虚拟计算环境下磁盘资源管理机制的研究

计算系统虚拟化技术是十大IT 关键技术之一，我国已将虚拟计算系统定位于面向国家重大战略需求的基础研究。当前虚拟计算环境下，由于虚拟化技术将计算资源抽象分离，造成磁盘协议栈的复杂和信息感知的障碍，使得现有磁盘IO调度算法效率急速降低；另外，同一物理资源集上同时运行多个虚拟机导致虚拟机间相互影响，急需磁盘带宽控制保证磁盘服务质量。针对这些问题，本项目将在虚拟计算环境下，为用户设计一套高效率的磁盘IO调度算法和磁盘带宽控制机制。首先，通过时序分析提取虚拟计算系统磁盘负载的特点，并使用Black-box和预测行为方式为虚拟计算系统的磁盘协议栈建模；然后，利用多点感知的方式为磁盘IO调度算法建立磁盘请求的统一视图并通过磁盘协议栈模型优化磁盘IO调度算法；接着，通过多队列方式实现磁盘带宽控制，并使用反馈机制协调磁盘IO调度算法和磁盘带宽控制机制；最后，优化CPU调度算法，在CPU层次上提高虚拟机性能。

当前虚拟计算环境下，由于虚拟化技术将计算资源抽象分离，造成磁盘协议栈的复杂和信息感知的障碍，使得现有IO调度算法效率急速降低。另外，同一物理资源集上同时运行多个虚拟机导致虚拟机间相互影响，需要磁盘带宽控制保证磁盘服务质量。针对这些问题，本项目首先研究定义了虚拟计算系统中的CPU开销指标，并在Xen上设计开发了一个虚拟计算系统，基于Xentrace和Xenrelay引擎，能够准确的获取各个DomU、Dom0的CPU使用情况，以及测量周期内Xen Hypervisor的CPU开销，对其进行测量和分析，提出了如何在利用率和有效资源间进行调配和权衡；同时，本项目研究分析了虚拟磁盘性能的隔离性，提出了一种动态的磁盘带宽分配机制，在Xen前后端设备驱动模型的后端驱动中采用改进的令牌桶算法，实现了对虚拟机带宽的细粒度分配和控制；另外，为了缓解虚拟化环境下I/O竞争，本项目也提出了一个VMM层的两层磁盘调度框架（flubber），该调度框架分别通过带宽控制和延时控制，从而在保证磁盘I/O效率的同时又保证虚拟机的I/O延时和吞吐量需求。最后，针对Xen半虚拟化计算环境下的语义隔阂，本项目在Dom0中实现了可感知虚拟机内部进程的预测调度算法，实验证明了在VMM层的进程感知提升了系统总体的磁盘读速度。