QEMU-KVM中的多线程压缩迁移技术

摘要: 目前的迁移技术，都是通过向QEMUFILE中直接写入裸内存数据来达到传送虚拟机的目的端，这种情况下，发送的数据量大，从而会导致更高的迁移时间(total time)和黑宕时间(downtime)。本文介绍的方法，在发送前对客户机内存进行压缩，在目的端接收到内存后，进行对数据进行解压缩，从而恢复客户机的内存。

导读	目前的迁移技术，都是通过向QEMUFILE中直接写入裸内存数据来达到传送虚拟机的目的端，这种情况下，发送的数据量大，从而会导致更高的迁移时间(total time)和黑宕时间(downtime)。本文介绍的方法，在发送前对客户机内存进行压缩，在目的端接收到内存后，进行对数据进行解压缩，从而恢复客户机的内存。

1.技术原理

使用带压缩技术的迁移后，传输的数据总量会减少60%，总迁移时间减少70%+，同时宕机时间减少50%以上。一方面，压缩/解压缩的过程会消耗CPU周期而加大了迁移的时间；另一方面，总传输数据量的锐减，又会减少迁移时间。为了能够进行高速的压缩，本技术中使用了多线程并发的方式，提高压缩的目前虚拟机中，使用ZLIB完成压缩/解压缩的工作。

在CPU相同的情况下，ZLIB官方给出，解压缩的速度是压缩速度的4倍。也就是说，如果迁移的源端和目的端处理器相同的情况下，使得压缩线程数量是解压缩线程数量的4倍就可以在资源消耗最小的情况下，取得最优的压缩为了更多的适应网络状况，虚拟机中引入了压缩级别 -- Compression level。Compression level可以用来控制压缩速率和压缩比例。高的压缩比率会消耗更多的时间，level 0就代表不进行压缩， 1级代表最优的压缩速率， 9级代表了最好的压缩比率(最多的压缩时间)。我们可以选择从0级到9级中的任意一个级别。

2. 多线程压缩动态迁移技术的应用场景

压缩/解压缩时间将会消耗CPU周期。所以，如果整个系统CPU都被压得非常满的情况下，避免使用这个特性。当网络带宽有限，CPU资源又足够充足的情况下，使用多线程压缩动态迁移技术会带来比较好的效果。当网络充足且CPU资源充足的情况下，使用本技术也将会减少总迁移时间。

3. 多线程压缩迁移技术使能方法

源端：

1. 启动虚拟机

/home/liufeng/qemu-system-x86_64 -machine accel=kvm -hda ./disk0.img -m 2048 -vnc 192.168.2.106:0 -monitor stdio

2. 使能源端多线程压缩动态迁移技术

a.) migrate_set_capabilitycompress on //使能压缩
b.) migrate_set_parametercompress-threads 12 //12个压缩线程
c.) migrate_set_parametercompress-level 1 //压缩级别为1级

3. 开始迁移

migrate -d tcp:192.168.2.105:6666

目的端：

1. 启动虚拟机

/home/liufeng/qemu-system-x86_64 -machine accel=kvm -hda /home/kvm/vm/disk/disk0.img -m 2048 -vnc 192.168.2.105:0 -monitor stdio -incoming tcp:192.168.2.105:6666

2. 使能目的端多线程压缩动态迁移技术

a.) migrate_set_capabilitycompress on
b.) migrate_set_parametercompress-level 1
c.) migrate_set_parameterdecompress-threads 3 //3个压缩线程

3. 等待迁移完成

4. 效果验证

运行环境:

CPU: Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2650 v3 @2.30GHz
Logic core: 40
Socket : 2
RAM: 128G
NIC: 1000baseT/Full
Host OS: CentOSLinux release 7.2.1511 (Core) 64-bit
Guest OS: CentOS Linux release 7.2.1511 (Core) 64-bit

a. 情况一：带宽无限制，CPU充足

	原动态迁移	多线程压缩技术动态迁移 压缩级别： 1 压缩线程数： 12 解压缩线程数：3
迁移总时间(msec):	9536	4466
Downtime时间(msec):	34	22
传输数据量(KB)	307783	140445

效果：总的迁移时间减少50%；downtime时间减少35%

b. 情况二：带宽有限制情况，CPU充足

	原动态迁移	多线程压缩技术动态迁移 压缩级别： 1 压缩线程数： 12 解压缩线程数：3
迁移总时间(msec):	11720	5652
Downtime时间(msec):	169	21
传输数据量(KB)	311554	140189

效果：总迁移时间减少了200%,downtime时间减少了800%

5. 代码实现分析

虚拟机实现代码分析如下(本分析基于：QEMU 2.5)：

1. 在启动migration过程中，如果发现使能了多线程压缩技术，则创建压缩线程



2. 迁移开始后，使用多线程压缩技术

有migration_thread()进行迁移工作，在iterator和complete阶段，如果发现使能了多线程压缩技术，则通过compress_page_with_multi_thread()完成数据的压缩和发送



3. 通过zlib的compress2()函数完成数据的压缩，并通过QEMU-FILE发送

最终在compress_page_with_multi_thread()中激活压缩线程，通过zlib的compress2()函数完成数据的压缩，并通过QEMU-FILE发送



6. 可优化点

1. 压缩算法

a. 目前使用的是开源zlib库完成压缩，还有其他压缩库的压缩方式可以提供，以便适应更多的场景

b. 商业压缩库有着更好的效率

c. 通过FPGA进行硬件辅助压缩

2. 压缩策略

a. 虚拟机迁移算法自适应所有网络，对网络进行测试（是否满足上面的公式），然后形成反馈因子输入到迁移算法中，迁移算法根据反馈因子决定使用的压缩算法、压缩级别或者根本不压缩，达到在所有网络状况下而缩短downtime的目的。

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