基于虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)的研究

摘 要：本文從虛擬機(jī)相關(guān)理論出發(fā)，對(duì)虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。

關(guān)鍵詞：虛擬機(jī)；動(dòng)態(tài)遷移

中圖分類號(hào)：TP393.05

任何一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)均是由兩個(gè)相互補(bǔ)充相互獨(dú)立的軟硬件系統(tǒng)組成的，軟件系統(tǒng)在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上為用戶提供最直接的服務(wù)。操作系統(tǒng)是軟件系統(tǒng)的核心內(nèi)容，我們?nèi)粘Ｇ闆r下所使用的大多數(shù)軟件均安裝于軟件系統(tǒng)之上，通過軟件系統(tǒng)可以直接對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行全面管理，協(xié)調(diào)并最大限度的發(fā)揮計(jì)算機(jī)性能。隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，計(jì)算機(jī)處理器的架構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，在資源利用率被廣泛關(guān)注的背景下，虛擬機(jī)技術(shù)逐步出現(xiàn)在人們視野中。

1 虛擬機(jī)相關(guān)理論分析

1.1 虛擬機(jī)技術(shù)的工作原理

虛擬化是虛擬技術(shù)的核心，即是將具體應(yīng)用程序在虛擬機(jī)上運(yùn)行。傳統(tǒng)意義上的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其操作系統(tǒng)中的設(shè)備管理器可以查看并控制整個(gè)計(jì)算機(jī)硬件，并通過設(shè)備管理器將系統(tǒng)所發(fā)出的指令轉(zhuǎn)化為設(shè)備能夠識(shí)別的控制語言。通常情況下，計(jì)算機(jī)設(shè)備均是獨(dú)立的，所以我們?cè)趩蝹€(gè)計(jì)算機(jī)上不能并發(fā)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，這一點(diǎn)直接限制了計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。虛擬機(jī)的出現(xiàn)解決了計(jì)算機(jī)在這一方面的局限性，CPU從現(xiàn)有系統(tǒng)中給虛擬機(jī)預(yù)留出一定的存儲(chǔ)空間，并通過系統(tǒng)底層重定向設(shè)備資源，系統(tǒng)高層向編譯程序提供接口，這樣編譯程序就只需要向虛擬機(jī)輸出代碼。系統(tǒng)中解釋器的作用就是將虛擬機(jī)代碼轉(zhuǎn)化為特定系統(tǒng)機(jī)器碼，也就是我們經(jīng)?？匆姷摹氨Ｗo(hù)模式”，這樣在虛擬機(jī)中出現(xiàn)的任何程序問題均不會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)其他操作系統(tǒng)造成任何影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一臺(tái)計(jì)算機(jī)并發(fā)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)。但并不是說所有計(jì)算機(jī)硬件均支持虛擬化技術(shù)，對(duì)于一些不直接支持虛擬化技術(shù)的計(jì)算機(jī)，我們可以通過虛擬機(jī)監(jiān)視器從軟件系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。

1.2 虛擬化技術(shù)分類

（1）硬件抽象層虛擬機(jī)。硬件抽象虛擬機(jī)是在一個(gè)硬件平臺(tái)上模擬的，多個(gè)獨(dú)立且具有相同ISA結(jié)構(gòu)的虛擬硬件系統(tǒng)，我們還可以稱之為同構(gòu)虛擬機(jī)。不同虛擬硬件系統(tǒng)上均可以用來運(yùn)行不同操作系統(tǒng)，通過處理器指令我們就可以將硬件抽象虛擬機(jī)連接成一個(gè)更為完整的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。這種虛擬機(jī)是當(dāng)前使用較為廣泛的虛擬技術(shù)，其最大優(yōu)勢(shì)就在于每個(gè)虛擬機(jī)之間相互獨(dú)立，用戶操作系統(tǒng)具有非常優(yōu)秀的隔離性，以保證不同操作系統(tǒng)相互之間互不影響。

（2）操作系統(tǒng)層虛擬機(jī)。所謂操作系統(tǒng)層虛擬機(jī)，就是指通過動(dòng)態(tài)復(fù)制操作系統(tǒng)而構(gòu)建的虛擬機(jī)，通過該技術(shù)可以給每一個(gè)應(yīng)用程序提供所需的完整操作系統(tǒng)，其最大優(yōu)勢(shì)在于有效提高了服務(wù)器整合率和資源利用率。操作系統(tǒng)層虛擬機(jī)現(xiàn)階段也被廣泛應(yīng)用，特別是需要對(duì)計(jì)算機(jī)環(huán)境進(jìn)行升級(jí)時(shí)，這種虛擬機(jī)能夠大幅度降低系統(tǒng)管理成本。

（3）編程語言層虛擬機(jī)。編程語言層虛擬機(jī)是通過解釋或即時(shí)編譯技術(shù)來對(duì)運(yùn)行語言虛擬機(jī)指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軟件跨平臺(tái)運(yùn)行特性。Java虛擬機(jī)JVM是編程語言層虛擬機(jī)最為廣泛的應(yīng)用，通過運(yùn)行在CPU上部的軟件進(jìn)程，來編寫具體的VM，從而直接繞過計(jì)算機(jī)硬件CPU?，F(xiàn)階段應(yīng)用最多的VM在結(jié)構(gòu)上基本都分為兩層，上層用來與Java相兼容，下層用來與特定CPU兼容。

2 虛擬機(jī)的動(dòng)態(tài)遷移

顧名思義，虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移就是在虛擬機(jī)正常運(yùn)行的情況下實(shí)現(xiàn)快速遷移，在不同硬件平臺(tái)間相互遷移的整個(gè)過程用戶均可以直接查看，且不影響其正常使用?；诖?，我們可以定義作為最佳虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移過程，就是必須要滿足遷移時(shí)間最短、遷移過程一致、遷移影響最弱、遷移過程可觀。虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的步驟就是虛擬機(jī)的保存及恢復(fù)，也就是說虛擬機(jī)在整個(gè)遷移過程中的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，既要被保存下來，同時(shí)又能夠及時(shí)恢復(fù)，而且前后狀態(tài)不能有任何差別。早前計(jì)算機(jī)技術(shù)較為落后，只能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的虛擬機(jī)靜態(tài)遷移，因?yàn)閯?dòng)態(tài)遷移過程所涉及的影響因素非常之多，不論是系統(tǒng)安全性還是存儲(chǔ)訪問規(guī)則均需要有非常高效的控制。

2.1 動(dòng)態(tài)遷移的應(yīng)用領(lǐng)域

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于IT界，而且越來越多的用戶也開始逐步采用這一虛擬技術(shù)。

（1）計(jì)算機(jī)共享。在一些公共場(chǎng)合，用戶往往需要共享計(jì)算機(jī)，但由于不同用戶的使用習(xí)慣和軟件配置有一定的區(qū)別，所以不可能對(duì)公共場(chǎng)合的用戶設(shè)計(jì)專門的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和恢復(fù)系統(tǒng)。虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移就可以解決這一問題，通過虛擬機(jī)的保存及恢復(fù)功能，可以實(shí)現(xiàn)公共場(chǎng)合中多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的共享。

（2）數(shù)據(jù)庫備份。數(shù)據(jù)已經(jīng)成為當(dāng)今市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的關(guān)鍵部分，對(duì)于大型數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行而言，虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)具有非常重要的作用。特別是大型數(shù)據(jù)庫的備份工作，如果將該數(shù)據(jù)庫運(yùn)行于虛擬機(jī)之上，用戶就可以非常方便的利用虛擬機(jī)保存及恢復(fù)功能，直接保存整個(gè)虛擬機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)保存虛擬機(jī)中數(shù)據(jù)庫的目的。

（3）環(huán)境重現(xiàn)。計(jì)算機(jī)性能測(cè)試及程序調(diào)試均需要進(jìn)行環(huán)境重現(xiàn)，這就牽涉到虛擬機(jī)保存功能，只有有效的將現(xiàn)有環(huán)境進(jìn)行保存，才能夠保證在需要的情況下能夠及時(shí)恢復(fù)計(jì)算機(jī)環(huán)境。

（4）系統(tǒng)硬件維護(hù)?，F(xiàn)階段大多數(shù)操作系統(tǒng)均支持7×24穩(wěn)定運(yùn)行模式，但計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備仍然需要用戶定期進(jìn)行必要的維護(hù)。虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)的出現(xiàn)可以保證在不影響用戶正常使用的前提下，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件進(jìn)行維護(hù)。虛擬機(jī)可以將整個(gè)系統(tǒng)從需要維護(hù)的物理機(jī)直接遷移到另一臺(tái)物理機(jī)上，維護(hù)工作完成之后，再遷移回原來物理機(jī)，而且整個(gè)遷移過程均不會(huì)影響到用戶的正常使用。

2.2 動(dòng)態(tài)遷移的內(nèi)容

動(dòng)態(tài)遷移是要遷移虛擬機(jī)上所有內(nèi)容，包括運(yùn)行狀態(tài)、各種資源等等。只有把所有關(guān)鍵數(shù)據(jù)完整準(zhǔn)確的遷移至目的計(jì)算機(jī)，才能夠保證遷移后虛擬機(jī)正?；謴?fù)運(yùn)行，也即是用戶虛擬機(jī)透明化。網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)NFS就是使用較為廣泛的一種虛擬遷移技術(shù)，可以利用網(wǎng)絡(luò)共享的方式，來實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)的磁盤數(shù)據(jù)遷移。

（1）內(nèi)存遷移。虛擬機(jī)內(nèi)存動(dòng)態(tài)遷移一共需要經(jīng)過三個(gè)階段：第一，推階段（Push）。在這個(gè)階段中源虛擬機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，部分不夠活躍的內(nèi)存頁可以通過網(wǎng)絡(luò)拷貝的方式遷移至目的計(jì)算機(jī)上。為了保證動(dòng)態(tài)遷移整個(gè)過程不會(huì)造成運(yùn)行狀態(tài)或者內(nèi)存數(shù)據(jù)的變化，我們需要對(duì)整個(gè)拷貝遷移過程中源虛擬機(jī)上被修改過的內(nèi)存頁面進(jìn)行重新拷貝；第二，停機(jī)拷貝階段（Stop-and-Copy）。這個(gè)階段源虛擬機(jī)是處于停止?fàn)顟B(tài)的，通過該階段可以將剩余內(nèi)存臟頁拷貝至目的計(jì)算機(jī)，進(jìn)而保證遷移數(shù)據(jù)的完整性；第三，拉階段（Pull）。該階段即是目的計(jì)算機(jī)虛擬機(jī)恢復(fù)運(yùn)行階段，如果運(yùn)行過程中發(fā)生了頁面訪問錯(cuò)誤，那么新恢復(fù)運(yùn)行的虛擬機(jī)將直接從源虛擬機(jī)上拷貝錯(cuò)誤頁。

（2）網(wǎng)絡(luò)資源遷移。虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移不僅僅涉及整個(gè)系統(tǒng)的遷移，還包括與該系統(tǒng)有聯(lián)系的所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。通常情況下，在局域網(wǎng)中我們可以通過發(fā)送ARP重定向包的方式來實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)IP地址與目的機(jī)器MAC地址綁定的方式來實(shí)現(xiàn)整體數(shù)據(jù)包的完整遷移。

（3）存儲(chǔ)設(shè)備遷移。數(shù)據(jù)安全完整是虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)重點(diǎn)對(duì)象，如果存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量過大，那么勢(shì)必會(huì)給整個(gè)動(dòng)態(tài)遷移過程提出更大挑戰(zhàn)。共享數(shù)據(jù)與文件系統(tǒng)是虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移的最佳解決方式，特別是在現(xiàn)階段集群服務(wù)器均使用網(wǎng)絡(luò)連接存儲(chǔ)的前提下，NAS技術(shù)已經(jīng)受到了廣泛關(guān)注。NAS在固定的TCP/IP協(xié)議寫進(jìn)行通信，并以文件輸入/輸出的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)遷移，從形式上來看NAS可以理解為專用文件服務(wù)器。

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作者簡(jiǎn)介：王海峰（1973.01-），男，廣東汕頭人，碩士，副教授，研究方向：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)站開發(fā)技術(shù)。

作者單位：廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510000