多核虛擬環(huán)境的性能及可伸縮性研究.pdf

1、云計算的出現(xiàn)為現(xiàn)代計算模式帶來了革命性的變化。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）通過集中式管理虛擬云服務(wù)器并提供按需計算模型的方式，顯著地降低了建設(shè)，維護(hù)和升級計算基礎(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)計算資源的成本。因此云計算服務(wù)也越來越受到來自公司、組織甚至個人用戶的青睞。
　　于此同時，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。同時隨著對稱多處理器技術(shù)的發(fā)展，單臺物理服務(wù)器已經(jīng)可以配備80個物理CPU核心。在可預(yù)見的未來，單臺物理服務(wù)器配備上百個CPU核心也不足為奇。因此虛擬云中的客戶虛擬機(jī)也很可能會配備豐富的資源（例如，CPU核心數(shù)）。事實上一部分云服務(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越重要。
　　然而，目前對虛擬化系統(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。目前仍然沒有一套完整的工作來對虛擬化系統(tǒng)各方面的性能及可伸縮性進(jìn)行研究和分析，并根據(jù)找到的問題提出有針對性的解決方案。
　　本論文力圖對虛擬化系統(tǒng)各個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)管理軟件三個方面。在這個研究工作的基礎(chǔ)上我們提出了一套實用的、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)包括以下幾個方面:
　　1.首個對虛擬化系統(tǒng)的性能及可伸縮性進(jìn)行完整性測評和分析的工作。我們以Xen虛擬化系統(tǒng)和KVM虛擬化系統(tǒng)為基礎(chǔ)對虛擬化系統(tǒng)的各個方面在多核平臺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題，包括系統(tǒng)軟件棧設(shè)計與實現(xiàn)和虛擬機(jī)調(diào)度機(jī)制造成的問題；2）硬盤等外設(shè)虛擬化的性能及可伸縮性問題；以及3）虛擬機(jī)管理軟件的性能及可伸縮性問題。
　　2.我們針對虛擬化系統(tǒng)軟件的可伸縮性問題提出了三個性能優(yōu)化系統(tǒng):Cer- berus+系統(tǒng)、iXen系統(tǒng)和vCPU-Bal系統(tǒng)。
　　Cerberus+系統(tǒng)通過在多核平臺上聚集多個同構(gòu)的虛擬機(jī)(每個虛擬機(jī)配備1至

6、2個vCPU)為同一個并發(fā)程序提供多種計算服務(wù)的方式避免單個虛擬機(jī)因配置的vCPU數(shù)目增加而性能下降的問題，同時又能保證并發(fā)程序的運行。在48核的AMD服務(wù)器上對不同應(yīng)用程序的測試結(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)中存在的時間模擬器競爭問題、空閑時間問題、共享緩存問題以及指令TLB緩存缺失問題。在48核的AMD服務(wù)器上對不同應(yīng)用程序的測試結(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)通過動態(tài)調(diào)整虛擬機(jī)vCPU數(shù)目來盡量避免vCPU調(diào)度競爭的方法解決由于虛擬機(jī)調(diào)度造成的可伸縮性問題。在12核的Intel服務(wù)器上的測試結(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.我們提出了首個硬盤I/O虛擬化的系統(tǒng)VFlash。我們通過對固態(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)訪問特性。通過使用FlashSim模擬器的模擬測試結(jié)果顯

9、示從硬件性能開銷上看VFlash系統(tǒng)對單個虛擬硬盤性能的影響很小，但是卻能在多個虛擬機(jī)的環(huán)境下充分發(fā)揮固態(tài)硬盤的并發(fā)性能。
　　4.我們通過對虛擬機(jī)動態(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)行了實現(xiàn)。測試結(jié)果顯示的PMigrate系統(tǒng)可以將虛擬機(jī)遷移的時間縮