自适应调整虚拟机权重参数的调度方法

在基于特权服务操作系统的虚拟机架构下客户操作系统需要借助特权服务操作系统来访问真实硬件,目前虚拟机调度算法的优化主要是侧重于I/O密集型虚拟机的研究,而忽视了CPU密集型虚拟机,更忽视了特权服务操作系统的I/O处理能力对虚拟机整体性能的影响.针对这些问题,提出了一种基于Credit算法的自适应调整虚拟机权重参数的优化调度方法,将特权服务操作系统的I/O处理能力作为虚拟机参数调整的一个重要参数,同时兼顾I/O密集型虚拟机和CPU密集型虚拟机对资源的需求.实验结果表明该方法能够及时根据当前的I/O请求数量和特权服务操作系统的处理能力合理调整虚拟机的权重参数,从而大大提高了客户操作系统CPU处理性能和硬件设备的访问性能.     

面向虚拟机的远程磁盘缓存

在虚拟机(virtual machine)系统中,随着虚拟机数量和应用程序需求的不断增长,内存容量已经成为应用程序性能的主要瓶颈。为了提升内存密集型和I/O密集型程序的页面交换性能,提出了虚拟机的远程磁盘缓存机制REMOCA,它允许运行在一台物理主机上的虚拟机将其他物理主机的内存作为其二级磁盘缓存。由于网络传输延迟远远小于磁盘访问,用网络传输代替磁盘访问就能够有效地降低虚拟机的平均磁盘访问延迟。REMOCA的目标就要尽可能地减少磁盘访问。REMOCA运行在虚拟机管理器中,其基本工作原理是截获并处理虚拟机的页面淘汰、磁盘访问等事件。REMOCA能够与现有的虚拟机内存管理机制(如气球技术、影子缓存)相结合,从而提供更加灵活的内存资源管理策略。实验数据表明,REMOCA能有效地降低页面抖动对虚拟机性能的影响,并在很大程度上提升虚拟机中I/O密集型应用的性能。     

基于微内核的虚拟机I/O安全机制

NOVA等微内核虚拟化架构解决了宏内核平台可信计算基体积和攻击面过大的问题, 但其仍缺乏虚拟机分等级保护和I/O资源访问控制等安全机制. 本文提出了安全域的概念, 并将虚拟机划分至不同的安全域, 进而建立可定制的I/O资源访问控制机制. 通过将访问控制模块添加至I/O资源访问的关键代码路径, 实现了不同安全域的I/O资源访问控制. 实验表明, 该机制提高了数据的隔离性与安全性, 仅对计算密集型、I/O密集型任务造成了较小的性能损耗.     

面向云存储的I/O资源效用优化调度算法研究

随着云计算的普及,越来越多的客户选择使用基于云的服务,以避免冗余的设施购买费用和繁杂的系统设计与维护,从而将精力集中在自己的专业领域.通常,云服务的客户从云服务供应商购买虚拟机,并根据双方商定达成的服务水平目标(service level objective,SLO)约束购买到的计算资源.分布式存储中大量的文件分布在不同的存储节点上,现有的CPU、内存以及带宽等资源的分配调度算法并不适用磁盘I/O资源.从云服务提供商的角度来说,高效用的I/O资源调度算法有利于提高其系统的利用率,节约资源开销并增加企业收益率.从云存储提供商为获取高效率高收益率的角度考虑,通过对用户的虚拟机在不同存储节点上的访问特性建模,提出了一个新的自适应分布式I/O资源调度算法,简称为PC算法.PC算法能够:1)根据用户与服务商之间制定的SLO,动态地在各个存储节点中为每个虚拟机制定适当的局部SLO,满足虚拟机对个体节点的访问需求;2)为各虚拟机提供高效健壮的资源分配策略,既能尽可能利用I/O资源,又避免由无序的I/O资源竞争导致的虚拟机I/O资源饥饿.PC算法能够根据不同的I/O资源供应状况在两种调度策略间自动切换,当系统I/O资源充足时,算法采用最早截止时间优先算法(earliest deadline first,EDF)方式提高I/O资源使用率;反之则根据每个I/O请求的预计效益来提高总收益率.实验结果表明,在不采用预先设定虚拟机对各个节点访问量的前提下,PC算法能根据访问模式制定合理的资源分配,提高系统的I/O资源利用率和收益.     

桌面网格环境下虚拟化技术的应用研究

桌面网格是典型的异构计算资源环境,而虚拟化技术具有良好的封装性及隔离性,能整合异构资源并屏蔽不同操作系统的差异。为此,基于VirtualBox虚拟机实现桌面网格系统。对虚拟机运行环境的配置参数进行测试,设计实现自适应内存配置模块。分析作业运行不同阶段硬盘I/O、带宽I/O等性能差异对作业运行效率的影响,并针对镜像多样性及虚拟机启动与带宽造成的损耗,设计远程镜像库及动态作业文件系统,实现虚拟机的多样性选择及作业运行环境的动态部署,同时使用缓存服务弥补因使用虚拟机所造成的损耗。应用结果表明,该系统能够较好地满足高能物理计算的需求。     

KVM虚拟化动态迁移技术的安全防护模型

虚拟机动态迁移技术是在用户不知情的情况下使得虚拟机在不同宿主机之间动态地转移,保证计算任务的完成,具有负载均衡、解除硬件依赖、高效利用资源等优点,但此技术应用过程中会将虚拟机信息和用户信息暴露到网络通信中,其在虚拟化环境下的安全性成为广大用户担心的问题,逐渐成为学术界讨论和研究的热点问题.本文从研究虚拟化机制、虚拟化操作系统源代码出发,以虚拟机动态迁移的安全问题作为突破点,首先分析了虚拟机动态迁移时的内存泄漏安全隐患;其次结合KVM(Kernel-based Virtual Machine)虚拟化技术原理、通信机制、迁移机制,设计并提出一种新的基于混合随机变换编码方式的安全防护模型,该模型在虚拟机动态迁移时的迁出端和迁入端增加数据监控模块和安全模块,保证虚拟机动态迁移时的数据安全;最后通过大量实验,仿真测试了该模型的安全防护能力和对虚拟机运行性能的影响,仿真结果表明,该安全防护模型可以在KVM虚拟化环境下保证虚拟机动态迁移的安全,并实现了虚拟机安全性和动态迁移性能的平衡.     

桌面虚拟化环境下的交互式性能优化

硬件辅助虚拟化的提出,极大地提高了全虚拟化的性能。但是全虚拟化下类似网络教室等桌面虚拟化应用,在交互式性能方面还存在较大局限。交互式性能主要受I/O性能的影响:一方面I/O设备属于慢速设备;另一方面全虚拟化中采用模拟方式来共享设备。对全虚拟化的交互式性能进行了改进,充分利用多核处理器的物理特征来部署配置虚拟机,根据用户行为动态调整虚拟机的使用资源,依据虚拟化特征进行I/O调度的优化。最后,通过评测实验证明了改进方案的有效性。     

一种动态优先级排序的虚拟机I/O调度算法

I/O任务调度是影响I/O密集型虚拟机性能的重要因素。现有调度方法主要是针对虚拟机整机I/O带宽的优化,较少兼顾各虚拟域与全局性能,也无法满足域间差异化服务的要求。针对现有方法的不足,提出了一种动态优先级排序的虚拟机I/O调度算法DPS。该算法基于多属性决策理论,以离差最大化方法计算I/O任务的优先级评估属性权重,对I/O任务优先级进行综合评估;通过引入任务所在虚拟域价值,体现云计算环境下虚拟域重要性差异。在Xen系统中通过实验评测DPS调度虚拟化网卡的性能,结果表明,DPS能够有效提高指定域与全局的I/O任务截止期保证率、整机I/O带宽,并能为不同虚拟域的I/O应用提供差异化服务。     

系统虚拟机关键技术研究

分析了系统虚拟机的基本原理;对系统虚拟机设计中的关键问题,包括处理器、内存和I/O设备的虚拟化、以及虚拟机的迁移进行了深入研究,分析了需要解决的问题,比较并总结了针对这些问题已提出的解决方法。探讨了基于虚拟机的各种应用,展望了虚拟机发展趋势。     

基于VT-x技术的xen虚拟机扩展设备模组

X86平台虚拟化技术在网络和嵌入式应用中具有广阔的发展空间,但是虚拟机对硬件设备的高效访问是一个有待研究的问题.目前流行的xen虚拟机环境中使用设备模组为虚拟机提供模拟的设备,随着硬件技术的发展,这种方法逐渐成为提高I/O性能的一个瓶颈.文章给出一种扩展设备模组,为虚拟机提供一个访问真实设备的接口.介绍了其透明访问和SmartMapping两大特性.     

云存储上的I/O特征获取机制

为有效地获取云存储系统上的I/O特征,从云存储的体系结构出发,根据不同层面的结构特征提出一种层次化的I/O特征获取机制。该机制从全局云平台、集群和局部物理节点两个方面收集和分析云存储系统上的I/O特征数据,通过在云存储虚拟层嵌入监听模块来采集I/O特征,并通过统计分析模块对收集的数据做在线的分析。实验结果表明,该机制能够有效获取云存储系统的I/O特征,为云存储系统性能优化提供参考。     

一个Linux多路径磁盘过滤驱动程序

研究Linux系统中多路径磁盘过滤驱动程序的设计和实现。驱动程序将物理磁盘的多路径封装为一个虚拟没备。虚拟设备的I／O请求转发到磁盘设备上执行，由路径选择算法将主机的负载均衡地分配到各路径上。当路径发生故障时由驱动程序将失败的I／O请求切换到其它路径，屏蔽了路径故障。驱动程序利用多路径改善了主机的I／O性能，提高了系统的可用性。     

基于单根I/O虚拟化的密码设备中断频率优化方法

针对虚拟化环境下中断频率过大影响密码设备密码运算性能的问题,提出了一种降低中断频率的性能优化方法。首先建立了中断频率控制模型,通过实验验证了该模型的合理性和正确性;然后基于单根I/O虚拟化,在虚拟功能驱动层加入速度监测模块来实时监测加密速度的变化,并且当该模块监测到加密速度降低时自动调整虚拟功能中断频率上限,降低由中断频率过大带来的I/O传输消耗。实验结果表明,中断频率上限的调整显著提高了I/O密集型加密过程的加密速度。     

数字I/O模块的软件模拟研究

计算机监控系统广泛应用于众多领域，检测与控制模块是计算机监控系统直接跟被监控对象关联的输入输出（I/O）模块，学习和研究这些模块对计算机监控系统的开发、测试与教学等都具有重要意义。该文设计了一个虚拟I/O模块的硬件环境与通信协议，研究了串行通信数据的处理技术，对该虚拟模块进行了严格的测试，并给出了应用实例。     

Xen的I/O虚拟化性能分析与优化

在Credit算法应用中,由I/O事务唤醒的VCPU处于最高优先级BOOST状态,优先抢占PCPU资源,使I/O操作的响应速度提高,但多个虚拟机同时进行I/O操作时,会引起较长延时和公平性原则被破坏问题.针对这个问题,研究分析SEDF算法、Credit算法、Credit2算法,提出L-Credit调度算法解决多个虚拟机同时进行I/O操作引起响应延迟的问题.通过监测I/O设备环共享页面中响应和请求的个数的方法,对处于BOOST状态下I/O操作进一步细化排序,使稀疏型I/O操作较密集型I/O操作先调用执行.通过对L-Credit算法与Credit算法在同一应用场景下反复对比实验,得出L-Credit算法可以提高I/O响应性能,并且继承了Credit算法负载均衡和按比例公平共享的特点.     

基于嵌入式uClinux系统驱动程序设计研究

分析了嵌入式uClinux设备驱动程序设计的开发特性,如对系统统一接口函数等进行了较为详细的分析讨论。采用模块化设计思想,给出了PCI接口卡驱动程序中设备初始化／卸载、打开／关闭、中断处理、I／O读写、I／0控制等各模块在设计中实现的关键流程及算法,并强调了驱动程序开发设计中的关键要点。同时在PCI驱动程序编写设计中引进了系统内核设计时常使用的下半部和临界区保护机制,不仅大大减小了PCI接口视频采集卡数据丢失率,同时也提高了系统的实时性和稳定性。     

协作型虚拟机中设备虚拟化研究

针对当前系统虚拟化中设备模型难以通用、I/O执行效率低等问题,提出一种基于多核平台的设备虚拟化方案。将传统的消息式I/O处理转换成实时I/O处理,通过I/O传递协议消除I/O处理部件与虚拟机监控器(VMM)的紧耦合,在改善I/O处理效率的同时,提高设备虚拟化模型的通用性,结合协作型VMM完成对设备虚拟化的设计与实现。测试结果表明,该方案能提升I/O执行效率,适用于多种虚拟化系统。     

基于RAID50的存储系统高速缓存设计

设计了一种多个控制卡分条的RAID50模型和主机虚拟卷地址到所属高级别阵列、低级别阵列分条的二级地址映射模式，以提高I/O访问的并发性。定义多个连续I/O块为扩展块并等同于Cache页大小，且作为RAID50传输粒度，进一步改善内存与存储设备之间的传输效率。设计了基于Cache描述符控制块的哈希链式查找算法和基于Cache页访问频率计数的二次机会置换算法，实现了一种主机数据接收与RAID50存储设备预读并发进行的策略。结果表明，该设计有效地提高了存储系统的I/O性能。     

基于Pro/E的虚拟拆装系统

为实现快速、有效、低成本的部队维修训练,通过分析虚拟拆装系统的需求,构建基于Pro/E的虚拟拆装系统,其中包括I/O设备、虚拟拆装环境管理、数据库和性能测试模块,给出与I/O设备交互、虚拟拆装环境管理等系统实现的关键技术,通过Pro/E二次开发验证该系统的可行性和有效性。