基于飞腾平台的容器虚拟化技术研究

发布时间：2019-12-02 07:58

【摘要】：飞腾1000CPU是由国防科学技术大学计算机学院自主研制的高性能64位通用处理器，具有硬件级虚拟化能力，该CPU目前已实现基于Hypervisor的虚拟化技术，最多可支持64个分区，每个分区可以运行自己独立的操作系统，拥有自己独立的计算、存储资源。但是Hypervisor这种强独立性虚拟化技术牺牲了系统的执行效率，而国产飞腾CPU本身的性能与国外主流CPU相比相差一个数量级。因此，迫切需要研究飞腾平台上轻量级的虚拟化技术，，本课题在飞腾平台上重点研究一种轻量级的虚拟化解决方案-----基于容器的虚拟化技术，并在麒麟操作系统上设计实现了FTContainer框架。本课题首先深入分析了当前主流的容器虚拟化软件的优缺点，提出了基于飞腾CPU的容器虚拟化架构FT-Container框架，并在麒麟操作系统上进行了实现。该框架由应用隔离模块、资源管理模块以及动态迁移模块三个部分组成。应用隔离模块在麒麟操作系统内核上为各种应用创建多个虚拟的执行环境，并为运行于其中的应用程序提供隔离的环境。资源管理模块通过内核的Cgroups机制对容器的资源进行分配，这些资源包括CPU、内存、设备IO等。动态迁移模块实现了容器镜像在飞腾服务器之间实时迁移，该镜像包含了容器的执行状态、打开的文件、缓冲区信息、虚拟CPU状态信息等。然后，针对FTContainer框架中的应用隔离技术问题，提出了一种基于完整上下文的强隔离方法，通过在容器中封装PID、文件系统、IPC、UTS、用户以及网络命名空间实现应用程序的隔离，不同容器中的命名空间不存在指针引用其他空间的对象，该方法为容器提供了完整的运行上下文和增强的隔离性；针对FTContainer框架中的资源管理技术问题，提出了基于进程组的两级资源管理方法，结合Cgroup机制与Beancounter技术实现了进程组的资源控制和容器使用资源的统计，实现了/proc文件系统的虚拟化，为容器的资源控制提供了便利；提出了两级公平CPU调度、两级公平磁盘配额算法，通过容器的CPU份额、磁盘份额实现了CPU调度和磁盘配额的公平性，为系统资源的调度提供了很好的灵活性；针对FTContainer框架中的动态迁移技术问题，提出了基于进程检查点的动态迁移方法，通过在容器中引入进程检查点保存运行的上下文信息，通过预拷贝策略以及rsync同步机制实现了零宕机的容器平滑迁移。最后，本文使用Lmbench、Unixbench以及IOZone对支持FTContainer的麒麟操作系统和裸麒麟操作系统进行了性能评测。测试表明支持FTContainer的麒麟操作系统的性能大致上与裸麒麟操作系统相当，比基于Hypervisor的麒麟操作系统性能提高了61%。
【图文】：

体系结构图,虚拟化,体系结构,操作系统

国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文对比。其中，锯齿表示没有经过修改的硬件接口。第技术的计算机系统，在该系统中操作系统是直接在硬图是使用全虚拟化技术的系统结构，在该系统中操作，图中标示为 Hypervisor，操作系统无需修改；第 3 幅系统结构，在该系统中操作系统要经过修改后才能与or）交互，虚拟层则直接运行在硬件平台上[13]。

虚拟化,容器,保障策略,基本资源

图 1.1 全虚拟化、半虚拟化的体系结构对比器虚拟化（Container Virtualizaiton）[14]型基于 Hypervisor 虚拟化技术虽然可以满足绝大部的保障策略牺牲了系统的执行效率[15]。它对于一些域，例如高性能计算集群、网格计算，主机中心等用实例会不断增加，以上三类虚拟化技术自身的开越大[16-21]。人们开始寻找更轻量级的解决方案，因化技术应运而生，这种虚拟化技术能够在满足基本资源共享支持[14]，其结构如图 1.2 所示。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP332

【共引文献】