Проектные решения механизмов миграции виртуальных машин для различных характеристик выполняющихся сервисов

Считается, что миграция ВМ является неотъемлемой частью технологии виртуализации, что обеспечивает им прозрачное перемещение вместе со средствами выполнения между физическими серверами. Миграция ВМ может протекать с остановкой пользовательского сервиса, а также без данной процедуры. Механизмы, а также технологии переноса ВМ без остановки сервиса, которые дают возможность минимизировать остановки в работе, известны под названием «динамической миграции». В процессе миграции ВМ сервер, с которого удаляется ВМ, считается исходным узлом, а сервер, на который передается ВМ – хост или узел назначения.
Виртуальные машины могут перемещаться в кластерах, где предусматривается организация разделяемой или общей системы хранения данных, так и не предусмотрена (рисунок 2.2). Первый вариант самый распространенный в рамках локальных или территориальных кластеров. Это оборудование, которое располагается на небольших расстояниях друг от друга – до 1 км [6]. Второй вариант встречается в распределенных по географическому принципу кластерах. Оборудование здесь удалено друг от друга на значительные расстояния – не только между районами города, но и между городами, странами и даже континентами. Отметим, что также применяются и варианты создания локальных кластеров, которые не имеют общей системы хранения данных (СХД), а также отказоустойчивые кластеры с географически распределенными, общими межконтинентальными системами хранения информации. Применение в кластере единой СХД может существенно ускорить процесс миграции – посредством ненадобности передачи дисковых пользовательских данных сервисов, которые занимают много места.
Кластерная система
Миграция виртуальных машин
С общей/разделяемой СХД
Без общей/разделяемой СХД
Без приостановки виртуального сервиса
С приостановкой виртуального сервиса
Без приостановки виртуального сервиса
С приостановкой виртуального сервиса
Рисунок 2.2 – Классификация видов миграции ВМ
Миграция с остановкой сервиса или «Быстрая миграция» [], предусматривает перенос лишь пользовательских данных с диска после того, как сервис будет остановлен. Получается, что прогнозирование поведение переноса ВМ с остановкой сервиса – это простая задача, которая зависит лишь от размера данных на диске, от состояния, пропускной способности канала передачи. Но эта задача не зависит от свойств сервиса, который выполняется внутри виртуальной машины. В ходе применения общей СХД в кластере, передача данных виртуальной машины между серверами в принципе не осуществляется: процесс миграции протекает только с ограничением выделения ресурсов ВМ гипервизором – на узле назначения (с исходного узла данные удаляются) [7].
Что касается процесса «быстрой миграции», то он характеризуется минимальным временем для переноса виртуальной машины, а также минимальным риском в случае неудачного окончания процесса переноса.
Процесс перемещения виртуальной машины без остановки выполнения сервиса характеризуется большей сложностью. Связано это с тем, что при передаче без остановки образа ВМ (диск, память, регистры процессора) на целевой вычислительный узел, на основном узле состояние образа будет иным. Потому количество изменений в образе будет определяться скоростью изменений данных, выполняемых ВМ. В целом, при динамической миграции, кроме образа ВМ также должны передаваться блоки данных дисков, оперативной памяти, которые менялись выполняющимся сервисом при итерации передачи информации по сети. Применение общей системы хранения данных, в таком случае может существенно ускорить миграцию посредством переноса только информации с оперативной памяти, а также состояний виртуальных устройств ВМ – без перемещения существенно превосходящих их по размеру дисковых данных сервиса. Объем информации, который меняется за время передачи ВМ по сети, а значит, время миграции, может зависеть от средних скоростей чтения и изменения того сервиса. Эффективность тех или иных механизмов в процессе реализации функции динамической миграции зависит от величины каждого с данных параметров.
Мы считаем, что время миграции можно разделить в зависимости от применяемых механизмов на постоянный компонент и переменную. Постоянная составляющая предусматривает, что такое время будет постоянным во всех миграционных механизмах. Переменная – время, которое будет меняться в зависимости от механизмов.
В таком случае нужно определить параметры, от которых зависит постоянная составляющая времени переноса, что присутствует при миграции с приостановкой выполнения сервиса, а также без нее:
размер виртуальных дисков машины;
размер оперативной памяти, которая выделена ВМ (лишь при динамической миграции);
пропускная способность канала, по которому передаются данные.
Далее перечислим параметры, от которых зависит переменная составляющая времени переноса. Она есть лишь в динамической миграции:
скорость изменения данных в сервисе;
скорость прочтения сервисом данных.
Может показаться, что технология динамической миграции – предпочтительнее, чем перенос с остановкой выполняемого сервиса, в частности, при применении общей системы хранения данных в кластере. Однако отметим, что динамическая миграция – процесс сложный, особенно в плане прогнозирования времени, проведения переноса ВМ – при имеющемся ограничении времени недоступности сервиса. Это крайне важно при необходимости завершения миграции всех сервисов в кластере – на определенный момент времени (например, при отключении электричества на объекте).
В работе [8] предложен механизм для миграции без остановки сервиса, что не зависит от скорости изменения данных – «подход с передачей информации в фоновом режиме» или «подход с копированием данных после остановки». Кроме того, используется механизм, который частично зависит от скорости чтения данных сервисом, а также от скорости изменения данных сервисом – «гибридный подход».
В целом, процесс динамической миграции делится на 2 этапа:
передача данных (память, диски, регистры) на узел предназначения;
передача выполнения ВМ на предназначенный узел

.
В «Итеративном» механизме динамической миграции изначально происходит передача данных, а потом – передача выполнения ВМ на узел предназначения. Передача данных на узел осуществляется в течение нескольких итераций. Страницы, которые были изменены приложением при передаче ВМ, называются «загрязненными», страницами. Они передаются в каждой новой итерации. Данный процесс повторяется до тех пор, пока не наступит ограничение итерации или отправленное количество данных не будет меньше определенного предела.
В целом, динамическая миграция с итеративным подходом делится на несколько стадий:
на предназначенный узел передается образ ВМ (данные диска, оперативная память);
на узел назначения отправляют страницы образа ВМ, которые «загрязнились» при завершении передачи первой стадии. После этого отправляются «загрязненные» страницы. Каждая передача страниц, которые трансформировались при предыдущих стадиях передачи, называется итерацией. Итерации передачи информации длятся до тех пор, пока не наступит ограничение на время итерации, которое задает пользователь, или пока не переданное количество данных не будет меньше определенного предела;
как только окончится или остановится итеративная передача, на основном узле останавливается ВМ. Не переданные страницы данных на предыдущих стадиях, регистры виртуальных процессов, состояния виртуальных машин (так называемые «рабочий набор») передаются на узел назначения. Затем работа ВМ на узле назначения возобновляется.
Тут очевидно, что чем меньше у выполняемого в ВМ сервиса средняя скорость трансформации данных, тем меньшее количество итераций производится на второй стадии. Следовательно, за меньшее время осуществляется миграция. Как только средняя скорость изменения информации превысит пропускную скорость канала связи, количество «загрязненных» страниц в каждой итерации будет порождаться больше, чем их можно передать. Как итог, при резком всплеске скорости изменения данных применяется искусственное ограничение по времени миграции. Это приводит к остановке в работе сервиса, что видит пользователь.
В другом механизме динамической миграции с копированием страниц в фоновом режиме, напротив, изначально должен протекать этап передачи выполнения ВМ на узел назначения. Только потом должна быть передача данных. Считается, что изначально передаче подлежат регистры виртуальных процессоров, состояния устройств (так называемый «рабочий набор») на другой сервер. Тут же передается выполнение ВМ. Затем в фоновом режиме начинается передача страниц данных оперативной памяти, дисков виртуальной машины, но с более низкой скоростью. В том случае, если ВМ пытается выполнять чтение не переданных еще страниц, то случается сетевая ошибка, которая приводит к остановке в выполнении сервиса, в передаче страницы на узел предназначения (передача по запросу).
Существует несколько стадий динамической миграции с копированием информации в фоновом режиме:
на основном узле протекает остановка ВМ. На узел назначения отправляются регистры виртуальный процессоров, состояния внешних устройств, а также некоторая часть самых применяемых страниц оперативной памяти. Потом на узле назначения возобновляется работа ВМ;
данные дисков, оперативной памяти ВМ передаются на узел назначения в фоновом режиме с низкой скоростью, по сравнению с передачей информации по запросу. Если же виртуальная машина начинает выполнять чтение еще не переданных страниц, то случается остановка выполнения сервиса, а требуемые страницы нужно передавать с исходного узла на узел назначения;
в том случае, если задается принудительное ограничение на время миграции, то выполнение ВМ останавливается после окончания этого времени, а оставшиеся данные передаются по максимально возможной скорости.
Такой механизм зависит лишь от средней скорости чтения, решая проблему переноса ВМ с сервисом, который имеет значения скорости записи, приближенные к параметру пропускной способности канала передачи данных. Но тут увеличение средней скорости чтения сервиса будет увеличивать не время миграции, как при итеративном подходе, а время недоступности сервиса. Получается, что трудность прогнозирования смещается с времени миграции к прогнозированию времени недоступности сервиса при такой миграции. А оно может меняться: все зависит от частоты обращения сервиса к тем или иным данным на чтение; от принудительного ограничения времени миграции.
В качестве решения проблем обозначенных механизмов в динамической миграции может применяться гибридный подход. На подготовительном этапе динамической миграции ВМ с гибридным подходом, гипервизор или ПО виртуализации на информации о средних скоростях записи и чтения, ВМ должны определить, какое количество информации будет передаваться в режиме итеративной передачи (на этом методе основан подход с копированием данных до тех пор, пока ВМ не остановится). Кроме того, нужно определить какое количество данных будет передано в фоновом режиме (на этом методе основан подход с копированием данных после остановки ВМ) [9].
Процесс миграции с использованием гибридного подхода можно разделить на 4 стадии:
на начальном узле должна выполняться подготовка к процессу миграции: определение на том или ином временном отрезке средних скоростей записи и чтения, перемещаемого сервиса; определение по такой информации объема данных, который будет отправлен в фоновом и итеративном режиме; по возможности – определение самых применяемых сервисом для чтения страниц, которые должны передаваться, прежде всего, в итеративном режиме, чтобы обойти в дальнейшем сетевые ошибки доступа;
передача первой части образа диска, оперативной памяти, а также «загрязненных» стран в итеративном режиме с основного узла на требуемый узел;
на начальном узле останавливается вычислительная машина