虛擬機熱遷移技術(shù)介紹

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

什么是虛擬機熱遷移

虛擬機熱遷移（Virtual Machine Live Migration）是一種技術(shù)，它允許在不中斷虛擬機運行的情況下將虛擬機從一臺物理主機遷移到另一臺物理主機。

傳統(tǒng)上，當(dāng)需要遷移虛擬機時，必須先將虛擬機關(guān)機，然后將虛擬機的狀態(tài)和數(shù)據(jù)從源主機復(fù)制到目標(biāo)主機，最后再啟動虛擬機。這種關(guān)機遷移方式會導(dǎo)致虛擬機暫時不可用，造成服務(wù)中斷和用戶體驗下降。

而虛擬機熱遷移則克服了這個問題，它允許在虛擬機繼續(xù)運行的同時將其遷移到新的物理主機上。這意味著虛擬機的狀態(tài)和數(shù)據(jù)可以在遷移過程中實時復(fù)制，并在遷移完成后立即在目標(biāo)主機上繼續(xù)運行，幾乎沒有對用戶的可見中斷。

虛擬機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。它需要源主機和目標(biāo)主機之間的高速網(wǎng)絡(luò)連接，以便實時復(fù)制虛擬機的內(nèi)存、磁盤和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

虛擬機熱遷移的應(yīng)用場景包括負載均衡、資源優(yōu)化、硬件維護和故障恢復(fù)。通過將虛擬機從一個主機遷移到另一個主機，可以實現(xiàn)對資源的動態(tài)調(diào)度和平衡，提高系統(tǒng)的可用性和靈活性。同時，用戶可以在不中斷服務(wù)的情況下對物理主機進行維護或故障恢復(fù)操作，提高系統(tǒng)的可靠性和可維護性。

常見的虛擬機遷移方法

Pre-Copy算法

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

Pre-copy算法的基本思想是先快速遷移虛擬機的初始內(nèi)存狀態(tài)，然后在后續(xù)迭代中傳輸變化的內(nèi)存頁面，直到達到一定的收斂條件。這樣可以在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)遷移，并最大程度上減少虛擬機的停機時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，首先將虛擬機的初始內(nèi)存頁面從源主機傳輸?shù)侥繕?biāo)主機。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，源主機和目標(biāo)主機開始進行迭代傳輸。在每次迭代中，源主機會將虛擬機內(nèi)存頁面的變化部分傳輸給目標(biāo)主機。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)主機接收到變化頁面后，會將其合并到已經(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)置一個閾值，當(dāng)變化頁面的比例低于閾值時，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，表示遷移已經(jīng)完成。此時，目標(biāo)主機上的虛擬機已經(jīng)包含了源主機上所有的內(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。虛擬機可以在目標(biāo)主機上繼續(xù)運行，而用戶幾乎感知不到中斷。

Pre-copy算法的優(yōu)勢在于它可以快速進行初始遷移，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間內(nèi)完成遷移，并減少對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。然而，Pre-copy算法也存在一些挑戰(zhàn)，如對網(wǎng)絡(luò)延遲和帶寬的敏感性，以及在高寫入負載下的遷移效果下降等問題。因此，實際應(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的控制流程，然后在后續(xù)迭代中逐步傳輸虛擬機的內(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的初始內(nèi)存頁面從源主機傳輸?shù)侥繕?biāo)主機。這確保了虛擬機的控制流程可以在目標(biāo)主機上執(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)主機上的虛擬機開始運行，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。當(dāng)虛擬機試圖訪問尚未傳輸?shù)捻撁鏁r，會發(fā)生缺頁中斷。在缺頁中斷發(fā)生時，源主機會將缺失的內(nèi)存頁面?zhèn)鬏斀o目標(biāo)主機，以滿足虛擬機的需求。

3.缺頁中斷處理（Page Fault Handling）：目標(biāo)主機接收到缺失的內(nèi)存頁面后，會將其插入到虛擬機的內(nèi)存中，并繼續(xù)執(zhí)行虛擬機的控制流程。這個過程可能會引發(fā)新的缺頁中斷，如果發(fā)生新的缺頁中斷，源主機會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，會進行收斂判斷，判斷是否繼續(xù)傳輸缺失的內(nèi)存頁面。通常，可以設(shè)置一個收斂條件，例如傳輸?shù)捻撁鏀?shù)量或時間間隔。如果達到收斂條件，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，表示虛擬機的內(nèi)存頁面已經(jīng)在遷移過程中逐步傳輸完畢。虛擬機可以在目標(biāo)主機上繼續(xù)運行，并且用戶的感知中斷時間較短。

Post-Copy算法的優(yōu)勢在于它可以快速啟動虛擬機，并減少初始遷移所需的時間和帶寬。它將重點放在遷移虛擬機的控制流程，盡快使虛擬機在目標(biāo)主機上運行，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，減少了對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。

然而，Post-Copy算法的缺點是在遷移過程中可能會發(fā)生頻繁的缺頁中斷，對應(yīng)用程序的性能產(chǎn)生一定影響。因此，在實際應(yīng)用中，需要權(quán)衡遷移時間和應(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)行虛擬機的策略。它在初始遷移階段快速將虛擬機的初始內(nèi)存頁面?zhèn)鬏數(shù)侥繕?biāo)主機，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間內(nèi)完成遷移，減少虛擬機的停機時間。

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虛擬機，并將部分內(nèi)存頁面?zhèn)鬏數(shù)侥繕?biāo)主機，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間內(nèi)使虛擬機在目標(biāo)主機上運行，并減少初始遷移所需的時間和帶寬。

2.遷移效果：

Pre-copy算法：Pre-copy算法可以快速進行初始遷移，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的停機時間和用戶的感知中斷。然而，在高寫入負載下，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算法將重點放在遷移控制流程上，盡快使虛擬機在目標(biāo)主機上運行，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間和帶寬，并在遷移過程中逐步恢復(fù)虛擬機的完整內(nèi)存狀態(tài)。然而，在遷移過程中可能會發(fā)生頻繁的缺頁中斷，對應(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，因為只傳輸變化的內(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中實現(xiàn)虛擬機熱遷移

要在KVM中實現(xiàn)虛擬機的熱遷移，可以按照以下步驟進行操作：

1.確?；A(chǔ)設(shè)置：

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

確保源主機和目標(biāo)主機具有相同的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：

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

在源主機和目標(biāo)主機上設(shè)置相同的存儲路徑，以便虛擬機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宿主機上啟用虛擬機熱遷移的支持。這通常需要在主機的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)行虛擬機熱遷移：

使用管理工具（如libvirt或virsh命令）執(zhí)行虛擬機熱遷移操作。例如，使用virsh命令可以執(zhí)行以下命令：virsh migrate --live <虛擬機名稱> qemu+tcp://<目標(biāo)主機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)存頁面和虛擬機狀態(tài)都被傳輸?shù)侥繕?biāo)主機，并且虛擬機在目標(biāo)主機上完全恢復(fù)，遷移過程就完成了。

在目標(biāo)主機上驗證虛擬機的正常運行和配置是否正確。

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