專利名稱：一種虛擬化系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及虛擬化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源管理與分配的實(shí)現(xiàn)方法，尤其是大規(guī)模部署虛擬化技術(shù)的計(jì)算系統(tǒng)如數(shù)據(jù)中心及云計(jì)算環(huán)境中多虛擬機(jī)間競(jìng)爭(zhēng)性資源的差異化服務(wù)方法。
背景技術(shù)：
雖然隨著處理器、內(nèi)存及磁盤技術(shù)的進(jìn)步，單臺(tái)計(jì)算機(jī)的性能持續(xù)提高。但是，單臺(tái)計(jì)算機(jī)的資源使用率仍較低。而計(jì)算系統(tǒng)虛擬化技術(shù)由于可以動(dòng)態(tài)組織多種計(jì)算資源， 隔離具體的硬件體系結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)之間的緊密依賴關(guān)系，實(shí)現(xiàn)透明化的可伸縮計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)，提高計(jì)算資源(如處理器、存儲(chǔ)器)的使用效率，在桌面領(lǐng)域和服務(wù)器領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，如數(shù)據(jù)中心服務(wù)器聚合、存儲(chǔ)虛擬化和云存儲(chǔ)等。目前，虛擬化技術(shù)已經(jīng)成為云計(jì)算、云存儲(chǔ)平臺(tái)及大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的核心支撐技術(shù)。例如，在IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))、 PaaS (平臺(tái)即服務(wù))、^aS (軟件即服務(wù))等云計(jì)算服務(wù)中，通過(guò)虛擬化技術(shù)將大規(guī)模系統(tǒng)中大量各種不同類型的異構(gòu)設(shè)備和資源通過(guò)應(yīng)用軟件集合起來(lái)協(xié)同工作，共同對(duì)外提供計(jì)算、存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)訪問(wèn)服務(wù)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分組或者連接一系列的服務(wù)器和存儲(chǔ)組件，動(dòng)態(tài)地將服務(wù)器和存儲(chǔ)組件從一個(gè)組轉(zhuǎn)移到另一個(gè)組，動(dòng)態(tài)加載和啟動(dòng)客戶機(jī)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序等。在虛擬化系統(tǒng)中，由于多個(gè)客戶虛擬機(jī)并存并共享相同的硬件資源，因此，必須根據(jù)不斷變化的外部負(fù)載為各個(gè)客戶虛擬機(jī)(Virtual Machine, VM)動(dòng)態(tài)地分配資源。而在高并發(fā)情況下，硬件資源往往在多個(gè)客戶虛擬機(jī)之間競(jìng)爭(zhēng)。因此，必須提供一套有效的資源差異化服務(wù)方法為不同目標(biāo)的客戶虛擬機(jī)提供資源。例如，在虛擬機(jī)環(huán)境下，多個(gè)虛擬機(jī)運(yùn)行在虛擬機(jī)監(jiān)控器(Virtual Machine Monitor, VMM)之上，虛擬機(jī)監(jiān)控器在進(jìn)行資源調(diào)度時(shí)所獲取的信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)所掌握的進(jìn)程信息。由于虛擬機(jī)環(huán)境下的硬件資源動(dòng)態(tài)異構(gòu)的特點(diǎn)，為了滿足海量用戶的磁盤存儲(chǔ)需求的時(shí)間性能及服務(wù)公平性，當(dāng)前的磁盤存儲(chǔ)服務(wù)I/O性能仍存在較大問(wèn)題。另外，如何根據(jù)多個(gè)虛擬機(jī)對(duì)物理磁盤I/O請(qǐng)求和負(fù)載特性自適應(yīng)的協(xié)調(diào)控制磁盤I/O資源的分配，根據(jù)負(fù)載特性應(yīng)用不同的服務(wù)策略， 并對(duì)負(fù)載的類型特征進(jìn)行預(yù)測(cè)和推斷，以保證每一個(gè)虛擬機(jī)只能得到預(yù)定的服務(wù)資源，保證服務(wù)公平性的同時(shí)避免出現(xiàn)服務(wù)瓶頸，同時(shí)對(duì)具有高優(yōu)先權(quán)的虛擬機(jī)提供高性能服務(wù)， 也是虛擬化系統(tǒng)資源服務(wù)面臨的重要挑戰(zhàn)。如果單純?yōu)榱吮ＷC在多個(gè)虛擬機(jī)系統(tǒng)間的性能隔離，則容易造成整個(gè)系統(tǒng)的性能下降，尤其是在大量無(wú)序服務(wù)請(qǐng)求的情況下。因此，在虛擬機(jī)環(huán)境下，在現(xiàn)有基本的處理器和磁盤調(diào)度的基礎(chǔ)上，如何提供粗粒度的訪問(wèn)請(qǐng)求控制、性能隔離和細(xì)粒度的服務(wù)性能共享，是解決大規(guī)模虛擬化系統(tǒng)性能瓶頸的重要途徑。另外，大規(guī)模虛擬化系統(tǒng)及服務(wù)聚合使得設(shè)備之間的訪問(wèn)控制及協(xié)調(diào)更加復(fù)雜，且具體應(yīng)用服務(wù)的異構(gòu)性使得服務(wù)訪問(wèn)請(qǐng)求的服務(wù)質(zhì)量的維護(hù)異常困難，不同客戶虛擬機(jī)之間的服務(wù)資源分布對(duì)整個(gè)虛擬化系統(tǒng)的性能和服務(wù)質(zhì)量都有較大影響。因此，在滿足系統(tǒng)性能(如吞吐量)的前提下，應(yīng)該進(jìn)行差異化的資
3源服務(wù)，盡可能的提高資源的總體服務(wù)質(zhì)量。同時(shí)，為了充分發(fā)揮系統(tǒng)資源的使用效率并降低系統(tǒng)能耗和運(yùn)行成本，資源的分配量必須和資源的請(qǐng)求量相當(dāng)，而不能存在較大的資源浪費(fèi)。因此，精確預(yù)測(cè)系統(tǒng)的負(fù)載特點(diǎn)和資源需求量，是進(jìn)行資源差異化服務(wù)的前提。而在虛擬化環(huán)境下(如云計(jì)算環(huán)境中)，用戶不再需要了解具體使用的計(jì)算及存儲(chǔ)設(shè)備(如型號(hào)，接口，協(xié)議等)，甚至不需要進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控及維護(hù)等。然而，虛擬化技術(shù)固有的透明性和隔離性使得在虛擬環(huán)境下獲取上層應(yīng)用負(fù)載的運(yùn)行時(shí)信息變得異常困難。同時(shí)，大量的客戶虛擬機(jī)共享統(tǒng)一的物理硬件也增加了硬件設(shè)備訪問(wèn)模式的復(fù)雜性。因此，如何保證多客戶虛擬機(jī)之間對(duì)底層硬件資源的和諧共享和性能隔離，實(shí)現(xiàn)不同類型負(fù)載(計(jì)算密集型、I/O密集型、混合型等)下處理器子系統(tǒng)、存儲(chǔ)子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)不同的應(yīng)用目標(biāo)，目前尚無(wú)較好的解決方法。目前的虛擬機(jī)監(jiān)控器軟件和操作系統(tǒng)不區(qū)分具體虛擬機(jī)應(yīng)用程序的資源使用特點(diǎn)，不考慮不同類型應(yīng)用程序使用系統(tǒng)資源的差異，使得無(wú)法確保重要應(yīng)用程序和客戶機(jī)操作系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
由于當(dāng)前的虛擬機(jī)監(jiān)控器軟件不管其上層虛擬機(jī)的服務(wù)請(qǐng)求是否具有時(shí)效性或可等待性，均以公平的資源使用原則來(lái)調(diào)度資源，無(wú)法發(fā)揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最佳效能。因此，本發(fā)明區(qū)分共享同一計(jì)算機(jī)硬件資源的不同虛擬機(jī)上不同的負(fù)載類型(計(jì)算密集型、I/ 0密集型、混合型等)，使得在不同的虛擬機(jī)間使用資源差異化，最終提高虛擬化系統(tǒng)的性能和服務(wù)質(zhì)量。一個(gè)虛擬化系統(tǒng)中有多個(gè)客戶虛擬機(jī)(大于或等于1個(gè))，系統(tǒng)可供服務(wù)的資源包括處理器、內(nèi)存和磁盤，每個(gè)虛擬機(jī)的應(yīng)用程序均可能使用這些資源以完成用戶應(yīng)用程序的請(qǐng)求并滿足一定的性能指標(biāo)和服務(wù)質(zhì)量。由于資源有限，為保證具有較高重要性的應(yīng)用程序具有較高的性能，多個(gè)虛擬機(jī)對(duì)系統(tǒng)資源的請(qǐng)求必須進(jìn)行差異化的服務(wù)。本發(fā)明對(duì)虛擬化系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)的思想，即是通過(guò)差異化服務(wù)后，可以最大程度的降低整個(gè)系統(tǒng)的資源競(jìng)爭(zhēng)程度，降低資源競(jìng)爭(zhēng)造成的系統(tǒng)性能的下降，提高系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。該發(fā)明包含三部分的內(nèi)容虛擬化系統(tǒng)資源使用的馬爾科夫模型、基于響應(yīng)時(shí)間的多虛擬機(jī)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)模型和基于上述兩個(gè)模型的競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)方法。(1)虛擬化系統(tǒng)資源和負(fù)載的馬爾科夫模型
針對(duì)已有的虛擬機(jī)監(jiān)控器不考慮具體虛擬機(jī)應(yīng)用程序的資源使用特點(diǎn)和處理器、內(nèi)存、磁盤等資源本身的特點(diǎn)，本發(fā)明提出了一個(gè)新的虛擬化系統(tǒng)資源和負(fù)載的馬爾科夫模型，該模型可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)虛擬化系統(tǒng)的負(fù)載特征。根據(jù)資源和負(fù)載的狀態(tài)及其互相轉(zhuǎn)移概率，則可以計(jì)算出某一時(shí)刻系統(tǒng)資源的可用情況及負(fù)載的服務(wù)狀態(tài)，是進(jìn)行資源的差異化服務(wù)的前提。(2)基于響應(yīng)時(shí)間的多虛擬機(jī)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法
滿足多虛擬機(jī)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量是資源差異化服務(wù)的目標(biāo)，其參數(shù)體系主要包括操作系統(tǒng)及應(yīng)用相關(guān)的服務(wù)質(zhì)量，往往受多種因素的影響，主要可分為硬件方面和軟件方面。硬件方面如硬件本身的技術(shù)工藝水平與可靠性水平、供電極限、溫度極限等，軟件方面則包括虛擬機(jī)系統(tǒng)各種性能參數(shù)，具體指標(biāo)包括響應(yīng)時(shí)間、吞吐率、任務(wù)成功率/失敗率、資源使用
4率、服務(wù)可用性等。而響應(yīng)時(shí)間是衡量系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的最直接有效的參數(shù)。因此，利用前述的馬爾科夫模型，可以計(jì)算出虛擬機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用程序的響應(yīng)時(shí)間的條件概率密度及其概率函數(shù)，建立基于響應(yīng)時(shí)間的多虛擬機(jī)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，為進(jìn)行資源差異化服務(wù)提供決策依據(jù)。(3)基于競(jìng)爭(zhēng)緩解程度的競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)方法
系統(tǒng)運(yùn)行階段可以有多種效果不同的資源分配方法，而根據(jù)基于響應(yīng)時(shí)間的多虛擬機(jī)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，可以計(jì)算出使用某一種資源分配方法后系統(tǒng)資源競(jìng)爭(zhēng)的程度。 本發(fā)明提出的方法通過(guò)對(duì)不同的資源分配方法的競(jìng)爭(zhēng)緩解程度由大到小排序，先滿足競(jìng)爭(zhēng)緩解程度最大的虛擬機(jī)的資源請(qǐng)求，再滿足競(jìng)爭(zhēng)緩解程度次大的虛擬機(jī)的資源請(qǐng)求，以此類推，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的虛擬機(jī)進(jìn)行差異化的資源服務(wù)。本發(fā)明方法的具體步驟是
步驟1.處理器協(xié)調(diào)器、內(nèi)存協(xié)調(diào)器和磁盤協(xié)調(diào)器分別收集處理器、內(nèi)存、磁盤的實(shí)時(shí)信息后發(fā)送給本地資源協(xié)調(diào)器。步驟2.本地資源協(xié)調(diào)器利用接收到的處理器、內(nèi)存和磁盤的實(shí)時(shí)信息分別計(jì)算資源和負(fù)載的馬爾科夫模型參數(shù)，計(jì)算完成后發(fā)送給全局資源協(xié)調(diào)器。步驟3.全局資源協(xié)調(diào)器根據(jù)所有資源的使用情況和各個(gè)客戶虛擬機(jī)的負(fù)載信息，基于響應(yīng)時(shí)間的多虛擬機(jī)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，生成基于競(jìng)爭(zhēng)緩解程度的競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)策略。步驟4.競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)策略由全局資源協(xié)調(diào)器發(fā)送至本地資源協(xié)調(diào)器。步驟5.本地資源協(xié)調(diào)器將競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)策略分別發(fā)送至處理器協(xié)調(diào)器、 內(nèi)存協(xié)調(diào)器和磁盤協(xié)調(diào)器。步驟6.處理器協(xié)調(diào)器、內(nèi)存協(xié)調(diào)器和磁盤協(xié)調(diào)器根據(jù)競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)策略， 對(duì)處理器、內(nèi)存、磁盤資源進(jìn)行分配。步驟7.根據(jù)客戶虛擬機(jī)的性能表現(xiàn)，決定是否周期性循環(huán)步驟1至步驟6。通過(guò)本發(fā)明提供的虛擬化系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)方法，可以在系統(tǒng)高度競(jìng)爭(zhēng)的情況下有效緩解系統(tǒng)資源的競(jìng)爭(zhēng)程度，顯著提高整個(gè)虛擬化系統(tǒng)的性能和服務(wù)質(zhì)量。


圖1是虛擬化系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)方法體系結(jié)構(gòu)。圖2是虛擬化系統(tǒng)資源狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。圖3是虛擬化系統(tǒng)客戶虛擬機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。圖4是處理器協(xié)調(diào)器、內(nèi)存協(xié)調(diào)器、磁盤協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)收集流程圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，請(qǐng)參閱圖1 ；圖1給出了本發(fā)明提出的競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)方法的體系結(jié)構(gòu)。其中1、2、3為計(jì)算系統(tǒng)中的可供分配的處理器、內(nèi)存和磁盤資源，4 (虛線框內(nèi))為虛擬機(jī)監(jiān)控器，虛擬機(jī)監(jiān)控器除了具備基本的虛擬機(jī)管理其中又包括5、6、7、8、9五部分，5、6、7、8、9均為處理器協(xié)調(diào)器、內(nèi)存協(xié)調(diào)器、磁盤協(xié)調(diào)器、本地資源協(xié)調(diào)器、全局資源協(xié)調(diào)器均為駐留在虛擬機(jī)監(jiān)控器中的軟件程序。其中5、6、7分別為進(jìn)行上述資源分配的處理器協(xié)調(diào)器、內(nèi)存協(xié)調(diào)器和磁盤協(xié)調(diào)器，8為本地資源協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)負(fù)載特征識(shí)別與分析，9為全局資源協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)資源差異化服務(wù)決策。10、11、12為客戶虛擬機(jī)系統(tǒng)示例。下面分別介紹處理器協(xié)調(diào)器、內(nèi)存協(xié)調(diào)器、磁盤協(xié)調(diào)器、本地資源協(xié)調(diào)器和全局資源協(xié)調(diào)器。(1)處理器協(xié)調(diào)器
本方法中的處理器協(xié)調(diào)器使用靈活的分配模式在運(yùn)行的虛擬機(jī)之間分配計(jì)算機(jī)的物理處理器資源。處理器協(xié)調(diào)器同時(shí)收集處理器負(fù)載相關(guān)信息，基于處理器事件計(jì)數(shù)器和性能計(jì)數(shù)器相關(guān)信息，記錄不同虛擬機(jī)的處理器資源請(qǐng)求，為進(jìn)行有效的處理器資源分配提供決策支持信息。目前的處理器都集成了一定的事件計(jì)數(shù)器(Event Counters)和性能計(jì)數(shù)器(Hardware Performance Counters)，通過(guò)探測(cè)CPU請(qǐng)求的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)使用信息，操作系統(tǒng)可以獲得細(xì)粒度的處理器核級(jí)、線程級(jí)及指令級(jí)性能及使用數(shù)據(jù)。(2)內(nèi)存協(xié)調(diào)器
本方法中由單獨(dú)的內(nèi)存協(xié)調(diào)器用于客戶虛擬機(jī)內(nèi)存的分配、管理和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集，可以根據(jù)不同的客戶虛擬機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)存使用信息，動(dòng)態(tài)的調(diào)整客戶虛擬機(jī)的內(nèi)存分配。(3)磁盤協(xié)調(diào)器
磁盤協(xié)調(diào)器兼顧性能和服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)，不僅能夠基于全局資源協(xié)調(diào)器獲取的多個(gè)虛擬機(jī)磁盤訪問(wèn)模式信息將磁盤I/O請(qǐng)求重新排序，減小磁盤尋道時(shí)間，提高磁盤效率，同時(shí)依據(jù)優(yōu)先權(quán)為不同虛擬機(jī)的磁盤訪問(wèn)進(jìn)行帶寬控制，進(jìn)行差異化服務(wù)，保證不同的虛擬機(jī)有不同的磁盤服務(wù)性能。(4)本地資源協(xié)調(diào)器
基于安全、隔離、透明原則，虛擬機(jī)監(jiān)控器可以獲取客戶虛擬機(jī)訪問(wèn)硬件資源的行為和操作信息，監(jiān)控其對(duì)底層硬件的使用情況，但并不能直接獲取客戶虛擬機(jī)中的進(jìn)程運(yùn)行時(shí)的細(xì)粒度信息及其具體操作語(yǔ)義，需要對(duì)虛擬機(jī)監(jiān)控器能夠監(jiān)測(cè)到的客戶虛擬機(jī)運(yùn)行信息進(jìn)行進(jìn)一步的分析，從而發(fā)掘出能夠刻畫(huà)客戶虛擬機(jī)典型負(fù)載的請(qǐng)求特征參數(shù)模式，以及與客戶虛擬機(jī)的動(dòng)態(tài)負(fù)載狀況的關(guān)系，為資源差異化決策提供支持。因此，本地資源協(xié)調(diào)器基于處理器協(xié)調(diào)器、內(nèi)存協(xié)調(diào)器、磁盤協(xié)調(diào)器等收集的負(fù)載特征參數(shù)，根據(jù)本發(fā)明提出的虛擬化系統(tǒng)資源和負(fù)載的馬爾科夫模型，建立可以識(shí)別出不同典型負(fù)載類型的評(píng)判模型， 實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶虛擬機(jī)任務(wù)負(fù)載的特征參數(shù)的實(shí)時(shí)獲取和分析，給出客戶虛擬機(jī)當(dāng)前的負(fù)載類型，為全局資源協(xié)調(diào)器根據(jù)不同的負(fù)載類型進(jìn)行資源的差異化服務(wù)提供依據(jù)。(5)全局資源協(xié)調(diào)器
全局資源協(xié)調(diào)器根據(jù)本地資源協(xié)調(diào)器提供的負(fù)載特征，綜合不同客戶虛擬機(jī)上應(yīng)用程序的服務(wù)質(zhì)量要求及其性能指標(biāo)，根據(jù)本發(fā)明提出的基于響應(yīng)時(shí)間的多虛擬機(jī)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法和基于競(jìng)爭(zhēng)緩解程度的競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)方法，對(duì)客戶虛擬機(jī)需要的資源進(jìn)行差異化服務(wù)。請(qǐng)參閱圖2，為了進(jìn)行資源差異化服務(wù)，本發(fā)明定義了虛擬化系統(tǒng)中資源具有的三種狀態(tài)，即狀態(tài)1為空閑并可立即提供服務(wù)，狀態(tài)2為繁忙但在未來(lái)可提供服務(wù)，狀態(tài)3為不能提供服務(wù)。資源的三種狀態(tài)及其轉(zhuǎn)移概率如圖2所示，其中箭頭代表狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方向， 箭頭上的數(shù)字代表狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。根據(jù)資源的三種狀態(tài)及其轉(zhuǎn)移概率，可構(gòu)建資源的馬爾科夫模型。請(qǐng)參閱圖3，本發(fā)明同時(shí)定義了虛擬化系統(tǒng)中客戶虛擬機(jī)具有的四種狀態(tài)，即狀態(tài) 1為等待服務(wù)，狀態(tài)2為正在接受服務(wù)，狀態(tài)3為服務(wù)完成，狀態(tài)4為服務(wù)失敗?？蛻籼摂M機(jī)的四種狀態(tài)及其轉(zhuǎn)移概率如圖3所示，其中箭頭代表狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方向，箭頭上的數(shù)字代表狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。根據(jù)客戶虛擬機(jī)的四種狀態(tài)及其轉(zhuǎn)移概率，可構(gòu)建客戶虛擬機(jī)的馬爾科夫模型。本發(fā)明的實(shí)施過(guò)程適用于使用X86體系結(jié)構(gòu)處理器的虛擬化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。所述虛擬化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括至少一個(gè)硬件物理機(jī)，并且其上至少容納有一個(gè)客戶虛擬機(jī)和用于管理所述至少一個(gè)客戶虛擬機(jī)的虛擬機(jī)監(jiān)控器，在每一個(gè)客戶虛擬機(jī)上運(yùn)行有至少一個(gè)請(qǐng)求資源服務(wù)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序。其實(shí)施方式為通過(guò)在虛擬機(jī)監(jiān)控器內(nèi)核中增加新的代碼，即可截取資源使用請(qǐng)求的申請(qǐng)和釋放。在本發(fā)明的設(shè)計(jì)中，差異化的資源服務(wù)策略和執(zhí)行是分開(kāi)的。我們?cè)谌仲Y源協(xié)調(diào)器中添加了差異化資源服務(wù)的決策機(jī)制，決策機(jī)制會(huì)根據(jù)動(dòng)態(tài)的資源使用監(jiān)控歷史、分配時(shí)間和虛擬機(jī)的性能反饋等因素進(jìn)行判斷，決定哪些虛擬機(jī)可以使用哪些資源、 資源使用的數(shù)量、時(shí)間等，具體的資源差異化服務(wù)則由本地資源協(xié)調(diào)器實(shí)施，通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)或指令接口實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)處理器協(xié)調(diào)器、內(nèi)存協(xié)調(diào)器、磁盤協(xié)調(diào)器、本地資源協(xié)調(diào)器和全局資源協(xié)調(diào)器之間的通信，本發(fā)明通過(guò)在虛擬機(jī)監(jiān)控器中開(kāi)辟一塊單獨(dú)的內(nèi)存空間作為信息交換區(qū)，在處理器協(xié)調(diào)器、內(nèi)存協(xié)調(diào)器、磁盤協(xié)調(diào)器、本地資源協(xié)調(diào)器和全局資源協(xié)調(diào)器之間建立一個(gè)虛擬通道，通過(guò)虛擬通道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和互操作。該虛擬通道包含兩個(gè)共享內(nèi)存空間用于兩個(gè)方向上的通信，一個(gè)為發(fā)送通道，一個(gè)為接收通道，通道的兩端設(shè)置排隊(duì)記錄和輸出記錄。本發(fā)明提出的資源差異化服務(wù)方法，不依賴于具體的客戶虛擬機(jī)操作系統(tǒng)類型和版本號(hào)，不依賴于具體的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。在不改動(dòng)客戶機(jī)操作系統(tǒng)的前提下，在虛擬機(jī)監(jiān)控器中通過(guò)應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)獲取客戶機(jī)操作系統(tǒng)當(dāng)前應(yīng)用程序的各種性能信息，計(jì)算出其負(fù)載模式，從而直接在虛擬機(jī)監(jiān)控器中動(dòng)態(tài)按需的分配給不同的虛擬機(jī)不同的資源以防止相對(duì)于該多個(gè)客戶虛擬機(jī)系統(tǒng)的至少另一個(gè)發(fā)生性能顯著下降。在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，一種用于虛擬化系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)資源的差異化服務(wù)的方法包含收集與分析客戶操作系統(tǒng)訪問(wèn)處理器、內(nèi)存及磁盤的歷史數(shù)據(jù)的裝置、生成資源差異化服務(wù)策略、以及實(shí)施該策略。裝置包括虛擬機(jī)資源服務(wù)的控制邏輯和執(zhí)行單元，所述的虛擬機(jī)資源服務(wù)控制邏輯在虛擬機(jī)監(jiān)控器及其客戶機(jī)之間轉(zhuǎn)移對(duì)競(jìng)爭(zhēng)資源的控制。所述執(zhí)行單元用于執(zhí)行指令以將資源從一個(gè)客戶機(jī)的虛擬設(shè)備空間轉(zhuǎn)移到另一客戶虛擬機(jī)的虛擬地址空間中。本發(fā)明提出的資源差異化服務(wù)方法，其實(shí)施步驟如下
步驟1 處理器協(xié)調(diào)器、內(nèi)存協(xié)調(diào)器、磁盤協(xié)調(diào)器收集處理器、內(nèi)存、磁盤的實(shí)時(shí)信息后發(fā)送給本地資源協(xié)調(diào)器；
步驟2 本地資源協(xié)調(diào)器利用接收到的處理器、內(nèi)存、磁盤的實(shí)時(shí)信息計(jì)算資源和負(fù)載
7的馬爾科夫模型參數(shù)，計(jì)算完成后發(fā)送給全局資源協(xié)調(diào)器；
步驟3 全局資源協(xié)調(diào)器根據(jù)所有資源的使用情況和各個(gè)客戶虛擬機(jī)的負(fù)載信息，基于響應(yīng)時(shí)間的多虛擬機(jī)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，生成基于競(jìng)爭(zhēng)緩解程度的競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)策略；
步驟4 競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)策略由全局資源協(xié)調(diào)器發(fā)送至本地資源協(xié)調(diào)器； 步驟5 本地資源協(xié)調(diào)器將競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)策略分別發(fā)送至處理器協(xié)調(diào)器、內(nèi)存協(xié)調(diào)器和磁盤協(xié)調(diào)器；
步驟6 處理器協(xié)調(diào)器、內(nèi)存協(xié)調(diào)器和磁盤協(xié)調(diào)器根據(jù)競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)策略，對(duì)處理器、內(nèi)存、磁盤等資源進(jìn)行分配。步驟7 根據(jù)客戶虛擬機(jī)的性能表現(xiàn)，決定是否周期性循環(huán)步驟1至步驟6。下面分別對(duì)上述實(shí)施步驟進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。(1)步驟 1
處理器協(xié)調(diào)器、內(nèi)存協(xié)調(diào)器、磁盤協(xié)調(diào)器通過(guò)調(diào)用虛擬機(jī)監(jiān)控器提供的硬件操作指令接口，收集處理器、內(nèi)存和磁盤的實(shí)時(shí)信息，然后將該信息通過(guò)虛擬通道發(fā)送給本地資源協(xié)調(diào)器。處理器協(xié)調(diào)器利用處理器提供的硬件指令接口，收集處理器使用率、處理器隊(duì)列長(zhǎng)度、處理器硬件性能計(jì)數(shù)器信息；
內(nèi)存協(xié)調(diào)器在虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)，動(dòng)態(tài)截獲虛擬機(jī)中申請(qǐng)和釋放內(nèi)存的函數(shù)，并記錄下來(lái)， 并收集內(nèi)存空間使用率、內(nèi)存高速緩存命中率、內(nèi)存高速緩存缺失率信息。內(nèi)存資源申請(qǐng)函數(shù)和釋放函數(shù)，例如malloc和free，作為系統(tǒng)的調(diào)用接口，其在內(nèi)存中的地址很容易捕獲得到。分析上述這些受監(jiān)控函數(shù)，獲取函數(shù)調(diào)用棧，更新應(yīng)用程序占用內(nèi)存資源的列表。如果是資源申請(qǐng)函數(shù)則增加內(nèi)存占用信息，而資源釋放函數(shù)則需要?jiǎng)h除相應(yīng)的內(nèi)存信息。通過(guò)維護(hù)這樣一個(gè)動(dòng)態(tài)的內(nèi)存資源使用列表，詳盡和全面地掌握被監(jiān)控虛擬機(jī)使用內(nèi)存資源的情況，這樣，通過(guò)內(nèi)存虛擬化技術(shù)，內(nèi)存協(xié)調(diào)器可以監(jiān)控應(yīng)用程序?qū)@些內(nèi)存資源的應(yīng)用情況。磁盤協(xié)調(diào)器收集磁盤的讀/寫(xiě)速率、磁盤輸入輸出等待對(duì)列長(zhǎng)度、讀寫(xiě)塊大小、塊數(shù)量。請(qǐng)參閱圖4，圖4是處理器協(xié)調(diào)器、內(nèi)存協(xié)調(diào)器、磁盤協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)收集流程圖。(2)步驟 2
本地資源協(xié)調(diào)器基于處理器協(xié)調(diào)器、內(nèi)存協(xié)調(diào)器、磁盤協(xié)調(diào)器等發(fā)送的數(shù)據(jù)，根據(jù)本發(fā)明提出的虛擬化系統(tǒng)資源和負(fù)載的馬爾科夫模型，建立可以識(shí)別出不同典型負(fù)載類型的評(píng)判模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶虛擬機(jī)任務(wù)負(fù)載的特征參數(shù)的實(shí)時(shí)獲取和分析，給出客戶虛擬機(jī)當(dāng)前的負(fù)載類型，為全局資源協(xié)調(diào)器根據(jù)不同的負(fù)載類型進(jìn)行資源的差異化服務(wù)提供依據(jù)。具體實(shí)施時(shí)，本地資源協(xié)調(diào)器首先計(jì)算出系統(tǒng)資源及客戶虛擬機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，然后計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)用程序滿足一定的響應(yīng)時(shí)間的概率。根據(jù)資源不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率，根據(jù)圖2，可以計(jì)算資源的n(n大于或等于1) 步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率(此處以/標(biāo)識(shí)，下標(biāo)第一個(gè)數(shù)字標(biāo)識(shí)初始狀態(tài)，下標(biāo)第二個(gè)數(shù)字標(biāo)識(shí)到達(dá)狀態(tài))，如下
/r4f^lTqi%'n； 2^mIi (資源狀態(tài)ι轉(zhuǎn)移到資源狀態(tài)2)二 (資灘態(tài)1轉(zhuǎn)移膽源狀態(tài)3)
權(quán)利要求
1. 一種虛擬化系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)方法，其特征在于該方法包括如下步驟 步驟1.處理器協(xié)調(diào)器、內(nèi)存協(xié)調(diào)器和磁盤協(xié)調(diào)器分別收集處理器、內(nèi)存、磁盤的實(shí)時(shí)信息后發(fā)送給本地資源協(xié)調(diào)器；所述的處理器實(shí)時(shí)信息包括處理器使用率、處理器隊(duì)列長(zhǎng)度和處理器硬件性能計(jì)數(shù)器 fn息；所述的內(nèi)存實(shí)時(shí)信息包括內(nèi)存空間使用率、內(nèi)存高速緩存命中率和內(nèi)存高速緩存缺失率信息；所述的磁盤實(shí)時(shí)信息包括磁盤的讀/寫(xiě)速率、磁盤輸入輸出等待對(duì)列長(zhǎng)度、讀寫(xiě)塊大小和塊數(shù)量；步驟2.本地資源協(xié)調(diào)器利用接收到的處理器、內(nèi)存和磁盤的實(shí)時(shí)信息分別計(jì)算資源和負(fù)載的馬爾科夫模型參數(shù)，計(jì)算完成后發(fā)送給全局資源協(xié)調(diào)器；步驟3.全局資源協(xié)調(diào)器根據(jù)所有資源的使用情況和各個(gè)客戶虛擬機(jī)的負(fù)載信息，基于響應(yīng)時(shí)間的多虛擬機(jī)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，生成基于競(jìng)爭(zhēng)緩解程度的競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)策略；所述的競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)策略具體是將各個(gè)客戶虛擬機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)緩解程度按從大到小的順序排序，根據(jù)其排序結(jié)果，生成競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)策略；步驟4.競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)策略由全局資源協(xié)調(diào)器發(fā)送至本地資源協(xié)調(diào)器； 步驟5.本地資源協(xié)調(diào)器將競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)策略分別發(fā)送至處理器協(xié)調(diào)器、內(nèi)存協(xié)調(diào)器和磁盤協(xié)調(diào)器；步驟6.處理器協(xié)調(diào)器、內(nèi)存協(xié)調(diào)器和磁盤協(xié)調(diào)器根據(jù)競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)策略，對(duì)處理器、內(nèi)存、磁盤資源進(jìn)行分配；步驟7.根據(jù)客戶虛擬機(jī)的性能表現(xiàn)，決定是否周期性循環(huán)步驟1至步驟6。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種虛擬化系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)方法。目前的虛擬機(jī)監(jiān)控器軟件和操作系統(tǒng)不區(qū)分具體虛擬機(jī)應(yīng)用程序的資源使用特點(diǎn)，無(wú)法確保重要應(yīng)用程序和客戶機(jī)操作系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。本發(fā)明方法包含三部分的內(nèi)容虛擬化系統(tǒng)資源使用的馬爾科夫模型、基于響應(yīng)時(shí)間的多虛擬機(jī)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)模型和基于上述兩個(gè)模型的競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)方法。通過(guò)本發(fā)明提供的虛擬化系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)資源差異化服務(wù)方法，可以在系統(tǒng)高度競(jìng)爭(zhēng)的情況下有效緩解系統(tǒng)資源的競(jìng)爭(zhēng)程度，顯著提高整個(gè)虛擬化系統(tǒng)的性能和服務(wù)質(zhì)量。
文檔編號(hào)G06F9/50GK102156665SQ201110092580
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月13日
發(fā)明者萬(wàn)健, 任祖杰, 余日泰, 張紀(jì)林, 徐向華, 殷昱煜, 蔣從鋒 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)