广域网环境下支持虚拟集群迁移的内核级虚拟网络

发布时间：2018-03-30 08:24

本文选题：Xen　切入点：动态管理MAC地址　出处：《吉林大学》2013年硕士论文

【摘要】：随着计算机技术的不断发展，计算机硬件的低成本与高性能的优势逐渐凸显。利用这一优势，虚拟化技术已经逐渐从单机虚拟化技术发展成适应市场需要的分布式虚拟化技术。分布式虚拟化环境主要由虚拟集群、虚拟路由、虚拟网络和虚拟资源管理器等组成，是并行作业的主要开发测试环境。很多大规模并行作业正是有效地利用这些低成本的硬件资源，提高其运行效率。同时，分布式虚拟化技术也带动了未来云计算和网格计算的迅速发展。因此，以虚拟集群为基础的虚拟网络已经逐渐成为虚拟化并行计算系统领域的研究热点。现今一些主流的虚拟化管理软件如Xen、KVM等，它们只支持同一子网内虚拟集群的通信，具有一定的局限性。现有一些研究者围绕分布在不同子网中的虚拟机间的通信机制展开研究的。但大部分的研究是基于应用程序完成虚拟集群的跨域通信，仍然存在一些不足的地方。其中，虚拟集群的通信速率是最不可以接受的。虚拟机发出的数据由应用程序负责传输，这会给虚拟机的通信带来新的瓶颈，严重影响数据的传输速率，使虚拟集群的通信性能严重下降，从而使并行作业的运行效率显著降低，特别是通信密集型的作业。其中内存空间的管理是影响通信性能下降的其中一个因素。虚拟机的通信数据存储在过应用层的空间中，这需要应用程序申请新的内存空间。特别地，虚拟机在迁移过程中存在一小段时间处于停机状态。如果在这段时间内存在很多其他虚拟机与其通信，那么需要在应用层存储大量丢失的数据包。除了内存管理，在应用层重新建立通信连接也是导致虚拟集群通信性能下降的另一个重要因素。另外，由于无法在不同子网间传输虚拟机发出的ARP请求数据帧，所以现有的工作都是静态地将虚拟集群的MAC地址填写到ARP缓存，以避免虚拟机的通信中断。本文通过分析Xen通信机制以及网络协议栈处理数据的流程，设计了基于中间层架构的底层通信机制。通过维护关于上层虚拟集群的路由表，可以找到不在同一子网中的目的虚拟机的准确位置。路由表中相关的位置信息有宿主机的IP地址，子网号等。这使得虚拟集群的通信依赖于底层宿主机间的通信。可见，中间层将虚拟集群与物理集群紧密地连接在一起。除了为虚拟集群提供网络层的路由选择功能，还要对数据链路层的MAC地址进行动态获取和维护。主要包括两方面。第一，虚拟机启动时，本文需要动态获取其MAC地址，并添加到本地主机以及外部机器的路由表中。这可以避免广域网环境下虚拟集群MAC地址的冲突。从而提高底层通信机制的灵活性与健壮性。第二，在广域网环境下，虚拟机与不在同一子网中的其他虚拟机通信时，无法将虚拟机发出的ARP请求传输到目的虚拟机的网络中。本文通过采取本地主机伪装目的虚拟机的方法来对这个请求数据帧及时地做出响应，而不需要将数据真正地传播到其他子网中。另外，内核级的在线迁移协议也是本文的一个创新点。它基于本人实验室的一个师兄的工作—分布式异步缓存协议。将这个协议整合到我们给出的内核级虚拟网络中，以实现虚拟机在迁移过程中，通信速率不受迁移事件影响。本文成功开发出了一套完整的内核级虚拟网络。该网络提高了虚拟集群的通信速率。并在此基础上，实现了内核级的在线迁移协议。它保证了丢失数据包有序、公平地注入对应的虚拟机中。可见，内核级虚拟网络保证了并行作业高效率运行。
[Abstract]:With the development of computer technology , the advantages of low cost and high performance of computer hardware are becoming more and more prominent . With this advantage , virtualization technology has gradually evolved from the single - machine virtualization technology to the distributed virtualization technology needed by the market . The distributed virtualization environment is mainly composed of virtual cluster , virtual route , virtual network and virtual resource manager .

Some mainstream virtualization management software , such as Xen , KVM , and so on , only support the communication of virtual clusters in the same subnet .

In this paper , by analyzing the Xen communication mechanism and the process of network protocol stack processing data , an underlying communication mechanism based on the middle layer architecture is designed . By maintaining the routing table about the upper layer virtual cluster , it is possible to find the exact location of the destination virtual machine that is not in the same subnet . In addition to providing the network layer routing function for the virtual cluster , the virtual cluster can not be transmitted to the network of the destination virtual machine .

This paper successfully develops a complete set of kernel - level virtual networks . The network improves the communication rate of the virtual cluster . On the basis of this , the kernel - level online migration protocol is realized . It guarantees the ordered and fair injection of lost packets into the corresponding virtual machines . It can be seen that the kernel - level virtual network guarantees the efficient operation of parallel operations .

【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP302

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