虚拟计算环境资源调度关键技术研究

发布时间：2017-07-19 01:19

  本文关键词：虚拟计算环境资源调度关键技术研究

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【摘要】：云计算时代,随着应用规模的不断扩大,计算效率问题日益突出,虚拟计算环境的稳定高效运行得到了当前学术界与工业界的普遍关注。虚拟机的合理部署与调度是虚拟计算环境高效稳定运行的重要保证,也直接影响着物理资源的利用率。同时为了进一步优化虚拟机的运行效率,镜像文件的快速读取以及良好的网络支持是必不可少的,这也是虚拟计算环境为用户提供优质服务的基本保证。本文针对虚拟计算环境资源调度问题,在虚拟机切换与调度、虚拟集群构建、快速镜像读取以及网络规则增量更新等方面开展了研究工作。论文的主要成果包括:(1)提出了虚拟机的实时调度方法。为了加快虚拟机响应外部I/O请求的速度,该方法基于Xen虚拟机的信用调度机制,引入了虚拟CPU的urgent状态,调整了虚拟CPU的时间片大小,并且重新设计了虚拟CPU各个状态间的变化关系。实验表明,相较于传统的信用调度机制,该方法使得虚拟机可以快速地响应I/O请求,进而减小了实时任务的运行延迟。(2)提出了I/O特征感知的虚拟集群动态构建方法。该方法监控并收集物理机与虚拟机的全局运行信息,并结合虚拟机的网络I/O特征和指数平滑预测算法,提供了一种直观有效的虚拟机调度机制。实验表明,通过设定热点阈值与平滑因子,该方法可以有效的避免虚拟机的迁移振荡,并且降低虚拟机调度的额外开销。(3)提出了虚拟机镜像的去冗余存储方法。该方法通过端到端的数据传输实现了虚拟机的快速部署,采用去冗余技术减少了虚拟机镜像的存储空间,并且提供了镜像快速复制、客户端按需读取等高级特性。实验表明,相较于传统的镜像存储机制,去冗余存储方法在保证虚拟机I/O性能同时,可大大降低虚拟计算环境对存储空间的需求。(4)提出了虚拟计算网络规则的增量更新方法。该方法使用SDN技术构建虚拟机网络,并基于Open Flow协议,在网络规则的编译过程中引入了规则间依赖关系的考量,同时采用在线的k因子算法来维护规则优先级的排列分布。实验表明,该增量更新方法可以消除几乎所有的规则优先级更新,进而减小虚拟计算网络的延迟。
【关键词】：虚拟计算 虚拟机调度 镜像存储 增量更新
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP302
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 引言9-23
• 1.1 虚拟计算概述9-13
• 1.1.1 虚拟计算的发展趋势11-12
• 1.1.2 日益严峻的管理与性能挑战12-13
• 1.2 虚拟计算相关技术13-19
• 1.2.1 虚拟计算环境的典型架构与工作流程14-15
• 1.2.2 虚拟机迁移的一般过程及其必要性15-16
• 1.2.3 虚拟机实时迁移的特性16-18
• 1.2.4 虚拟机调度的困难与挑战18-19
• 1.3 论文的主要研究内容和主要贡献19-23
• 1.3.1 研究什么与不研究什么19-20
• 1.3.2 论文的主要工作及贡献20-21
• 1.3.3 论文的组织和各章内容简介21-23
• 第2章 相关工作23-42
• 2.1 虚拟计算环境23-27
• 2.1.1 虚拟计算环境的资源管理23
• 2.1.2 常见的虚拟计算平台及其特点23-27
• 2.2 物理主机中的虚拟CPU切换与调度27-33
• 2.2.1 不同类型的虚拟机27-30
• 2.2.2 Xen的虚拟CPU切换30-32
• 2.2.3 虚拟CPU切换问题与改进32-33
• 2.3 虚拟集群的构建与资源调度33-35
• 2.3.1 虚拟机的迁移开销33-34
• 2.3.2 物理集群上的虚拟机部署与调度34
• 2.3.3 虚拟集群的I/O性能34-35
• 2.4 虚拟机镜像的存储调度35-38
• 2.4.1 虚拟机镜像的格式35-36
• 2.4.2 去冗余技术36-37
• 2.4.3 数据块的管理37-38
• 2.4.4 镜像数据传输38
• 2.4.5 分布式文件系统38
• 2.5 虚拟计算网络的数据传输38-41
• 2.5.1 软件定义网络与Open Flow协议39-40
• 2.5.2 Open Flow中的流表规则40
• 2.5.3 流表更新的延迟问题40-41
• 2.6 小结41-42
• 第3章 虚拟机的实时调度方法42-52
• 3.1 概述42-43
• 3.2 Xen信用调度方法的状态转移43
• 3.3 实时调度方法的设计43-47
• 3.3.1 实时调度方法中虚拟CPU的状态转移44-45
• 3.3.2 实时调度方法中虚拟CPU的时间片调整45-46
• 3.3.3 实时调度方法的执行过程46-47
• 3.4 实时调度方法的实现过程47-49
• 3.4.1 调度方法模型47-48
• 3.4.2 调度方法实现48-49
• 3.5 实验结果49-51
• 3.5.1 Ping延迟测试49-50
• 3.5.2 Web服务器测试50-51
• 3.6 小结51-52
• 第4章 I/O特征感知的虚拟集群动态构建方法52-65
• 4.1 概述52-54
• 4.2 I/O瓶颈分析54-55
• 4.3 动态构建方法的设计与实现55-59
• 4.3.1 寻找物理主机热点55-56
• 4.3.2 选择合适的虚拟机56-57
• 4.3.3 确定目的主机57
• 4.3.4 性能预测57-58
• 4.3.5 消除迁移振荡58-59
• 4.3.6 时间复杂度分析59
• 4.4 实验结果59-63
• 4.4.1 确定主机热点阈值59-61
• 4.4.2 确定合适的平滑因子61
• 4.4.3 动态构建方法的测试61-63
• 4.5 小结63-65
• 第5章 虚拟机镜像的去冗余存储方法65-84
• 5.1 概述65-67
• 5.2 去冗余存储方法的整体设计67-68
• 5.2.1 前提假设67
• 5.2.2 系统架构67-68
• 5.3 去冗余存储实现技术68-77
• 5.3.1 指纹信息的计算68-73
• 5.3.2 各模块之间的通信73-76
• 5.3.3 系统容错76
• 5.3.4 垃圾回收76-77
• 5.4 实验结果77-82
• 5.4.1 去冗余数据块大小的选择77-79
• 5.4.2 虚拟机标准测试程序79-81
• 5.4.3 网络传输测试81-82
• 5.5 小结82-84
• 第6章 虚拟计算网络规则的增量更新方法84-102
• 6.1 概述84-87
• 6.2 规则间依赖关系的定义87-88
• 6.3 规则增量更新方法概述88-90
• 6.4 维护规则间的依赖关系90-99
• 6.4.1 根据流表规则构建依赖关系DAG90-91
• 6.4.2 策略编译时维护依赖关系DAG91-98
• 6.4.3 维护分散的优先级值98-99
• 6.5 实验结果99-101
• 6.6 小结101-102
• 第7章 总结及进一步工作102-105
• 7.1 总结102-103
• 7.2 进一步工作103-105
• 参考文献105-111
• 致谢111-113
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果113

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本文编号：560641