虛擬機熱遷移技術(shù)介紹

本文分享自天翼云開(kāi)發(fā)者社區《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。

傳統上，當需要遷移虛擬機時(shí)，必須先將虛擬機關(guān)機，然后將虛擬機的狀態(tài)和數據從源主機復制到目標主機，最后再啟動(dòng)虛擬機。這種關(guān)機遷移方式會(huì )導致虛擬機暫時(shí)不可用，造成服務(wù)中斷和用戶(hù)體驗下降。

而虛擬機熱遷移則克服了這個(gè)問(wèn)題，它允許在虛擬機繼續運行的同時(shí)將其遷移到新的物理主機上。這意味著(zhù)虛擬機的狀態(tài)和數據可以在遷移過(guò)程中實(shí)時(shí)復制，并在遷移完成后立即在目標主機上繼續運行，幾乎沒(méi)有對用戶(hù)的可見(jiàn)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主機之間的高速網(wǎng)絡(luò )連接，以便實(shí)時(shí)復制虛擬機的內存、磁盤(pán)和網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)。

虛擬機熱遷移的應用場(chǎng)景包括負載均衡、資源優(yōu)化、硬件維護和故障恢復。通過(guò)將虛擬機從一個(gè)主機遷移到另一個(gè)主機，可以實(shí)現對資源的動(dòng)態(tài)調度和平衡，提高系統的可用性和靈活性。同時(shí)，用戶(hù)可以在不中斷服務(wù)的情況下對物理主機進(jìn)行維護或故障恢復操作，提高系統的可靠性和可維護性。

常見(jiàn)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(guò)多次迭代的方式在源主機和目標主機之間傳輸虛擬機的內存頁(yè)面，以減少遷移過(guò)程中的傳輸數據量和遷移時(shí)間。

Pre-copy算法的基本思想是先快速遷移虛擬機的初始內存狀態(tài)，然后在后續迭代中傳輸變化的內存頁(yè)面，直到達到一定的收斂條件。這樣可以在較短的時(shí)間內實(shí)現遷移，并最大程度上減少虛擬機的停機時(shí)間和用戶(hù)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(kāi)始時(shí)，首先將虛擬機的初始內存頁(yè)面從源主機傳輸到目標主機。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存頁(yè)面。

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

3.收斂判斷（Convergence Check）：在每次迭代傳輸后，需要進(jìn)行收斂判斷。收斂判斷是根據一定的準則來(lái)判斷是否繼續迭代傳輸。例如，可以設置一個(gè)閾值，當變化頁(yè)面的比例低于閾值時(shí)，認為遷移已經(jīng)收斂，停止迭代。

4.完成遷移（Migration Completion）：當收斂判斷滿(mǎn)足時(shí)，表示遷移已經(jīng)完成。此時(shí)，目標主機上的虛擬機已經(jīng)包含了源主機上所有的內存頁(yè)面，并且在遷移過(guò)程中的變化頁(yè)面也已經(jīng)傳輸完畢。虛擬機可以在目標主機上繼續運行，而用戶(hù)幾乎感知不到中斷。

Pre-copy算法的優(yōu)勢在于它可以快速進(jìn)行初始遷移，并通過(guò)迭代傳輸的方式減少后續的數據傳輸量。這樣可以在有限的時(shí)間內完成遷移，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，如對網(wǎng)絡(luò )延遲和帶寬的敏感性，以及在高寫(xiě)入負載下的遷移效果下降等問(wèn)題。因此，實(shí)際應用中需要根據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，然后在后續迭代中逐步傳輸虛擬機的內存頁(yè)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(lèi)似，初始遷移階段將虛擬機的初始內存頁(yè)面從源主機傳輸到目標主機。這確保了虛擬機的控制流程可以在目標主機上執行。

2.內存頁(yè)面傳輸（Memory Page Transfer）：在初始遷移完成后，目標主機上的虛擬機開(kāi)始運行，但其內存中只包含部分內存頁(yè)面，還有一些頁(yè)面尚未傳輸到目標主機。當虛擬機試圖訪(fǎng)問(wèn)尚未傳輸的頁(yè)面時(shí)，會(huì )發(fā)生缺頁(yè)中斷。在缺頁(yè)中斷發(fā)生時(shí)，源主機會(huì )將缺失的內存頁(yè)面傳輸給目標主機，以滿(mǎn)足虛擬機的需求。

3.缺頁(yè)中斷處理（Page Fault Handling）：目標主機接收到缺失的內存頁(yè)面后，會(huì )將其插入到虛擬機的內存中，并繼續執行虛擬機的控制流程。這個(gè)過(guò)程可能會(huì )引發(fā)新的缺頁(yè)中斷，如果發(fā)生新的缺頁(yè)中斷，源主機會(huì )再次傳輸缺失的頁(yè)面。

4.收斂判斷（Convergence Check）：在每次缺頁(yè)中斷處理后，會(huì )進(jìn)行收斂判斷，判斷是否繼續傳輸缺失的內存頁(yè)面。通常，可以設置一個(gè)收斂條件，例如傳輸的頁(yè)面數量或時(shí)間間隔。如果達到收斂條件，則認為遷移已經(jīng)收斂，停止傳輸。

5.完成遷移（Migration Completion）：當收斂判斷滿(mǎn)足時(shí)，表示虛擬機的內存頁(yè)面已經(jīng)在遷移過(guò)程中逐步傳輸完畢。虛擬機可以在目標主機上繼續運行，并且用戶(hù)的感知中斷時(shí)間較短。

Post-Copy算法的優(yōu)勢在于它可以快速啟動(dòng)虛擬機，并減少初始遷移所需的時(shí)間和帶寬。它將重點(diǎn)放在遷移虛擬機的控制流程，盡快使虛擬機在目標主機上運行，而不必等待所有內存頁(yè)面的傳輸。然后，通過(guò)缺頁(yè)中斷處理逐步傳輸缺失的頁(yè)面，減少了對網(wǎng)絡(luò )帶寬的需求。

然而，Post-Copy算法的缺點(diǎn)是在遷移過(guò)程中可能會(huì )發(fā)生頻繁的缺頁(yè)中斷，對應用程序的性能產(chǎn)生一定影響。因此，在實(shí)際應用中，需要權衡遷移時(shí)間和應用程序性能，并根據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算法采用先傳輸內存頁(yè)面再執行虛擬機的策略。它在初始遷移階段快速將虛擬機的初始內存頁(yè)面傳輸到目標主機，然后通過(guò)多次迭代傳輸變化的內存頁(yè)面。這種策略可以在較短時(shí)間內完成遷移，減少虛擬機的停機時(shí)間。

Post-Copy算法：Post-Copy算法采用先遷移控制流再逐步傳輸內存頁(yè)面的策略。它在初始遷移階段快速啟動(dòng)虛擬機，并將部分內存頁(yè)面傳輸到目標主機，然后通過(guò)缺頁(yè)中斷處理逐步傳輸缺失的頁(yè)面。這種策略可以在較短時(shí)間內使虛擬機在目標主機上運行，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，并在后續迭代中逐步傳輸變化的內存頁(yè)面。這樣可以最大程度上減少虛擬機的停機時(shí)間和用戶(hù)的感知中斷。然而，在高寫(xiě)入負載下，Pre-copy算法可能需要頻繁迭代傳輸內存頁(yè)面，導致遷移效果下降。

Post-Copy算法：Post-Copy算法將重點(diǎn)放在遷移控制流程上，盡快使虛擬機在目標主機上運行，并通過(guò)缺頁(yè)中斷處理逐步傳輸內存頁(yè)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(guò)程中逐步恢復虛擬機的完整內存狀態(tài)。然而，在遷移過(guò)程中可能會(huì )發(fā)生頻繁的缺頁(yè)中斷，對應用程序的性能產(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(lái)快速傳輸初始內存頁(yè)面，后續迭代傳輸的帶寬需求較低，因為只傳輸變化的內存頁(yè)面。但是，如果遷移過(guò)程中發(fā)生大量頁(yè)面變化，仍然可能需要較高的帶寬來(lái)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存頁(yè)面。

在KVM中實(shí)現虛擬機熱遷移

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

1.確?；A設置：

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

確保源主機和目標主機具有相同的CPU類(lèi)型和體系結構，以確保遷移的兼容性。

2.配置共享存儲：

確保源主機和目標主機可以訪(fǎng)問(wèn)共享的存儲資源，如共享存儲區域網(wǎng)絡(luò )（SAN）或網(wǎng)絡(luò )文件系統（NFS）。

在源主機和目標主機上設置相同的存儲路徑，以便虛擬機的磁盤(pán)鏡像可以在遷移過(guò)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配置文件中設置相關(guān)參數，如將遷移模式設置為"live"。

也可以使用管理工具（如libvirt或virsh命令）來(lái)啟用遷移支持。 

4.執行虛擬機熱遷移：

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

5.監控遷移過(guò)程：

在遷移過(guò)程中，可以使用工具或命令來(lái)監控遷移的進(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：

一旦所有的內存頁(yè)面和虛擬機狀態(tài)都被傳輸到目標主機，并且虛擬機在目標主機上完全恢復，遷移過(guò)程就完成了。

在目標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