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1、华中科技大学 硕士学位论文 虚拟化系统性能隔离度评测研究 姓名：丁崇 申请学位级别：硕士 专业：计算机软件与理论 指导教师：李胜利 20090527 I 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 服务器的计算能力大大加强促使了虚拟化技术的复苏。虚拟化技术实现了多个 服务器的整合，提升了资源的利用率，但是整合在一起的多个服务器会争用主机的 各种资源。如何评测虚拟机之间的性能隔离的程度，当前还没有一个合理的方法和 标准。而用户急需一种测试程序来满足这种需求。传统的性能评测理论及方法以及 当前的虚拟化环境下的评测理论和方法都存在自身的缺陷，因此在虚拟化场景的
2、评 测中存在着不同程度的问题。 虚拟化性能隔离度评测采用了细粒度的干扰方法，针对虚拟化系统的软件和硬 件各个方面进行干扰测试，并且定义了系统的单项性能隔离度、综合性能隔离度以 及它们的计算方法。同时也据此开发了用来测量虚拟化性能隔离度的评测套件 VPI Test Suite，有效的解决了上述问题。VPI Test Suite 吸收了以往测试程序和理论的优 点，并且考虑到虚拟化场景下性能评测的特殊性。VPI Test Suite 采用细粒度的干扰 测试程序，以方便用户可以根据自己需求定制测试环境，同时也可以用于诊断虚拟 化平台的细粒度的性能隔离问题。它包括干扰程序集、基准程序和一个测试管理程 序
3、。其中干扰程序集包括高速缓存、内存带宽、内存空间膨胀、磁盘、CPU 和网络 等六项干扰程序。 使用 VPI Test Suite 对 Xen 虚拟化平台的测试结果表明：当前的硬件和软件平台 在虚拟化性能隔离度的支持方面依然存在着很大的缺陷。其中硬件高速缓存和内存 带宽的性能隔离度很差，在有干扰情况下，被测虚拟机的性能指标下降严重；而在 磁盘 I/O 方面， 随着干扰虚拟机中应用提交的请求所要求的块数目的增多和干扰虚拟 机的数目增加，被测虚拟机中的磁盘性能也不断下降。 关键词：关键词：性能评测，虚拟化，性能隔离度，基准测试程序 II 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论
4、论 文文 Abstract In recent years with the development of multi-core technology, the servers computing power is greatly enhanced. This leads to the recovery of virtualization technology which can accommodate more and more virtual machines simultaneously on a single physical machine. Server consolidation
5、 improves the resource utilization of hardware, but also raises the probability of resource contention. Thus, one of key problems is to indicate how performance isolation among VMs is. To achieve the goal, users highly require benchmarks. The former evaluation technologies which base on operating sy
6、stem or virtualization system all neglect the performance isolation in virtualization environments. To solve this problem, a new approach is presented to evaluate the performance isolation of virtualization system. The new approach uses micro-interference for software or hardware of virtualization s
7、ystem, and defines how to evaluate the performance isolation. Then, a test suite named VPI Test Suite is provided according the new performance isolation evaluation approach. VPI Test Suite can test both software and hardware performance isolation. It is mainly consisted of six interference programs
8、, which respectively test the performance isolation of cache, memory bandwidth, memory space, CPU, network and disk. VPI Test Suite provides a micro-result for user to analysis the performance isolation problem of the virtualization system along with the underlying hardware. Besides, we present the
9、results of testing virtualization system Xen and make an analysis of the results. Results highlight the weak points of current hardware and software (Xen) which lead to the problem of performance isolation. The experimental results show that, the cache, memory and disk performance isolation still ha
10、ve some big weak points to improve, in other words, the current virtualization system Xen is still unfair in fine-grained resource share. Key words: : Performance Isolation, Virtualization, Performance Evaluation, Benchmark 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任
11、何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学
12、位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论绪论 1.1 引言 引言 随着计算机硬件处理能力的增强，诞生于上个世纪六十年代的虚拟化技术开始 复苏。虚拟化技术最早是 IBM VM/370 分时系统，它是用来虚拟底层硬件的一种软 件技术1。 虚拟化技术具有天然的优越性，因此在商业应用中具有重要价值。虚拟化技术 在操作系统和硬件之间增加了一层虚拟机监控器，使得操作系统和硬件的紧耦合性 大大降低。操作系统和服务运行在虚拟机监控器之上，虚拟机监控器可以灵活地分 配虚拟机所使用的硬
13、件资源。同时，虚拟化技术在商业系统中的应用，增强了数据 中心的可维护性、促进了服务器的整合（Sever Consolation）2。通过虚拟化技术实 现的服务器的整合，可以保证每个虚拟机中服务的运行环境的隔离，使得同一台物 理机上的服务之间互不干扰。但是，虚拟化技术带有好处的同时也增加了系统复杂 度和性能开销。虚拟化所带来的性能开销主要存在于虚拟化技术自身和当前的硬件 平台。如何准确定位这些开销的位置，以及如何进一步降低虚拟化性能开销、提升 虚拟服务器的性能成为了一个非常关键的问题。在当前的虚拟化环境下的性能评测 领域，虚拟化系统的性能隔离度是一个非常重要的性能指标。 本节将给出研究的课题背景
14、，同时提出本研究所关注的问题；另外还介绍当前 虚拟化环境下性能评测领域的新理论和新方法，并且分析它们各自的优点和缺陷； 最后介绍课题的主要研究工作。 1.2 课题背景与研究内容课题背景与研究内容 本课题来源是国家重点基础研究发展计划（973 计划）项目：计算系统虚拟化基 础理论与方法研究，其中的子课题“虚拟计算系统评测理论与方法” 。 信息技术的快速发展，使计算机可以使用的资源种类越来越丰富，应用需求也 越来越多样。为了使计算资源可以更灵活动态地分配，虚拟化技术被引入到当前的 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 计算模式中。虚拟化技术可以实现服务器的整合
15、、虚拟机的在线迁移，降低了软硬 件间的耦合程度，增强了资源配置的灵活性，提升了系统的利用率。计算系统虚拟 化基础理论与方法研究就是围绕计算系统的动态构建、计算资源的高效透明和计算 环境的协调普适三个关键问题展开的。同时，为了实现虚拟环境的性能调优，进行 了虚拟计算系统评测理论与方法的研究。基于传统操作系统的性能评测理论和方法 由于没有意识的虚拟机监控器的存在，因而在评测虚拟化环境下的性能时存在一些 不足。课题“虚拟计算系统评测理论与方法”是以提升虚拟化计算系统的性能和可 用性为目标，面向计算资源虚拟化和动态构建的特征，从多个方面入手，对虚拟化 计算系统进行性能评价和可用性的理论方法、模型展开研
16、究。内容包括虚拟机系统 性能的比较和调优、可用性评测技术和计算资源仿真研究、性能评价模型研究以及 评测工具的开发，探索并提出一套较为完整的虚拟计算系统评测理论与技术、并研 制出相应的评测工具。 本课题是虚拟化系统评测理论与方法研究的一个子部分，关注于虚拟化平台的 性能隔离度，目的是为了评测并发现虚拟化平台中存在的细粒度的性能隔离问题。 研究围绕虚拟化环境下性能评测同传统操作系统下性能评测的不同点，吸收传统评 测理论与方法的优点，提出并实现一套关于虚拟化系统性能隔离度评测的理论和方 法。内容包括虚拟化性能隔离度评测方法的研究、评测标准的建立、评测套件的开 发以及评测结果的分析。 1.3 问题提出问题提出 虚拟化技术用途广泛，可以大大降低数据中心的管理成本2。比如，虚拟化可以 在一台主机上虚拟多个软件环境或者使得桌面用户可以在一个物理机上同时运行多 个操作系统。 当前的环境下，有三种主要虚拟化技术：全虚拟化技术、半虚拟化技术和操作 系统级的虚拟化技术。全虚拟化技术是指虚拟机管理程序为一个或多个在虚拟机上
