多核虛擬環(huán)境的性能及可伸縮性研究.pdf

1、云計(jì)算的出現(xiàn)為現(xiàn)代計(jì)算模式帶來(lái)了革命性的變化。隨著網(wǎng)絡(luò)和虛擬化技術(shù)的發(fā)展，虛擬云已經(jīng)成為一種全新的提供計(jì)算資源服務(wù)的方式。云服務(wù)提供商（諸如亞馬遜、微軟等）通過(guò)集中式管理虛擬云服務(wù)器并提供按需計(jì)算模型的方式，顯著地降低了建設(shè)，維護(hù)和升級(jí)計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)的成本。這也在很大程度上降低了用戶租用和維護(hù)計(jì)算資源的成本。因此云計(jì)算服務(wù)也越來(lái)越受到來(lái)自公司、組織甚至個(gè)人用戶的青睞。
　　于此同時(shí)，多核技術(shù)也逐漸普及和發(fā)展，單塊CPU芯片上的核數(shù)也

2、逐年增加。目前Intel和AMD公司都早已在市場(chǎng)上發(fā)布了12核的CPU，AMD公司甚至以及發(fā)布了他們的16核CPU產(chǎn)品。同時(shí)隨著對(duì)稱多處理器技術(shù)的發(fā)展，單臺(tái)物理服務(wù)器已經(jīng)可以配備80個(gè)物理CPU核心。在可預(yù)見的未來(lái)，單臺(tái)物理服務(wù)器配備上百個(gè)CPU核心也不足為奇。因此虛擬云中的客戶虛擬機(jī)也很可能會(huì)配備豐富的資源（例如，CPU核心數(shù)）。事實(shí)上一部分云服務(wù)商已經(jīng)開始提供32核虛擬機(jī)的租賃服務(wù)。隨著客戶虛擬機(jī)CPU核心數(shù)目的增加，如何在虛擬環(huán)境

3、中提高并發(fā)程序的性能及可伸縮性也就變得越來(lái)越重要。
　　然而，目前對(duì)虛擬化系統(tǒng)的性能及可伸縮性的研究工作依然非常有限，大多數(shù)研究工作集中于虛擬化系統(tǒng)的某個(gè)特殊子系統(tǒng)，例如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能、虛擬機(jī)調(diào)度系統(tǒng)的性能等。目前仍然沒(méi)有一套完整的工作來(lái)對(duì)虛擬化系統(tǒng)各方面的性能及可伸縮性進(jìn)行研究和分析，并根據(jù)找到的問(wèn)題提出有針對(duì)性的解決方案。
　　本論文力圖對(duì)虛擬化系統(tǒng)各個(gè)方面的性能及可伸縮性做詳細(xì)的研究與分析，主要包括虛擬化系統(tǒng)軟件、I/

4、O虛擬化系統(tǒng)以及虛擬機(jī)管理軟件三個(gè)方面。在這個(gè)研究工作的基礎(chǔ)上我們提出了一套實(shí)用的、系統(tǒng)的解決方案在虛擬化系統(tǒng)的不同層面（軟件層、硬件層）對(duì)虛擬化系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化以提高系統(tǒng)的性能及可伸縮性。
　　本文的主要內(nèi)容和貢獻(xiàn)包括以下幾個(gè)方面:
　　1.首個(gè)對(duì)虛擬化系統(tǒng)的性能及可伸縮性進(jìn)行完整性測(cè)評(píng)和分析的工作。我們以Xen虛擬化系統(tǒng)和KVM虛擬化系統(tǒng)為基礎(chǔ)對(duì)虛擬化系統(tǒng)的各個(gè)方面在多核平臺(tái)上的性能及可伸縮性進(jìn)行了研究，并將多核虛擬化環(huán)境的

5、性能和可伸縮性問(wèn)題歸為以下三類:1）虛擬化系統(tǒng)軟件的性能及可伸縮性問(wèn)題，包括系統(tǒng)軟件棧設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)和虛擬機(jī)調(diào)度機(jī)制造成的問(wèn)題；2）硬盤等外設(shè)虛擬化的性能及可伸縮性問(wèn)題；以及3）虛擬機(jī)管理軟件的性能及可伸縮性問(wèn)題。
　　2.我們針對(duì)虛擬化系統(tǒng)軟件的可伸縮性問(wèn)題提出了三個(gè)性能優(yōu)化系統(tǒng):Cer- berus+系統(tǒng)、iXen系統(tǒng)和vCPU-Bal系統(tǒng)。
　　Cerberus+系統(tǒng)通過(guò)在多核平臺(tái)上聚集多個(gè)同構(gòu)的虛擬機(jī)(每個(gè)虛擬機(jī)配備1至

6、2個(gè)vCPU)為同一個(gè)并發(fā)程序提供多種計(jì)算服務(wù)的方式避免單個(gè)虛擬機(jī)因配置的vCPU數(shù)目增加而性能下降的問(wèn)題，同時(shí)又能保證并發(fā)程序的運(yùn)行。在48核的AMD服務(wù)器上對(duì)不同應(yīng)用程序的測(cè)試結(jié)果顯示Cerberus+系統(tǒng)的性能要比Xen-Linux系統(tǒng)的性能提升1.37倍至11.62倍，并且Cerberus+系統(tǒng)具有更好的可伸縮性。
　　iXen系統(tǒng)根據(jù)造成系統(tǒng)軟件棧性能及可伸縮性問(wèn)題的原因入手，結(jié)合多種優(yōu)化機(jī)制逐一解決或緩解了Xen虛擬化

7、系統(tǒng)中存在的時(shí)間模擬器競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題、空閑時(shí)間問(wèn)題、共享緩存問(wèn)題以及指令TLB緩存缺失問(wèn)題。在48核的AMD服務(wù)器上對(duì)不同應(yīng)用程序的測(cè)試結(jié)果顯示iXen系統(tǒng)的性能要比Xen-Linux系統(tǒng)的性能提升1.10倍至9.42倍
　　vCPU-Bal系統(tǒng)通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整虛擬機(jī)vCPU數(shù)目來(lái)盡量避免vCPU調(diào)度競(jìng)爭(zhēng)的方法解決由于虛擬機(jī)調(diào)度造成的可伸縮性問(wèn)題。在12核的Intel服務(wù)器上的測(cè)試結(jié)果顯示vCPU-Bal系統(tǒng)能提升Xen系統(tǒng)13.6％的性能

8、，KVM系統(tǒng)25.5％的性能。
　　3.我們提出了首個(gè)硬盤I/O虛擬化的系統(tǒng)VFlash。我們通過(guò)對(duì)固態(tài)硬盤內(nèi)部各部件進(jìn)行虛擬化的改造并利用SR-IOV技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高效的硬件固態(tài)硬盤虛擬化，并基于DFTL和FAST兩種閃存轉(zhuǎn)換層算法設(shè)計(jì)了兩種適合于虛擬環(huán)境的閃存轉(zhuǎn)換層算法。VFlash系統(tǒng)不但可以有效消除軟件模擬虛擬硬盤設(shè)備所帶來(lái)的開銷，而且還能充分開發(fā)了固態(tài)磁盤內(nèi)部的閃存并發(fā)訪問(wèn)特性。通過(guò)使用FlashSim模擬器的模擬測(cè)試結(jié)果顯

9、示從硬件性能開銷上看VFlash系統(tǒng)對(duì)單個(gè)虛擬硬盤性能的影響很小，但是卻能在多個(gè)虛擬機(jī)的環(huán)境下充分發(fā)揮固態(tài)硬盤的并發(fā)性能。
　　4.我們通過(guò)對(duì)虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移操作的可并行性研究發(fā)現(xiàn)虛擬機(jī)遷移操作中大多數(shù)子操作都可以通過(guò)數(shù)據(jù)并發(fā)技術(shù)和流水線并發(fā)技術(shù)進(jìn)行并行化。在此技術(shù)上我們基于多線程技術(shù)設(shè)計(jì)了并行虛擬機(jī)遷移系統(tǒng)，PMigrate系統(tǒng)，并分別在Xen系統(tǒng)和KVM系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。測(cè)試結(jié)果顯示的PMigrate系統(tǒng)可以將虛擬機(jī)遷移的時(shí)間縮