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虚拟机快速透明的迁移 摘要 本文描述了一个系统的设计和实现，这个系统通过使用虚拟机技术来实现应用程序的快速、透明迁移。这个系统是第一个能够将未修改的应用程序迁移至未修改的基于x86的主流操作系统上，包括Windows，Linux和Novell NetWare等。不管是应用程序还是与应用程序通讯的客户端都感觉不到这种迁移。从测试数据我们可以看出，这种迁移导致的应用程序的暂停时间不超过1秒。 绪论 快速透明的迁移能够让整个系统在物理机器上实现负载均衡，同时通过将应用程序从需要服务和更新的机器上迁移到别的机器上，可以提高系统的可用性和服务性。本文介绍了一个叫VMotion的系统，自从2003年以来，它都是VMware VirtualCenter中的一个组成部分。将来VMware的产品会使用VMotion在大量服务器上实现自动负载均衡。 本文做了以下贡献： 本文第一次描述了能够在现有的应用程序和操作系统上实现虚拟机的快速透明迁移的系统，而应用程序和操作系统都不需要修改。 本文第一次使用标准测试程序来测试数百个虚拟机迁移的性能。 本文描述了虚拟机迁移时的开销和所需资源。 虚拟机迁移 虚拟机迁移需要一个正在运行的虚拟机，并将它从一个物理机器迁移到另一个物理机器。这种迁移对上层的guest OS，运行在guest OS上的应用程序以及虚拟机的远程客户端来说必须是透明的。用户几乎察觉不到什么变化，唯一可以感觉到的应该是在迁移过程中程序运行速度会变慢，而在迁移后系统的性能可能会提高，那是因为虚拟机迁移到一个拥有更多可用资源的机器上了。 本文介绍的虚拟机迁移系统是VMware VirtualCenter产品中的一部分，它管理着VMware ESX Server。VMware ESX Server的虚拟化平台由以下两部分构成：虚拟机监视器（VMM）和虚拟机内核（vmkernel）。Guest OS如Windows、Linux都运行在虚拟化平台的最上层（见图1）。虚拟机监视器处理所有运行在虚拟CPU上的指令并且模拟所有的虚拟设备。虚拟机内核调度虚拟机的运行并分配和管理虚拟机所需的资源。 图1.VMware ESX Server的虚拟机平台层次结构 通过封装虚拟机运行时所有软硬件状态，虚拟机提供了一个很好的平台来实现迁移。当虚拟机进行迁移时需要处理以下三种状态： 虚拟设备的状态，包括CPU、主板、网络和存储适配器、软盘和显卡的状态。 设备的外部连接状态，包括网络、USB设备、SCSI存储设备、可移动媒体设备如CDROM。 虚拟机的物理内存。 实际上，虚拟机的迁移是个复杂的过程： 迁移过程的初始化：选择需要迁移的虚拟机以及迁移的目标机。 当虚拟机正在运行时，预拷贝虚拟机的内存状态到目标机。 暂停虚拟机并将非存储状态发送到目标机。 将虚拟机的控制状态发送到目标机并在目标机上恢复虚拟机的执行。 发送剩余的存储状态到目标机，删除源机器上的依赖关系。 剩下的章节我们将谈到组成虚拟机最重要的三个组成部分的迁移过程，它们是：网络、SCSI存储设备和物理内存。 网络：为了实现透明的虚拟机迁移，迁移前开放的网络连接在迁移完成后仍需对外开放，VMware ESX Server的网络结构使这种迁移成为了可能。 虚拟以太网卡是VMware ESX Server虚拟平台的一部分，就像物理网卡一样，虚拟网卡也有一个在本地网络上独一无二的MAC地址。一个虚拟网卡可以对应一个或多个物理网卡，虚拟内核管理着这种映射关系。同样地，多个虚拟机的网卡也可以映射到同一个物理网卡。 由于每一个虚拟网卡都有一个与物理网卡独立的MAC地址，只要目标机与源机器位于同一个子网中，我们就可以迁移正在运行的虚拟机而保持网络连接活跃。 SCSI存储：我们使用存储域网络（SAN）或NAS来迁移SCSI设备的连接状态。假设所有迁移中的物理机器都连接到相同的SAN或NAS服务上。这样我们可以通过在目标机上重新恢复磁盘的连接状态来迁移SCSI磁盘。 物理内存：虚拟机上物理内存的状态是迁移过程中需要处理的最重要的一个状态。通过暂停虚拟机来传输内存状态会使虚拟很长时间都不能对外提供服务。我们需要处理的问题是如何才能在虚拟机运行时将内存状态从源机器拷贝到目标机上。通过改变管理虚拟机内存的方式就可以实现动态迁移。 每个虚拟机都期望能有一段映射到固定地址范围的内存空间，VMware ESX Server动态的为每个虚拟机分配实际机器上的内存。这需要增加一个间接映射层来完成这一功能。所有直接对虚拟机内存进行的写操作和对页表的写操作都将被VMM截获，然后VMM将虚拟机物理地址映射到机器地址。一旦设置好虚拟机的内存映射部件和页表，虚拟机在运行过程中就不会在地址翻译上产生额外的开销。 当虚拟机在