虚拟机实时迁移技术(Live Migration)

崔勇 2012.12

实时迁移的概念、作用及分类实时迁移算法实时迁移研究点下一步工作展望参考文献

提纲

Live Migration 的概念

虚拟机实时迁移 / 动态迁移（ Live Migration ），作为系统虚拟化的一项关键技术，是将物理服务器上正在运行的一台或多台 VM 在线迁移到另一台物理服务器上。迁移过程中 VM 对外正常提供服务，整个迁移过程对 VM 用户透明。

Live Migration 的概念

实时迁移的内容包括：虚拟机运行状态（ CPU 状态、内存镜像、设备状态、网络连接）及外存数据 .

Live Migration 的作用

负载均衡：将高负载物理服务器上的虚拟机动态迁移到低负载的物理服务器上，保证数据中心资源合理分配。

在线维护：在对物理服务器进行维护前，实时将上面运行的虚拟机迁移到其他服务器上，不会因设备维护导致服务中断。

能源管理：将多个利用率不高的物理服务器上的虚拟机在线整合到少量几台物理服务器上，降低能耗。

。。。

Live Migration 的分类

按照虚拟机存储的迁移需求可划分为基于共享存储的实时迁移和全系统实时迁移。 基于共享存储的实时迁移：物理服务器之间采用

SAN 或 NAS 之类的集中式共享外存设备，因而在迁移时只需要进行虚拟机运行状态的迁移。

Live Migration 的分类 全系统迁移：物理服务器之间没有采用共享外存

设备，外存数据保存在物理服务器本地；或者需要将虚拟机迁移到另一个数据中心。实时迁移中既要迁移运行状态，又要迁移存储数据。

Live Migration 的分类

按照虚拟机迁移的网络环境可划分为基于LAN 的实时迁移和基于 WAN 的实时迁移。 基于 LAN 的实时迁移：迁移范围在一个数据中心

的二层网络内，能够保证数据传输速率。 基于 WAN 的实时迁移：迁移范围在两个数据中

心间的 WAN 链路上，网络传输带宽受限。

Live Migration 的分类

按照虚拟机迁移的规模可划分为单虚拟机实时迁移和虚拟机集实时迁移。 单虚拟机实时迁移：一个迁移过程中只迁移独立

的一个虚拟机。 虚拟机集实时迁移：一个迁移过程中同时迁移多

台虚拟机，且这些虚拟机可能是完成同一任务的一个集群。

三种基本算法 Pre-copy （主流、学术、商用） Post-copy （学术） 基于日志系统的迁移（学术）

Live Migration 算法

Pre-copy 核心机制：迁移开始之后，源主机 VM 仍在运行，

目的主机 VM 尚未启动。迁移通过一个循环，将源主机 VM 的内存数据发送至目的主机 VM 。循环第一轮发送所有内存页数据，接下来的每一轮循环发送上一轮预拷贝过程中被 VM 写过的脏页内存 dirty pages 。直到一定条件（状态基本同步或规定循环次数），预拷贝循环结束，进入停机拷贝阶段，源主机被挂起，不再有内存更新，然后将剩余的脏页和 CPU 等运行状态传输至目的主机 VM 。

Live Migration 算法

Post-copy 核心机制：与 Pre-copy 相反，先将 CPU 执行状

态发送到目标物理机，目标 VM 立即启动运行并替换源 VM 提供服务（源 VM 不停机），然后在目标 VM 运行过程中，遇到所缺内存页面，再向源主机索取。 Post-copy 避免了脏页率对迁移过程的影响，因此两个 VM 切换时间短，但是总迁移时间比较长。

Live Migration 算法

基于日志系统的迁移 核心机制：利用日志系统的 checkpointing/

recovery 和 trace/reply 技术，在迁移时首先获得一个 VM 当前运行状态的 checkpoint 文件，并将该文件传给目标 VM ，目标 VM 立即运行。在此传输过程中源 VM 所做的操作都记录成 log 文件。然后跟 Pre-copy 一样，开始一个反复重传的过程，直到两边状态同步。不同的是，这里传输的是 log文件，状态同步就是对 log 进行 replay 。

Live Migration 算法

Live Migration 性能指标 Total Migration Time(TMT) ：总迁移时间，从源

VM 开始传输数据，到目标 VM 启动的总时间。 Downtime ：停机时间， VM 运行状态从源主机

切换到目标主机的短暂停机时间。 Total Data Transferred(TDT) ：总迁移数据量，

迁移过程中传输的数据量。 Degradation Level of Service(DLS) ：服务降级

率，迁移过程对 VM 所提供服务的影响。

Live Migration 研究点

单虚拟机 Live Migration 算法优化，降低TMT 、 Downtime 和 TDT 内存更新频繁的 VM 的迁移问题。脏页率高的

VM 迁移时 Downtime 时间长。 WAN 中迁移 VM 的带宽限制问题。 WAN 的有限

带宽使得 TMT 时间长。 VM 迁移占用系统资源，导致服务质量下降的问

题。 全系统实时迁移时 VM 镜像的迁移问题。较大数

据量的 VM 镜像迁移会导致 TMT 时间长，特别在WAN 中。

Live Migration 研究点

从上述的研究点出发，找出解决问题的创新方法。

利用开源平台 KVM 搭建实验环境，在 KVM中实现自己的方法，进行对比实验。

下一步工作

[1]C. Clark, K. Fraser, S. Hand, J. G. Hansen, E. Jul, C. Limpach, I. Pratt,and A. Warfield. Live migration of virtual machines. In NSDI ’05, pages 273–286. ACM, May 2005.

[2]M. R. Hines and K. Gopalan. Post-copy based live virtual machine migration using adaptive pre-paging and dynamic self-ballooning. In VEE ’09, pages 51–60. ACM, 2009.

[3]W. Li, J. Tordsson, and E. Elmroth. Modelling for dynamic cloud scheduling via migration of virtual machines. 2011. Accepted.

[4]P. Liu, Z. Yang, X. Song, Y. Zhou, H. Chen, and B. Zang. Heterogeneous live migration of virtual machines. Technical report, Parallel Processing Institute, Fudan University, 2009.

[5]F. Travostino. Seamless live migration of virtual machines over the MAN/WAN. In SC ’06, page 290. ACM, November 2006.

[6]T. Wood, K. K. Ramakrishnan, P. Shenoy, and J. van der Merwe.Cloudnet: dynamic pooling of cloud resources by live WAN migration of virtual machines. In VEE ’11, pages 121–132. ACM, 2011.

[7]Hai Jin, Li Deng, Song Wu, Xuanhua Shi, Xiaodong Pan. “LiveVirtual Machine Migration with Adaptive Memory Compression”, in Cluster Computing and Workshops, CLUSTER 2009.

[8] Yanqing Ma, Hongbo Wang, Jiankang Dong, Yangyang li, Shiduan Cheng. “ME2: Efficient Live Migration of Virtual Machine With Memory Exploration and Encoding, ”in 2012 Proceedings of IEEE International Conference on Cluster Computing,2012.

[9] K. Ye, X. Jiang, D. Huang, J. Chen, and B. Wang, “Live migration of multiple virtual machines with resource reservation in cloud computing environments,” in 2011 IEEE International Conference on Cloud Computing (CLOUD),2011, pp. 267–274.

参考文献

Thank you!