擬化技術(shù)的發(fā)展，越來越多的軟實(shí)時(shí)應(yīng)用運(yùn)行在云計(jì)算環(huán)境中。但是，虛擬機(jī)管理器的CPU調(diào)度器主要考慮如何讓虛擬機(jī)公平共享CPU資源及提高系統(tǒng)吞吐率，忽視了實(shí)時(shí)應(yīng)用具有截止期限這一特性，

2、嚴(yán)重影響此類應(yīng)用的性能。因此，如何有效地優(yōu)化虛擬CPU調(diào)度是保證虛擬化環(huán)境下實(shí)時(shí)應(yīng)用性能的關(guān)鍵。根據(jù)實(shí)時(shí)應(yīng)用以及虛擬機(jī)管理器的特征，在虛擬化環(huán)境下優(yōu)化虛擬 CPU調(diào)度來支持軟實(shí)時(shí)應(yīng)用主要面臨以下三個(gè)關(guān)鍵問題：1）如何在虛擬化環(huán)境下支持實(shí)時(shí)應(yīng)用的同時(shí)保證良好的性能隔離？2）如何在虛擬化環(huán)境下保證并行軟實(shí)時(shí)應(yīng)用的性能？3）如何在虛擬化環(huán)境下根據(jù)實(shí)時(shí)應(yīng)用的需求動(dòng)態(tài)地支持軟實(shí)時(shí)應(yīng)用？
　　首先，實(shí)時(shí)CPU調(diào)度器通常優(yōu)先考慮實(shí)時(shí)應(yīng)用，而忽略

3、了對(duì)非實(shí)時(shí)應(yīng)用的影響，打破了虛擬化平臺(tái)保證的性能隔離。此外，不同類型的應(yīng)用的特征不同，對(duì)CPU調(diào)度器的需求也不同，單一的CPU調(diào)度器無法滿足不同應(yīng)用的需求。為此，一種基于多調(diào)度器的實(shí)時(shí)CPU調(diào)度機(jī)制通過動(dòng)態(tài)多核劃分框架將物理CPU劃分成兩個(gè)子集，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)虛擬機(jī)和非實(shí)時(shí)虛擬機(jī)之間的性能隔離。一個(gè)子集使用虛擬化環(huán)境下全局最早截止期限優(yōu)先調(diào)度器調(diào)度實(shí)時(shí)虛擬機(jī)，另一個(gè)子集使用Xen的Credit調(diào)度器調(diào)度非實(shí)時(shí)虛擬機(jī)。該框架解決了單一 CPU調(diào)

4、度器無法滿足不同應(yīng)用需求以及實(shí)時(shí)CPU調(diào)度器會(huì)影響性能隔離的問題，而虛擬化環(huán)境下全局最早截止期限優(yōu)先調(diào)度器可以充分利用多核處理器，解決了Xen的SEDF調(diào)度器的缺陷。
　　其次，多核處理器的流行促使軟實(shí)時(shí)應(yīng)用使用并行編程模型降低響應(yīng)時(shí)間。這類并行軟實(shí)時(shí)應(yīng)用同時(shí)具有實(shí)時(shí)應(yīng)用和并行應(yīng)用的特征，在虛擬化環(huán)境下同時(shí)面臨著軟實(shí)時(shí)約束和同步問題。為了解決這些問題，一種虛擬化環(huán)境下并行軟實(shí)時(shí) CPU調(diào)度算法一方面根據(jù)實(shí)時(shí)應(yīng)用的特征通過實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)

5、和動(dòng)態(tài)時(shí)間片來解決并行軟實(shí)時(shí)應(yīng)用的軟實(shí)時(shí)約束；另一方面，通過并行調(diào)度和組調(diào)度來解決虛擬機(jī)內(nèi)同步問題和虛擬機(jī)間同步問題。此外，針對(duì)跨物理機(jī)的虛擬機(jī)間同步問題，該算法使用通信驅(qū)動(dòng)組調(diào)度機(jī)制予以解決。
　　最后，云計(jì)算數(shù)據(jù)中心中運(yùn)行著各種各樣的應(yīng)用。CPU調(diào)度器需要根據(jù)應(yīng)用的需求動(dòng)態(tài)地支持具有不同特征的應(yīng)用。但在云計(jì)算環(huán)境中動(dòng)態(tài)地支持實(shí)時(shí)應(yīng)用面臨著以下三個(gè)挑戰(zhàn)。首先，由于虛擬化引入的語義鴻溝的存在，虛擬機(jī)管理器難以確定虛擬機(jī)內(nèi)運(yùn)行的應(yīng)用

6、類型及調(diào)度參數(shù)；其次，CPU調(diào)度器在支持實(shí)時(shí)應(yīng)用的同時(shí)應(yīng)該減少對(duì)其他應(yīng)用的影響；最后，Domain0在實(shí)時(shí)應(yīng)用的I/O處理中扮演著重要的角色，如何調(diào)度Domain0成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。為了解決這些挑戰(zhàn)，一種通信感知的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)CPU調(diào)度機(jī)制通過分析應(yīng)用發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)包來判斷虛擬機(jī)類型并推測(cè)實(shí)時(shí)虛擬機(jī)的調(diào)度參數(shù)。虛擬機(jī)管理器的CPU調(diào)度器根據(jù)動(dòng)態(tài)獲取的調(diào)度參數(shù)周期性地調(diào)度實(shí)時(shí)虛擬CPU，并將實(shí)時(shí)虛擬CPU的調(diào)度推遲到截止期限到來時(shí)以減少對(duì)非實(shí)時(shí)應(yīng)用的