分布式虚拟机监控器时钟系统性能优化方法研究

分布式虚拟机监控器（DVMM）的时钟系统是DVMM稳定运行的首要前提，现有的相关研究工作主要从时钟源、定时和同步方法等方面来开展。针对DVMM环境下的时钟系统较之单宿主机虚拟化环境面临着更严峻的定时和同步等挑战，但现有研究在中断改进和时钟同步等方面存在不足的问题，以及时钟中断是DVMM中时钟系统的性能瓶颈的现状，从时钟中断优化理论入手，基于时钟中断在DVMM时钟系统中的生命周期，以提高定时和同步精度为目标，研究一种基于时钟中断改进的DVMM时钟系统性能优化新方法（首先建立DVMM的时钟数据结构，然后优化虚拟时钟中断注入方法，最后建立跨宿主机的虚拟处理器同步算法，再建立原型系统验证）。本项目从时钟中断优化理论入手，理论与实践互相促进，以实践为目标，对DVMM的服务效率、系统稳定性和可扩展性等都具有重要的研究和工业实践意义。

时钟系统是分布式虚拟机监控器(DVMM)的关键组成部分，直接影响DVMM整体性能。目前DVMM时钟系统面临如下问题：虚拟处理器有效利用率不高，大量处理器时间消耗于处理时钟中断；客户操作系统内核中与时钟相关的数据结构被频繁争用，进一步降低了系统性能；分布式环境下的虚拟时钟设备之间同步延迟较大，导致整体时钟计时精度较低。针对以上问题，课题对时钟系统性能进行了优化，提高了DVMM系统的性能，使其更好地发挥在资源整合利用方面的优势。本课题分别从DVMM时钟数据结构争用、虚拟时钟中断注入方法、和时钟同步方法等方面分析了时钟系统中的性能瓶颈，研究了相应的优化方法，提高了DVMM时钟性能，并实现了一套原型系统。研究内容和成果如下：. (1)研究了一种新型DVMM时钟数据结构。分布式虚拟处理器的时钟中断处理函数在操作共享的时钟数据结构时，会使得该结构所在的内存页面在不同的物理机器之间迁移频繁，导致系统效率大大降低。针对此问题，我们分析了争用频率最高的部分函数和其争用频率，以及不同时钟中断频率下系统的性能指标，在此基础上提出了新的DVMM时钟数据结构，通过减少自旋锁的争用并将自旋锁函数编译在不同页面中，同时选择最优的时钟中断频率，从而提高了DVMM时钟系统的性能。. (2)研究了虚拟时钟中断注入优化新方法。课题分析DVMM这种特殊应用环境下的时钟中断特征，针对DVMM环境下时钟中断频率过高从而造成较大系统开销的问题，提出改进虚拟时钟中断流程，通过循环等待、放弃中断补偿、降低中断频率等方式优化中断流程，提高了DVMM时钟系统性能。. (3)研究了基于处理器间中断的时钟同步新方法。分布式虚拟机监控器由于分布式的特点，其时钟同步需要跨处理器间时钟中断的支持，以及跨处理器时钟中断基础上的高效时钟同步算法。针对该问题，我们设计了跨处理器的时钟中断模拟方法，借助硬件辅助虚拟化技术扩展了处理器间中断，并实现了启动时和运行时的同步算法，提高了DVMM的时钟系统性能。. (4)实现了一套原型系统。本课题基于开源虚拟机监控器Xen，在实现了DVMM原型系统的基础上优化了其中的时钟系统。. 通过本课题我们取得的成果包括：DVMM时钟原型系统一套，SCI论文5篇，EI论文14篇，专利7篇(已转让华为公司)。培养了多名研究生，其中博士生4人，硕士生12人。