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1、华中科技大学 硕士学位论文 自适应音频感知的虚拟机调度的研究 姓名：袁旻昊 申请学位级别：硕士 专业：计算机软件与理论 指导教师：郑然 20090526 华中科技大学硕士学位论文 I 摘 要 虚拟化技术的出现与实用化，不仅为提高服务器利用率、整合异构资源带来了 新的解决方案，也为个人用户便捷、高效的使用桌面服务带来了新的机遇。桌面应 用往往有较高的实时需求，而目前的虚拟机环境并不能很好地适应一部分响应敏感 型的应用，如音频应用。在多虚拟机共存的情况下，运行音频应用的虚拟机将在对 计算资源的竞争中频繁地中断，从而导致严重的音频抖动，影响用户的体验。 自适应音频感知的虚拟机调度系统针对上述问题将变
2、长时间片、静态优先级、 基于份额的动态优先级控制等方法有效的结合并运用到虚拟化环境的特殊调度模式 中，实现了一种动态、灵活的虚拟机调度机制，该机制使特权域与硬件虚拟机可以 高频率地轮转交互，保证音频缓冲区的数据充裕，播放流畅。自适应音频感知机制 凭借虚拟机管理器对音频接口状态的捕获和判断，自适应地调整虚拟机的优先级， 选取适合的调度策略来调度和分配 CPU 资源，克服由两层调度模式带来的上层应用 不可预知的缺陷。系统在确保音频应用的高质量运行的同时，也在一定程度上兼顾 了调度的公平性。 除了采取自适应音频感知的方法以适应音频任务的需求变化以外，系统还提供 了与调度机制相应的用户控制接口，支持用
3、户以手动方式设置虚拟机的优先级并进 行监测，扩展了虚拟机管理的灵活性。 实验表明，该系统能够在多虚拟机环境下满足音频的实时需求，大幅度地提高 音频质量。在最好的情况下， “缓冲区欠载”导致的声音抖动现象可被完全消除，保 证了用户良好的音频体验。 关键词：虚拟机调度，自适应音频感知，基于份额的动态优先级，变长时间片 华中科技大学硕士学位论文 II Abstract Virtualization technology not only benefits the server performance, also brings opportunitities to common users for c
4、onvenience of desktop applications. These applications usually have higher requirement for I/O caracteristics, while processor scheduling in VMM currently lose sight of application diversity and I/O responsiveness which is important to these applications (e.g., audio application). Audio stream may s
5、uffer from severe input/output buffer underrun/overrun, especially in heavy load environment if there is no real- time guarantee for virtualized clients. Adaptive audio- aware scheduling system in virtual machine environment is proposed to solve audio problems. VMM scheduler is improved using flexib
6、le time- slice, static priority, and proportion- based dynamic priority control to achieve a flexible and dynamic scheduling strategy in virtualized environment. This strategy enables high- frequency interaction between privilege domain and HVM, and then guarantee adequate data in audio buffers can
7、be successively played. In order to overcome the non- pridiction deficiency within scheduler, an adaptive audio- aware solution is proposed to make VMM adaptively adjust the CPU resource allocation by audio capture. Scheduler takes priority- based real time strategy to ensure high- quality audio per
8、formance when audio task exist, in other computing cases, ensure the fairness of system, and do not need complex configuration. Furthermore, for convenience and flexibility in management, user control interface is provided with manually management and monitor supporting. The test results show that a
9、udio glitches can completely be eliminated via our optimizations even when the total system load is very high. In the mean time, audio- aware solution and user control interface are proved to have positive effect on flexibility and user experience in virtualized environments. Key words: Virtual- mac
10、hine scheduling, Adaptive audio- aware, Proportion- based dynamic priority, Flexible time- slice 华中科技大学硕士学位论文 1 1 绪 论 本章首先概述了课题的研究背景、目的和意义，然后对目前国内外几个常用的、 具有代表性的虚拟机调度算法及相关研究进行了概述和比较，最后介绍了本文的主 要研究内容与写作框架。 1.1 课题背景及意义 虚拟化技术的引入，将单一的计算机系统细分成多个客户执行环境，打破了软 件与硬件之间的紧密耦合关系，从根本上改变着传统的计算方式1。特别是随着多核 处理器时代的到来，在计算
11、机系统变得越来越难以管理的背景下，虚拟化技术以其 出色的资源整合能力被广泛地应用于服务器领域，使得拥有强大性能的服务器能够 提供更加高效、稳定的服务2, 3。但是，服务器虚拟化技术毕竟远离普通用户，普通 用户更加关心的是系统能够提供怎样的接口和服务来适应复杂和多样化的应用需 求。在这种背景下，客户虚拟化技术致力于从不同的角度提供可配置的使用环境， 为普通用户就如何更加高效、便捷的使用桌面资源带来了新的机遇4。 然而，桌面应用程序（比如音频等多媒体应用）不同于传统服务器模式下的应 用，其对系统的 I/O 特性往往有更高的实时要求，但当这些应用程序运行于虚拟化环 境下时，这种实时需求却很难得到满足
12、。其原因主要有两点：1. 不同的虚拟化方法 引入的性能开销、性能瓶颈等问题难以避免5,6,7；2. 目前的虚拟机调度策略大多数 倾向于考虑 CPU 资源的公平共享，但对虚拟机应用的多样性以及I/O 实时性能的保 证甚少考虑8,9,10,11，无法适应一部分响应敏感型的应用，比如音频应用。在多虚拟 机共存的情况下， 如果虚拟化环境不能对音频 I/O 事件提供响应性能的担保，音频的 播放就会出现严重的缓冲区欠载现象，造成声音的失真和抖动，从而影响用户的音 频体验。同时，虚拟机对资源的需求动态变化，运行音频播放任务的虚拟机通常只 在一段时间内要真正使用物理声卡，而其余时间并不一定具有同样的实时需求，
13、那 么，使用传统的固定调度方式（自系统启动之后调度策略就已确定且无法由用户改 变）势必会造成虚拟机对 CPU 资源的共享不当12。如何采取更加符合实际需求的虚 拟机调度策略来消除由“缓冲区欠载”造成的声音抖动，特别是在多虚拟机环境下 协调多任务的不同需求是一个新的挑战和难点。 华中科技大学硕士学位论文 2 本文以 Xen 虚拟机管理器作为研究平台，面向音频应用研究了一种自适应音频 感知的虚拟机调度系统。该系统的核心是满足音频实时要求的虚拟机调度，提高音 频这类响应敏感型应用的及时响应能力，以高效率的方式回应用户的要求。为了避 免普通用户在虚拟化环境下使用音频服务时要进行复杂的配置操作，系统设计
14、实现 了一种使虚拟机管理器自觉感知客户虚拟化环境中音频任务的方法，这种方法根据 音频任务需求的变化，动态地调整虚拟机的调度策略。同时，系统提供了基于 xm和 Pmonitor 虚拟机监控器的用户控制接口，为系统管理员定制和管理虚拟机带来了灵 活性。 1.2 国内外研究现状 纵观虚拟化技术的发展历程，已有不少学者对如何实施有效的虚拟机调度算法 来实现对底层资源的共享作了研究。在虚拟化环境下，一个虚拟机通常对应一个或 多个虚拟 CPU（即 VCPU） ， 调度器并不是以虚拟机为单位进行调度，而是以每一 个 VCPU作为调度单位分时调度（即决定当前哪一个 VCPU可以在真实的物理 CPU 上运行）
15、13。由于 VCPU在被调度时必然属于某一个虚拟机，因此在某一特定时刻， 虚拟机的调度也就等同于 VCPU的调度。 目前，最具代表性的三种虚拟机调度算法包括：BVT（Borrowed Virtual Time） 调度算法、SEDF（Simple Earliest Deadline First）调度算法、以及 Credit 调度算法。 近期研究中也出现了以支持实时应用为目的的 Alternative 混合调度算法。本小节对 这几种调度算法进行简要的概述和比较。 1.2.1 BVT 调度算法 BVT 调度算法是 Stanford 大学的 Duda 等在 1999 年提出的一种虚拟机调度算法 14。
16、该算法在单处理器和多处理器上都有实现，能够通过配置对多种任务提供一定 程度的低延时支持，包括硬实时任务、交互任务、批处理任务等。同时，它也根据 各种不同权重的应用在一定程度上的竞争来保证 CPU 资源的公平共享。 在 BVT 算法中，虚拟机的运行时间由“虚拟时间”来控制，具有最早的有效虚 拟机时间（Effective Virtual Time，即 EVT）的虚拟机可以被调度到真正的物理 CPU 上运行。因此，为了使延迟敏感型的虚拟机能够及时得到运行的机会，算法允许延 迟敏感型的虚拟机回滚其虚拟时间，或者向将来为自己分配的 CPU 时间借用虚拟时 华中科技大学硕士学位论文 3 间，以表现为较早的 EVT。在该算法中，每个虚拟机都维护一组状态变量： Ei：表示虚拟机的有效虚拟时间 EVT； Ai：表示虚拟机实际的虚拟时间 AVT； Wi：表示虚拟机可以借用的虚拟时间 VT； warpBacki：标识是否允许虚拟时间的借用。 当一个虚拟机解除阻塞或者当前正在运行的虚拟机被阻塞时，调度算法在所有 的虚拟机中选择一个 Ei最小的虚拟机投入运行，计算如
