虚拟机迁移原理详解.doc

虚拟机到虚拟机的迁移（Virtual-to-Virtual）
V2V 迁移是在虚拟机之间移动操作系统和数据，照顾主机级别的差异和处理不同的虚拟硬件。虚拟机从一个物理机上的 VMM 迁移到另一个物理机的 VMM，这两个 VMM 的类型可以相同，也可以不同。如 VMware 迁移到 KVM， KVM 迁移到 KVM。可以通过多种方式将虚拟机从一个 VM Host 系统移动到另一个 VM Host 系统。
V2V 离线迁移
离线迁移（offline migration）：也叫做常规迁移、静态迁移。在迁移之前将虚拟机暂停，如果共享存储，则只拷贝系统状态至目的主机，最后在目的主机重建虚拟机状态，恢复执行。如果使用本地存储，则需要同时拷贝虚拟机镜像和状态到目的主机。到这种方式的迁移过程需要显示的停止虚拟机的运行。从用户角度看，有明确的一段服务不可用的时间。这种迁移方式简单易行，适用于对服务可用性要求不严格的场合。
V2V 在线迁移
在线迁移（online migration)：又称为实时迁移 (live migration)。是指在保证虚拟机上服务正常运行的同时，虚拟机在不同的物理主机之间进行迁移，其逻辑步骤与离线迁移几乎完全一致。不同的是，为了保证迁移过程中虚拟机服务的可用，迁移过程仅有非常短暂的停机时间。迁移的前面阶段，服务在源主机运行，当迁移进行到一定阶段，目的主机已经具备了运行系统的必须资源，经过一个非常短暂的切换，源主机将控制权转移到目的主机，服务在目的主机上继续运行。对于服务本身而言，由于切换的时间非常短暂，用户感觉不到服务的中断，因而迁移过程对用户是透明的。在线迁移适用于对服务可用性要求很高的场景。
目前主流的在线迁移工具，都要求物理机之间采用 SAN（storage area network）， NAS（network-attached storage）之类的集中式共享外存设备，因而在迁移时只需要考虑操作系统内存执行状态的迁移，从而获得较好的迁移性能。
另外，在某些没有使用共享存储的场合，可以使用存储块在线迁移技术来实现 V2V 的虚拟机在线迁移。相比较基于共享存储的在线迁移，数据块在线迁移的需要同时迁移虚拟机磁盘镜像和系统内存状态，迁移性能上打了折扣。但是他使得在采用分散式本地存储的环境下，仍然能够利用迁移技术转移计算机环境，并且保证迁移过程中操作系统服务的可用性，扩展了虚拟机在线迁移的应用范围。V2V 在线迁移技术消除了软硬件相关性，是进行软硬件系统升级，维护等管理操作的有力工具。
V2V 内存迁移技术
对于 VM 的内存状态的迁移，XEN 和 KVM 都采用了主流的的预拷贝（pre-copy）的策略。迁移开始之后，源主机 VM 仍在运行，目的主机 VM 尚未启动。迁移通过一个循环，将源主机 VM 的内存数据发送至目的主机 VM。循环第一轮发送所有内存页数据，接下来的每一轮循环发送上一轮预拷贝过程中被 VM 写过的脏页内存 dirty pages。直到时机成熟，预拷贝循环结束，进入停机拷贝阶段，源主机被挂起，不再有内存更新。最后一轮循环中的脏页被传输至目的主机 VM。预拷贝机制极大的减少了停机拷贝阶段需要传输的内存数据量，从而将停机时间大大缩小。
然而，对于更新速度非常快的内存部分，每次循环过程都会变脏，需要重复 pre-copy，同时也导致循环次数非常多，迁移的时间变长。针对这种情况，KVM 虚拟机建立了三个原则：集中原则，一个循环内的 dirty pages 小于等于 50；不扩散原则， 一个循环内传输的 dirty pages 少于新产生的；有限循环原则，循环次数必须少于 30。在实现上，就是采取了以下措施：
l 有限循环：循环次数和效果受到控制，对每轮 pre-copy 的效果进行计算，若 pre-copy 对于减少不一致内存数量的效果不显著，或者循环次数超过了上限，循环将中止，进入停机拷贝阶段。
l 在被迁移 VM 的内核设置一个内存访问的监控模块。在内存 pre-copy 过程中，VM 的一个进程在一个被调度运行的期间，被限制最多执行 40 次内存写操作。这个措施直接限制了 pre-copy 过程中内存变脏的速度，其代价是对 VM 上的进程运行进行了一定的限制。
KVM 的预拷贝在线迁移过程详解

图 KVM 的预拷贝在线迁移过程流程图
1. 系统验证目标服务器的存储器和网络设置是否正确，并预保留目标服务器虚拟机的资源。
2. 当虚拟机还在源服务器上运转时，第一个循环内将全部内存镜像复制到目标服务器上。在这个过程中，KVM 依然会监视内存的任何变化。
3. 以后的循环中，检查上一个循环中内存是否发生了变化。 假如发生了变化，那么 VMM 会将发生变化的内存页即 dirty pages 重新复制到目标服务器中，并覆盖掉先前的内存页。在这个阶段，VMM 依然会继续监视内存的变化情况。
4. VMM 会持续这样的内存复制循环。随着循环次数的增加，所需要复制的 dirty pages 就会明显减少，而复制所耗费的时间就会逐渐变短，那么内存就有可能没有足够的时间发生变化。最后，当源服务器与目标服务器之间的差异达到一定标准时，内存复制操作才会结束，同时暂停源虚拟机。
5. 在源虚拟机和目标虚拟机都停机的情况下，将最后一个循环的 dirty-pages 和源虚拟机设备的工作状态复制到目标服务器。
6. 然后，将存储从源虚拟机上解锁，并锁定在目标虚拟机上。启动目标服务器，并与存储资源和网络资源相连接。

图 KVM 的预拷贝在线迁移过程示意图