云計算大規(guī)模彈性資源的性能優(yōu)化技術研究.pdf

1、云計算的興起與發(fā)展徹底改變了人們對計算資源的使用方式，促生了以計算為中心向以業(yè)務和服務為中心的一次變革性轉化?；A設施即服務（Infrastructure-as-a-Service， IaaS）模式在云計算的服務模式中占據(jù)了重要的地位，同時也是當前云計算市場上主要組成部分。IaaS云服務將硬件基礎設施，包括計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡資源等，作為一種可計量可伸縮的資源提供給客戶，我們稱之為彈性虛擬資源。彈性虛擬資源的服務性能決定了云服務的經(jīng)

2、濟成本與服務質量，因而成為提供商和用戶共同關注的核心問題。優(yōu)化彈性資源的性能面臨著許多挑戰(zhàn)，解決這些問題不僅具有重要的學術價值，而且具有廣闊的應用前景。
　　針對當前IaaS云計算大規(guī)模虛擬機群部署時間較長的問題，本文提出了一種基于分布式塊設備的點對點虛擬機集群快速部署方法VMThunder，實現(xiàn)了10秒到20秒時間級的百臺數(shù)量級虛擬機集群快速部署，有效提高了部署效率。該方法的核心思想是：基于虛擬機啟動過程中的按需性、多虛擬機啟動

3、行為相似性等特點，利用塊設備系統(tǒng)的靈活映射和配置，通過虛擬機按需獲取啟動數(shù)據(jù)、在中繼節(jié)點緩存數(shù)據(jù)并對外提供與原始鏡像服務器等價服務的方法，減少了單機載入數(shù)據(jù)量，減少了存儲服務器總負載，從而達到加快部署時間的目標。在此基礎上，本文針對用戶需要在虛擬機啟動后快速啟動應用程序的需求，提出了一種基于虛擬機休眠恢復的虛擬機集群快速部署方法VMThunder+，可以在VMThunder相近時延下啟動并攜帶指定的應用狀態(tài)。VMThunder和VMTh

4、under+在國家超算天津中心得到了實際大規(guī)模的部署和測試，實驗表明，實測160臺虛擬機的啟動總耗時與單機上啟動一臺虛擬機耗時相似，同時兩種方法均可以保證虛擬機運行態(tài)的性能。
　　在傳統(tǒng)存儲系統(tǒng)中，預讀機制對提高存儲I/O性能發(fā)揮著巨大的作用；而在分布式多虛擬抽象層存儲結構中，預讀機制則表現(xiàn)出預讀傳遞、預讀疊加、以及預讀窗口激進展開等現(xiàn)象，帶來了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量增加、阻礙序列后續(xù)請求等問題。針對該問題，本文通過實驗證實了多層預讀機制中

5、的預讀傳遞與疊加現(xiàn)象對維持整個虛擬存儲的性能是必要的；同時，本文提出了一種扇形預讀窗口展開機制來克服激進窗口展開機制帶來的數(shù)據(jù)流量陡增現(xiàn)象。該機制的主要思想是：通過建立讀請求的深度信息維護機制，使每層虛擬抽象層感知自身在整個I/O路徑上的位置，進而協(xié)同完成整體預讀窗口的展開；協(xié)同式的窗口展開方式平滑且幅度小，可以有效避免過于激進的、阻塞后續(xù)讀請求的初始預讀窗口；該協(xié)同預讀窗口的展開機制是適應性的，可以根據(jù)不同的網(wǎng)絡延時調節(jié)窗口展開的粒度

6、。通過實驗，我們將多層體系結構下的讀數(shù)據(jù)訪問性能提升了20％到50%。并且，讀請求中序列數(shù)量越多，激進的預讀窗口展開機制帶來的性能損耗越大，該機制發(fā)揮的作用也越大。
　　雖然在線遷移使得虛擬機的可用率可以高于物理機的可用率，但當前虛擬機的遷移性能尚不理想。針對該問題，本文提出了面向存儲遷移問題的解耦合在線存儲遷移方法DLSM和面向內存遷移問題的塊設備化解耦合在線遷移方法BDLM。其核心技術點是：DLSM通過塊設備系統(tǒng)的靈活映射與配

7、置，實現(xiàn)了先遷后拷（Post-Copy）技術，有效的避免了迭代拷貝臟數(shù)據(jù)與遷移收斂問題；DLSM由于在存儲層實現(xiàn)，對虛擬機透明，因此輕量地解決了已有先遷后拷方法中復雜的修改虛擬機管理器和其引發(fā)的內存數(shù)據(jù)崩潰等衍生問題。BDLM通過氣球過充的方法來完成內存數(shù)據(jù)的塊設備化，從而復用DLSM方法完成輕量級的內存在線遷移，有效的減小了內存遷移中對內存缺頁等問題進行維護的復雜度。實驗證明：較KVM原生CSI存儲遷移方法，DLSM相比縮短了50%至