虛擬機(jī)熱遷移技術(shù)介紹

本文分享自天翼云開發(fā)者社區(qū)《虛擬機(jī)熱遷移技術(shù)介紹》，作者：潘****東

什么是虛擬機(jī)熱遷移

虛擬機(jī)熱遷移（Virtual Machine Live Migration）是一種技術(shù)，它允許在不中斷虛擬機(jī)運(yùn)行的情況下將虛擬機(jī)從一臺(tái)物理主機(jī)遷移到另一臺(tái)物理主機(jī)。

傳統(tǒng)上，當(dāng)需要遷移虛擬機(jī)時(shí)，必須先將虛擬機(jī)關(guān)機(jī)，然后將虛擬機(jī)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)從源主機(jī)復(fù)制到目標(biāo)主機(jī)，最后再啟動(dòng)虛擬機(jī)。這種關(guān)機(jī)遷移方式會(huì)導(dǎo)致虛擬機(jī)暫時(shí)不可用，造成服務(wù)中斷和用戶體驗(yàn)下降。

而虛擬機(jī)熱遷移則克服了這個(gè)問題，它允許在虛擬機(jī)繼續(xù)運(yùn)行的同時(shí)將其遷移到新的物理主機(jī)上。這意味著虛擬機(jī)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)可以在遷移過程中實(shí)時(shí)復(fù)制，并在遷移完成后立即在目標(biāo)主機(jī)上繼續(xù)運(yùn)行，幾乎沒有對(duì)用戶的可見中斷。

虛擬機(jī)熱遷移通常由虛擬化管理軟件（如VMware vSphere、Microsoft Hyper-V、OpenStack等）提供支持。它需要源主機(jī)和目標(biāo)主機(jī)之間的高速網(wǎng)絡(luò)連接，以便實(shí)時(shí)復(fù)制虛擬機(jī)的內(nèi)存、磁盤和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

虛擬機(jī)熱遷移的應(yīng)用場(chǎng)景包括負(fù)載均衡、資源優(yōu)化、硬件維護(hù)和故障恢復(fù)。通過將虛擬機(jī)從一個(gè)主機(jī)遷移到另一個(gè)主機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度和平衡，提高系統(tǒng)的可用性和靈活性。同時(shí)，用戶可以在不中斷服務(wù)的情況下對(duì)物理主機(jī)進(jìn)行維護(hù)或故障恢復(fù)操作，提高系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。

常見的虛擬機(jī)遷移方法

Pre-Copy算法

Pre-copy算法是一種用于虛擬機(jī)熱遷移的優(yōu)化算法，它通過多次迭代的方式在源主機(jī)和目標(biāo)主機(jī)之間傳輸虛擬機(jī)的內(nèi)存頁面，以減少遷移過程中的傳輸數(shù)據(jù)量和遷移時(shí)間。

Pre-copy算法的基本思想是先快速遷移虛擬機(jī)的初始內(nèi)存狀態(tài)，然后在后續(xù)迭代中傳輸變化的內(nèi)存頁面，直到達(dá)到一定的收斂條件。這樣可以在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)遷移，并最大程度上減少虛擬機(jī)的停機(jī)時(shí)間和用戶的感知中斷。

下面是Pre-copy算法的基本步驟：

1.初始遷移（Initial Migration）：在遷移開始時(shí)，首先將虛擬機(jī)的初始內(nèi)存頁面從源主機(jī)傳輸?shù)侥繕?biāo)主機(jī)。這一階段通常采用較高的帶寬傳輸，以盡快完成初始遷移，但并不要求完全傳輸所有內(nèi)存頁面。

2.迭代傳輸（Iterative Transfer）：在初始遷移完成后，源主機(jī)和目標(biāo)主機(jī)開始進(jìn)行迭代傳輸。在每次迭代中，源主機(jī)會(huì)將虛擬機(jī)內(nèi)存頁面的變化部分傳輸給目標(biāo)主機(jī)。這些變化部分通常是在初始遷移后發(fā)生的寫操作引起的。目標(biāo)主機(jī)接收到變化頁面后，會(huì)將其合并到已經(jīng)遷移的內(nèi)存中。

3.收斂判斷（Convergence Check）：在每次迭代傳輸后，需要進(jìn)行收斂判斷。收斂判斷是根據(jù)一定的準(zhǔn)則來判斷是否繼續(xù)迭代傳輸。例如，可以設(shè)置一個(gè)閾值，當(dāng)變化頁面的比例低于閾值時(shí)，認(rèn)為遷移已經(jīng)收斂，停止迭代。

4.完成遷移（Migration Completion）：當(dāng)收斂判斷滿足時(shí)，表示遷移已經(jīng)完成。此時(shí)，目標(biāo)主機(jī)上的虛擬機(jī)已經(jīng)包含了源主機(jī)上所有的內(nèi)存頁面，并且在遷移過程中的變化頁面也已經(jīng)傳輸完畢。虛擬機(jī)可以在目標(biāo)主機(jī)上繼續(xù)運(yùn)行，而用戶幾乎感知不到中斷。

Pre-copy算法的優(yōu)勢(shì)在于它可以快速進(jìn)行初始遷移，并通過迭代傳輸?shù)姆绞綔p少后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸量。這樣可以在有限的時(shí)間內(nèi)完成遷移，并減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。然而，Pre-copy算法也存在一些挑戰(zhàn)，如對(duì)網(wǎng)絡(luò)延遲和帶寬的敏感性，以及在高寫入負(fù)載下的遷移效果下降等問題。因此，實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體情況選擇合適的遷移算法和策略。

Post-Copy算法

Post-Copy算法是虛擬機(jī)熱遷移中的一種優(yōu)化算法，它與Pre-copy算法相反。Post-Copy算法的基本思想是先遷移虛擬機(jī)的控制流程，然后在后續(xù)迭代中逐步傳輸虛擬機(jī)的內(nèi)存頁面。

下面是Post-Copy算法的基本步驟：

1.初始遷移（Initial Migration）：與Pre-copy算法類似，初始遷移階段將虛擬機(jī)的初始內(nèi)存頁面從源主機(jī)傳輸?shù)侥繕?biāo)主機(jī)。這確保了虛擬機(jī)的控制流程可以在目標(biāo)主機(jī)上執(zhí)行。

2.內(nèi)存頁面?zhèn)鬏敚∕emory Page Transfer）：在初始遷移完成后，目標(biāo)主機(jī)上的虛擬機(jī)開始運(yùn)行，但其內(nèi)存中只包含部分內(nèi)存頁面，還有一些頁面尚未傳輸?shù)侥繕?biāo)主機(jī)。當(dāng)虛擬機(jī)試圖訪問尚未傳輸?shù)捻撁鏁r(shí)，會(huì)發(fā)生缺頁中斷。在缺頁中斷發(fā)生時(shí)，源主機(jī)會(huì)將缺失的內(nèi)存頁面?zhèn)鬏斀o目標(biāo)主機(jī)，以滿足虛擬機(jī)的需求。

3.缺頁中斷處理（Page Fault Handling）：目標(biāo)主機(jī)接收到缺失的內(nèi)存頁面后，會(huì)將其插入到虛擬機(jī)的內(nèi)存中，并繼續(xù)執(zhí)行虛擬機(jī)的控制流程。這個(gè)過程可能會(huì)引發(fā)新的缺頁中斷，如果發(fā)生新的缺頁中斷，源主機(jī)會(huì)再次傳輸缺失的頁面。

4.收斂判斷（Convergence Check）：在每次缺頁中斷處理后，會(huì)進(jìn)行收斂判斷，判斷是否繼續(xù)傳輸缺失的內(nèi)存頁面。通常，可以設(shè)置一個(gè)收斂條件，例如傳輸?shù)捻撁鏀?shù)量或時(shí)間間隔。如果達(dá)到收斂條件，則認(rèn)為遷移已經(jīng)收斂，停止傳輸。

5.完成遷移（Migration Completion）：當(dāng)收斂判斷滿足時(shí)，表示虛擬機(jī)的內(nèi)存頁面已經(jīng)在遷移過程中逐步傳輸完畢。虛擬機(jī)可以在目標(biāo)主機(jī)上繼續(xù)運(yùn)行，并且用戶的感知中斷時(shí)間較短。

Post-Copy算法的優(yōu)勢(shì)在于它可以快速啟動(dòng)虛擬機(jī)，并減少初始遷移所需的時(shí)間和帶寬。它將重點(diǎn)放在遷移虛擬機(jī)的控制流程，盡快使虛擬機(jī)在目標(biāo)主機(jī)上運(yùn)行，而不必等待所有內(nèi)存頁面的傳輸。然后，通過缺頁中斷處理逐步傳輸缺失的頁面，減少了對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。

然而，Post-Copy算法的缺點(diǎn)是在遷移過程中可能會(huì)發(fā)生頻繁的缺頁中斷，對(duì)應(yīng)用程序的性能產(chǎn)生一定影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要權(quán)衡遷移時(shí)間和應(yīng)用程序性能，并根據(jù)具體情況選擇合適的遷移算法。

Pre-Copy算法和Post-Copy的對(duì)比

1.遷移策略：

Pre-copy算法：Pre-copy算法采用先傳輸內(nèi)存頁面再執(zhí)行虛擬機(jī)的策略。它在初始遷移階段快速將虛擬機(jī)的初始內(nèi)存頁面?zhèn)鬏數(shù)侥繕?biāo)主機(jī)，然后通過多次迭代傳輸變化的內(nèi)存頁面。這種策略可以在較短時(shí)間內(nèi)完成遷移，減少虛擬機(jī)的停機(jī)時(shí)間。

Post-Copy算法：Post-Copy算法采用先遷移控制流再逐步傳輸內(nèi)存頁面的策略。它在初始遷移階段快速啟動(dòng)虛擬機(jī)，并將部分內(nèi)存頁面?zhèn)鬏數(shù)侥繕?biāo)主機(jī)，然后通過缺頁中斷處理逐步傳輸缺失的頁面。這種策略可以在較短時(shí)間內(nèi)使虛擬機(jī)在目標(biāo)主機(jī)上運(yùn)行，并減少初始遷移所需的時(shí)間和帶寬。

2.遷移效果：

Pre-copy算法：Pre-copy算法可以快速進(jìn)行初始遷移，并在后續(xù)迭代中逐步傳輸變化的內(nèi)存頁面。這樣可以最大程度上減少虛擬機(jī)的停機(jī)時(shí)間和用戶的感知中斷。然而，在高寫入負(fù)載下，Pre-copy算法可能需要頻繁迭代傳輸內(nèi)存頁面，導(dǎo)致遷移效果下降。

Post-Copy算法：Post-Copy算法將重點(diǎn)放在遷移控制流程上，盡快使虛擬機(jī)在目標(biāo)主機(jī)上運(yùn)行，并通過缺頁中斷處理逐步傳輸內(nèi)存頁面。這種方式可以減少初始遷移所需的時(shí)間和帶寬，并在遷移過程中逐步恢復(fù)虛擬機(jī)的完整內(nèi)存狀態(tài)。然而，在遷移過程中可能會(huì)發(fā)生頻繁的缺頁中斷，對(duì)應(yīng)用程序的性能產(chǎn)生一定影響。

3.帶寬需求：

Pre-copy算法：Pre-copy算法在初始遷移階段需要較高的帶寬來快速傳輸初始內(nèi)存頁面，后續(xù)迭代傳輸?shù)膸捫枨筝^低，因?yàn)橹粋鬏斪兓膬?nèi)存頁面。但是，如果遷移過程中發(fā)生大量頁面變化，仍然可能需要較高的帶寬來支持迭代傳輸。

Post-Copy算法：Post-Copy算法在初始遷移階段只傳輸部分內(nèi)存頁面。

在KVM中實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)熱遷移

要在KVM中實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的熱遷移，可以按照以下步驟進(jìn)行操作：

1.確保基礎(chǔ)設(shè)置：

確保源主機(jī)和目標(biāo)主機(jī)之間具有網(wǎng)絡(luò)連通性，可以相互訪問。

確保源主機(jī)和目標(biāo)主機(jī)具有相同的CPU類型和體系結(jié)構(gòu)，以確保遷移的兼容性。

2.配置共享存儲(chǔ)：

確保源主機(jī)和目標(biāo)主機(jī)可以訪問共享的存儲(chǔ)資源，如共享存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN）或網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS）。

在源主機(jī)和目標(biāo)主機(jī)上設(shè)置相同的存儲(chǔ)路徑，以便虛擬機(jī)的磁盤鏡像可以在遷移過程中保持一致。

3.啟用遷移支持：

在KVM宿主機(jī)上啟用虛擬機(jī)熱遷移的支持。這通常需要在主機(jī)的KVM配置文件中設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如將遷移模式設(shè)置為"live"。

也可以使用管理工具（如libvirt或virsh命令）來啟用遷移支持。 

4.執(zhí)行虛擬機(jī)熱遷移：

使用管理工具（如libvirt或virsh命令）執(zhí)行虛擬機(jī)熱遷移操作。例如，使用virsh命令可以執(zhí)行以下命令：virsh migrate --live <虛擬機(jī)名稱> qemu+tcp://<目標(biāo)主機(jī)IP>/system

5.監(jiān)控遷移過程：

在遷移過程中，可以使用工具或命令來監(jiān)控遷移的進(jìn)度和狀態(tài)。例如，使用virsh命令的migrate子命令可以查看遷移狀態(tài)。

6.完成遷移：

一旦所有的內(nèi)存頁面和虛擬機(jī)狀態(tài)都被傳輸?shù)侥繕?biāo)主機(jī)，并且虛擬機(jī)在目標(biāo)主機(jī)上完全恢復(fù)，遷移過程就完成了。

在目標(biāo)主機(jī)上驗(yàn)證虛擬機(jī)的正常運(yùn)行和配置是否正確。

參考KVM熱遷移指南：https://www.linux-kvm.org/page/Migration