基于虚拟机的网络资源管理关键技术研究

admin · 发表于 4 小时前

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随着计算机和互联网技术的快速发展，互联网聚合的大量资源显现出总量丰富与利用率低的矛盾。为满足不断增长的大规模计算能力、海量数据处理能力的应用需求，如何将广域分布的异构、自治的资源进行按需组织和管理，以实现动态、跨自治域的资源共享并提高资源综合利用率已成为重要的科学题目之一。针对网络资源管理题目，研究人员提出网格计算、云计算、虚拟计算等多种计算模式，取得了丰硕的研究成果，并在不断发展中相互融合。其中，由于虚拟机有助于实现的网络化软件的隔离运行，提高资源用率，支持网络资源的有效共享，基于虚拟机的网络资源管理模式目前已成为多种网络计算模式中的一个热点方向。然而，由于网络资源具有异构、分布、动态、自治的自然特征，给基于虚拟机的网络资源管理研究带来诸多新的题目。首先，网络资源的异构性包括硬件平台、操作系统、开发语言和运行环境等方面，它将直接阻碍网络化软件部署和运行。其次，网络资源的分布性所蕴含的低带宽、高延时等网络特征，对基于虚拟机在线迁移的网络资源调度和管理技术提出了挑战。第三，由于网络资源的加入、退出、升级、维护、负载变化、失效等不可预测的动态性，均会影响软件的持续稳定运行，网络资源管理需要研究如何屏蔽资源的动态变化。最后，网络上不存在单一的资源管理“权威”，资源是由“各自为政”的局部自治域组成，跨自治域资源的访问安全机制，是实现网络资源管理的关键。本文主要研究基于虚拟机的网络资源管理技术，针对网络资源的异构、分布、动态、自制等特点，实现对网络资源的有效管理，以提高资源利用率，保障软件运行的性能、安全性和可靠性。本文主要研究结果如下：1) 为实现网络化软件的隔离运行，本文设计了基于虚拟机的虚拟计算环境iVIC的体系结构，提出了虚拟机网络协议iVIC-VPN，它采用集中管理、点到点数据传输的方法，保证虚拟机网络的运行效率，为软件提供高效的隔离运行环境。实验分析表明，iVIC-VPN虚拟网络协议能有效提高网络多点并行传输效率，典型网络应用在基于iVIC-VPN技术的虚拟机网络中性能损失在20%以内。2) 针对虚拟机在广域网络环境中迁移所面临的网络连通性题目和磁盘传输题目，本文提出了一种面向广域网的虚拟机在线、高效的迁移机制。提出了一种基于虚拟机监控器控制的网络连通性保障机制HyperMIP，实现了虚拟机的跨子网迁移，迁移宕机时间在3s左右，有效解决了广域网迁移的网络连通性题目；提出了一种基于本地软件仓库的虚拟机磁盘传输方法，在低带宽下可实现3-5倍的磁盘传输加速比，有效解决了低带宽下的磁盘传输题目。3) 提出了一种基于虚拟机快照增量传输的软件可靠性保障机制，它通过持续迁移技术备份虚拟机的运行状态，在宿主机发生故障时，能够回滚至虚拟机前一时刻的运行状态，从而保障了软件的可靠性。并针对传统虚拟机可靠性保障机制中单一备份点的题目，提出了基于多播的一对多备份方案。初步实验表明，可靠性保障机制下运行软件性能损失在20%左右，同时网络传输带宽不随着备份数显著增加。4) 设计了虚拟机安全网关vGateway，改变了传统虚拟机迁移中原宿主机和目的宿主机的直接连接的模式，实现了基于网关的虚拟机间接迁移方式，并通过安全网关实现虚拟机迁移中的跨自治域防火墙穿越、身份认证、授权和安全通信，保障了基于虚拟机的网络资源管理中跨自治域资源共享的安全性。实验分析表明虚拟机安全网关vGateway的身份认证时间在350ms左右、建立的安全隧道峰值传输速率在300M以上，安全隧道传输往返延时在200us以内。

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