虚拟化环境中高效节能的内存资源动态管理技术研究

In virtualization environments,it remains a challenging problem to efficiently share memory resource and satisfy the dynamic memory requirements of virtual machines(VM).Current VM memory managements all adopts a approach of static configuration combining with dynamic adjustment using ballooning mechanism.This model constrains to an upper bound of memory allocation, has low efficiency of memory usage and is unsuitable for memory energy-saving.This proposal introduces a noval approach to memory management for VMs. It would improve the efficieny of memory usage while taking into account the memory energy-saving.We plan to conduct the following investigation.First,we plan to study a model of dynamic memory allocation for VM based on discrete distribution of VM's address space.The model is able to achieve completely on-demand allocation and sharing of memory resource among VMs. Second, we plan to study virtualization-oriented memory hotplugging technique, which is able to extend a VM's memory address space dynamically. By doing so, VM memory allocations would never constrain to an upper bound that is configured at boot time, and the application's dynamic memory requirements would be always satisfied if the physical memory is applicable in a host.Third, we plan to study rank-aware memory energy-saving technique in virtualization environments. We will design energy-aware and high-efficiecy page migration algorithm and power state dynamic control algorithm with optimal energy delay product by leveraging the temporal and spacial characteristics of page access pattern. At last,we plan to study the fairness of VM memory allocation and design dynamic memory balancing algorithm so as to avoid performance interference among multiple VMs due to memory resource contentions.

在虚拟化环境中，高效地共享内存资源并满足虚拟机的动态内存需求是一个很大的挑战。当前虚拟机内存管理采用的"静态配置+动态调整（ballooning机制）"模式存在内存分配无法突破边界上限、分配和利用效率低下及不利于内存能耗控制等问题。本课题拟提出一种全新的虚拟机内存资源管理模式，保证内存高效利用的同时兼顾内存节能。拟开展以下工作：1)研究基于地址空间离散分布的虚拟机内存动态分配模型，真正实现内存资源的按需分配和共享；2)研究面向虚拟化的内存热插拔技术，实现虚拟机的内存地址空间动态扩展，使内存分配不再受限于静态配置上限，保障负载的动态内存需求；3)研究面向虚拟化环境的rank可感知的内存节能技术，综合利用内存页面的时空特性，设计能耗可感知的高效内存页面迁移算法及具有最佳"能耗o延迟"的内存能耗控制算法；4)研究基于公平性原则的虚拟机内存动态平衡算法，避免多虚拟机间由于内存竞争而带来的性能干扰。

在虚拟化环境中，高效地共享内存资源并满足虚拟机的动态内存需求是一个很大的挑战。当前虚拟机内存管理采用的"静态配置+动态调整（ballooning机制）"模式存在内存分配无法突破边界上限、分配和利用效率低下及不利于内存能耗控制等问题。本课题提出一种全新的虚拟机内存资源管理模式，保证内存高效利用的同时兼顾内存节能。主要研究工作如下：1)提出了基于地址空间离散分布的虚拟机内存动态分配模型，便于实现内存资源的按需分配和共享，以及内存节能；2)实现了面向虚拟机的内存热插拔技术，实现虚拟机的内存地址空间动态扩展, 实验发现内存热插拔和气球机制在内存动态分配的开销上旗鼓相当，但内存热插拔可以更好地满足应用程序对内存的需求，大幅提高程序的运行性能，如可以降低TPC-C平均响应时间92%，提高吞吐率达93%；3)研究了rank可感知的内存节能技术，设计了具有最佳"能耗*延迟"的内存能耗控制算法；4) 提出了互惠公平的多虚拟机内存动态分配算法，并设计了云环境下多租户之间资源动态分配的模型进行验证,可以保证多租户95%的经济公平性，平均提升应用程序的性能达45%，增加虚拟机密度和云服务提供商收益1.2倍。..项目在IEEE TPDS、TC、TCC等高档次学术会议和期刊共发表和录用了15篇学术论文，其中SCI/EI刊物9篇，CCF推荐的A/B类学术刊物5篇，IEEE Transactions 4篇，申请中国专利5项，软件著作版权2项，完成了项目预取目标。此外，对相关系统代码进行开源并得到了关注，部分成果已被企业应用。