虛擬化環(huán)境中計(jì)算效能優(yōu)化研究.pdf

1、虛擬化技術(shù)的引入讓單個(gè)計(jì)算機(jī)可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)。在虛擬化環(huán)境中，虛擬機(jī)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(jī)操作系統(tǒng)（Host OS）的一部分，運(yùn)行在最高特權(quán)級。VMM能夠創(chuàng)建多個(gè)隔離的容器，即虛擬機(jī)（Virtual Machine，簡稱VM），而多個(gè)并發(fā)運(yùn)行的操作系統(tǒng)被稱為客戶操作系統(tǒng)（Guest OS）。計(jì)算效能是衡量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)，包括成

2、本、性能、可編程性、可移植性、健壯性等多個(gè)方面。虛擬化技術(shù)尚不十分成熟，虛擬化環(huán)境的計(jì)算效能與傳統(tǒng)環(huán)境相比存在較大的差距，主要體現(xiàn)在電能消耗與系統(tǒng)性能兩個(gè)方面。因此，本研究的重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)計(jì)算效能的改進(jìn)優(yōu)化。具體研究內(nèi)容包括虛擬機(jī)主導(dǎo)的電源管理、虛擬機(jī)的精確時(shí)間記賬、上下文切換頻率動態(tài)調(diào)節(jié)和親緣關(guān)系感知的公平調(diào)度策略，分別概括如下：
　　在降低成本方面，電源管理是提升計(jì)算效能的主要方法。因?yàn)槌?/p>

3、本主要來源于計(jì)算過程隨時(shí)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(yīng)用于服務(wù)器領(lǐng)域，而在客戶端的應(yīng)用也越來越普遍。客戶端虛擬環(huán)境中，各個(gè)虛擬機(jī)的地位不完全對等，而是有一個(gè)與用戶交互并占有絕大部分運(yùn)行時(shí)間的主虛擬機(jī)?；诖?，提出了一種虛擬機(jī)主導(dǎo)的電源管理方法。該方法將原本被虛擬機(jī)監(jiān)控器所屏蔽的底層電源特征展露給主虛擬機(jī)，藉此充分利用操作系統(tǒng)成熟的電源管理技術(shù)，而VMM里面只需要少量的協(xié)調(diào)控制邏輯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示虛擬機(jī)

4、主導(dǎo)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(diào)度是優(yōu)化計(jì)算效能的關(guān)鍵。為了協(xié)調(diào)VMM與Guest OS的兩層調(diào)度，本研究提出了精確時(shí)間記賬方法：XenHVMAcct。CPU時(shí)間記賬是性能評測和進(jìn)程調(diào)度的數(shù)據(jù)來源，其精確度直接影響評測的可靠性和調(diào)度的公平性。CPU時(shí)間在傳統(tǒng)環(huán)境中為一個(gè)操作系統(tǒng)獨(dú)享，而在虛擬環(huán)境中是被多個(gè)客戶操作系統(tǒng)分時(shí)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(shí)在Guest OS中增加了處理該中斷的內(nèi)核模塊，大大提高了硬件輔助虛擬機(jī)中時(shí)間記賬的精確度。
　　上下文切換頻率動態(tài)調(diào)節(jié)是一種處理器調(diào)度策略的優(yōu)化，其主要目的是改善過分配虛擬機(jī)的性能。過分配表示虛擬CPU（即VCPU）的個(gè)數(shù)大于物理CPU（即PCPU），是虛擬化中的一種常見現(xiàn)象。在廣泛應(yīng)用的Xen虛擬化系統(tǒng)中，若使用缺省的Credit調(diào)度器，當(dāng)通信密集

6、型和I/O密集型的并行應(yīng)用程序運(yùn)行在過分配虛擬機(jī)上時(shí)，性能會急劇下降。改進(jìn)的調(diào)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(shí)基于這些行為特征，動態(tài)調(diào)整上下文切換的頻度以優(yōu)化應(yīng)用程序的性能。實(shí)驗(yàn)顯示該策略對各種類型的應(yīng)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(guān)系感知的公平調(diào)度策略簡稱Credit-APS策略，它改善了處理器調(diào)度在有親緣關(guān)系約束時(shí)候的公平性。CPU親緣關(guān)系將VCPU限制在一部分PCPU上運(yùn)行，

7、通過減少VCPU遷移獲得強(qiáng)性能隔離之類的特性。Credit調(diào)度器在自由映射（無親緣關(guān)系約束）時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)比例分享（即公平性），但在受限映射（有親緣關(guān)系約束）情況下則不然。Credit-APS策略基于Credit算法改進(jìn)，將“權(quán)重”擴(kuò)展定義成“相對于調(diào)度對象可用資源總量的資源分配系數(shù)”，同時(shí)在進(jìn)行時(shí)間片分配時(shí)考慮了親緣關(guān)系的因素。該策略在各種情況下均可實(shí)現(xiàn)比例分享。
　　虛擬機(jī)主導(dǎo)的電源管理和精確時(shí)間記賬為虛擬化環(huán)境提供了兩種基礎(chǔ)機(jī)制