云计算环境中内存的弹性分配和调度

Various resource overcommitment is implemented via elastic scheduling in virtualized cloud computing platform, and thus resource utilization can be further increased. Efficient and elastic memory allocation and scheduling for virtual machines is one of the most important factors to improve the whole efficiency of cloud platform. Although a amount of effective virtualized memory management technologies, used to enhance memory utilization on virtualization platform, have been put forward, all of these technologies can do nothing to do with the performance degradation incurred by guest swapping inside VM and implement memory scheduling across hosts. Beginning with the guest swapping issue on cloud platform, this project takes a way, completely transparent to guest VM, which sythetically utilizes local memory, remote memory and local storage to establish a multi-level guest swapping mechanism. On one hand, the idle memory within VMs can be reclaimed dynamically using a ballooning technique based on the performance parameter model; on the other hand, this project uses memory to help guest swapping, so as to break the memory limit within a physical host and allocate extra memory to the VM under a high memory pressure in a flexible way. Some optimization strategies are explored to improve the efficient memory allocation among multiple VMs on demand, and thus the whole memory utilization on cloud platform can be further balanced. This project can provide new ideas and directions of research on elastic memory sharing and allocation, further improve memory resource utilization, and decrease service cost. It is of a great practical value and application prospect.

虚拟化云计算平台通过弹性调度来实现各种资源的过量使用，从而进一步提高资源利用率。其中高效的虚拟机内存资源弹性分配和调度是提高整个云平台效率的关键问题之一。虽然已经有许多有效的虚拟化内存管理技术来提高云平台中内存利用率，但都无法直接有效解决客户机换页带来的性能损耗和跨物理主机的内存调度。本课题从客户机换页问题出发，采用对客户机操作系统完全透明的方法，综合使用本地内存、网络内存和本地磁盘构建多级的客户机换页机制。一方面基于所构建的性能参数模型通过气球技术动态回收各个虚拟机内的闲置内存，另一方面通过内存换页的灵活方式打破单个物理主机的限制对内存紧缺的虚拟机进行资源调度，并通过优化策略促进内存资源按需地在各个虚拟机之间高效流动，从而综合平衡整个云平台的内存分配。本课题研究将为内存的弹性共享与分配研究增加新的思路和方向，进一步提高内存资源整体利用率，降低服务成本，具有良好的实用价值和显著的应用前景。

虚拟化技术作为云计算的核心技术，占据了较高的地位。虚拟化云计算平台通过资源的弹性调度来实现资源利用率的最大化。高效的虚拟机内存资源弹性分配和调度是提高整个云平台效率的关键问题之一。在虚拟化平台中，高内存需求的应用程序经常会触发客户机换页操作，这导致该虚拟机内外均性能下降。客户机操作系统不知道虚拟机监视器（VMM）的存在，同时VMM所监控到的内存资源使用情况与客户机操作系统看到的内存资源都是固定不变的，这是由于VMM和客户机操作系统之间存在“语义鸿沟”问题，导致虚拟化云平台中弹性内存的实现面临较大的障碍。本项目从客户机内存弹性分配与调度出发来有效地提高云计算平台的资源利用率。通过对客户机换页行为特征的深入分析，设计并实现了一种分布式的可扩展的框架HybridSwap。它基于气球技术使用不同的策略动态地构建虚拟交换池，并以对等方式建立综合客户机换页机制，可以自适应地选择不同的虚拟交换池。我们实现了HybridSwap的原型，并用不同的基准测试进行了评估。本项目圆满完成了目标，评估结果表明，我们的方法的确有能力来提高客户机换页的效率，并在一些情况下展现了双倍的性能提升。甚至在最坏的情况下，HybridSwap带来的系统开销也是可接受的。