虛擬化環(huán)境中計算效能優(yōu)化研究.pdf

1、虛擬化技術的引入讓單個計算機可以同時運行多個操作系統(tǒng)。在虛擬化環(huán)境中，虛擬機監(jiān)控器（Virtual Machine Monitor，簡稱VMM）接管了傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的絕大部分功能或者作為主機操作系統(tǒng)（Host OS）的一部分，運行在最高特權級。VMM能夠創(chuàng)建多個隔離的容器，即虛擬機（Virtual Machine，簡稱VM），而多個并發(fā)運行的操作系統(tǒng)被稱為客戶操作系統(tǒng)（Guest OS）。計算效能是衡量計算機系統(tǒng)優(yōu)劣的一個重要指標，包括成

2、本、性能、可編程性、可移植性、健壯性等多個方面。虛擬化技術尚不十分成熟，虛擬化環(huán)境的計算效能與傳統(tǒng)環(huán)境相比存在較大的差距，主要體現在電能消耗與系統(tǒng)性能兩個方面。因此，本研究的重點是如何在虛擬化環(huán)境中通過節(jié)省電能與改善性能來實現計算效能的改進優(yōu)化。具體研究內容包括虛擬機主導的電源管理、虛擬機的精確時間記賬、上下文切換頻率動態(tài)調節(jié)和親緣關系感知的公平調度策略，分別概括如下：
　　在降低成本方面，電源管理是提升計算效能的主要方法。因為成

3、本主要來源于計算過程隨時間的增長而增長的持續(xù)性投入，而電能消耗是其主要組成部分。虛擬化最早應用于服務器領域，而在客戶端的應用也越來越普遍。客戶端虛擬環(huán)境中，各個虛擬機的地位不完全對等，而是有一個與用戶交互并占有絕大部分運行時間的主虛擬機?；诖?，提出了一種虛擬機主導的電源管理方法。該方法將原本被虛擬機監(jiān)控器所屏蔽的底層電源特征展露給主虛擬機，藉此充分利用操作系統(tǒng)成熟的電源管理技術，而VMM里面只需要少量的協(xié)調控制邏輯。實驗結果顯示虛擬機

4、主導的電源管理方法比以VMM為中心的電源管理方法節(jié)能8～22％。
　　在改善性能方面，處理器調度是優(yōu)化計算效能的關鍵。為了協(xié)調VMM與Guest OS的兩層調度，本研究提出了精確時間記賬方法：XenHVMAcct。CPU時間記賬是性能評測和進程調度的數據來源，其精確度直接影響評測的可靠性和調度的公平性。CPU時間在傳統(tǒng)環(huán)境中為一個操作系統(tǒng)獨享，而在虛擬環(huán)境中是被多個客戶操作系統(tǒng)分時共享。因此傳統(tǒng)的記賬方法在虛擬化環(huán)境中并不適用。X

5、enHVMAcct在VMM里面增加了一種用于記賬的SCHED_IN虛擬中斷，同時在Guest OS中增加了處理該中斷的內核模塊，大大提高了硬件輔助虛擬機中時間記賬的精確度。
　　上下文切換頻率動態(tài)調節(jié)是一種處理器調度策略的優(yōu)化，其主要目的是改善過分配虛擬機的性能。過分配表示虛擬CPU（即VCPU）的個數大于物理CPU（即PCPU），是虛擬化中的一種常見現象。在廣泛應用的Xen虛擬化系統(tǒng)中，若使用缺省的Credit調度器，當通信密集

6、型和I/O密集型的并行應用程序運行在過分配虛擬機上時，性能會急劇下降。改進的調度策通過記錄總線訪問事件等信息來監(jiān)控VCPU的行為，同時基于這些行為特征，動態(tài)調整上下文切換的頻度以優(yōu)化應用程序的性能。實驗顯示該策略對各種類型的應用程序都能獲得與非過分配情況下十分接近的性能。
　　親緣關系感知的公平調度策略簡稱Credit-APS策略，它改善了處理器調度在有親緣關系約束時候的公平性。CPU親緣關系將VCPU限制在一部分PCPU上運行，

7、通過減少VCPU遷移獲得強性能隔離之類的特性。Credit調度器在自由映射（無親緣關系約束）時能夠實現比例分享（即公平性），但在受限映射（有親緣關系約束）情況下則不然。Credit-APS策略基于Credit算法改進，將“權重”擴展定義成“相對于調度對象可用資源總量的資源分配系數”，同時在進行時間片分配時考慮了親緣關系的因素。該策略在各種情況下均可實現比例分享。
　　虛擬機主導的電源管理和精確時間記賬為虛擬化環(huán)境提供了兩種基礎機制