CN110083435A - 基于联盟形成的虚拟机迁移设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及负载均衡、匹配博弈领域，特别涉及基于联盟形成的虚拟机迁移设计方法。本发明为了寻找最优的联盟结构（即虚拟机群体形成），提出一种动态的，迭代的联盟形成算法，来共同考虑待迁移虚拟机分配和通信成本最小化问题。同时虚拟机迁移过程中，考虑低负载物理机的容量问题，即迁移后负载不超过阈值。

Description

基于联盟形成的虚拟机迁移设计方法

技术领域

本发明涉及负载均衡、匹配博弈领域，特别涉及基于联盟形成的虚拟机迁移设计方法。

背景技术

为了更好的组织维护云计算数据中心庞大的I T基础设施资源,云计算***引入了虚拟化技术，通过将一台物理服务器分割为若干个相互隔离的虚拟服务器，实现对于物理资源的动态分割，提高***的资源利用率，降低管理难度，同时屏蔽了底层硬件资源的异构性。当前，计算***的资源规模不断扩展，种类日益丰富，处理能力快速增强，应用需求也灵活多样，虚拟化技术能够动态地组织各种计算资源，实现透明化的***架构，从而可以灵活构建计算环境来满足多种应用需求，并且可以大大减少服务器的数量，降低能耗，这使虚拟机技术越来越受到关注。为了保证负载均衡，高负载物理机将虚拟机迁移到低负载物理机上，来实现云环境中的负载均衡问题。

在本发明作出之前，现有的虚拟机迁移仍然存在着如下问题：

1)负载不均衡。用于云计算的数据中心通常执行效率不高。这种低效通常与虚拟机(vm)分配方式不当有关，从而导致资源负载分布不均衡。

2)通信成本高。来自同一个用户的虚拟机之间需要进行通信，我们假设同一个物理机上的虚拟机之间通信成本为0，因此我们考虑来自不同物理机上的虚拟机之间的通信成本。若虚拟机分配方式不当，会导致通信成本过高。

3)迁移成本高。虚拟机迁移过程中会产生迁移成本。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述问题，研发基于联盟形成的虚拟机迁移设计方法。

本发明的技术方案是：

基于联盟形成的虚拟机迁移设计方法，其特征在于，步骤如下：

(1)云环境中有m台物理机，n台部署在物理机上的虚拟机(其中，m为物理机总数，n为虚拟机总数)；

(2)选择待迁移的虚拟机：从高负载物理机上选择一台或多台虚拟机进行迁移，直到物理机负载低于阈值(阈值设置为物理机负载的百分比，实验时，可以简约抽象成运行时内存占用)；

(3)待迁移虚拟机联盟形成：将待迁移的虚拟机进行联盟划分，联盟与低负载的物理机一一映射；

(4)交换操作：对于待迁移的虚拟机形成的联盟交换操作。

优选地，步骤(2)中，按虚拟机的通信成本升序排序，当负载高于阈值时，不断迁移虚拟机，直到负载在合理范围内，选择待迁移虚拟机过程结束。

优选地，步骤(3)中，对剩余待迁移虚拟机迭代使用背包算法，找到虚拟机联盟；当所有虚拟机形成联盟，联盟形成初始化完成。

优选地，步骤(4)中，在能减少虚拟机之间通信成本的情况下，不同联盟的虚拟机间进行交换操作。

优选地，不同联盟的虚拟机间迭代进行交换操作，直至各个联盟中成员稳定，得到最优联盟划分。

优选地，所述步骤(2)中选择待迁移的虚拟机是应用选择算法来实现，包括如下步骤：

步骤a：计算每台物理机上的虚拟机“重量”之和，“重量”指代虚拟机上部署的应用产生的负载，得到“重量”之和集合W＝{w₁,w₂,…w_m}；

步骤b：对于任意w_i属于W，如果w_i小于F，标记物理机m_i为低负载，加到低负载物理机集合W_L,如果F<w_i<F’，标记物理m_i为合理负载，加到合理负载物理机集合W_S,如果w_i大于F’,标记物理机m_i为高负载，加到高负载物理机集合W_H(其中F为低负载阈值，F’为高负载阈值)；

步骤c：对于m_i中的每台虚拟机，计算其通信成本之和，并按通信成本升序，“重量”降序排序；

步骤d：排好序之后，对于任意属于m_i，表示第i台物理机上的n台虚拟机，第i台虚拟机以表示；如果移除它，m_i的虚拟机“重量”在合理负载范围，移除它，放到待迁移虚拟机集合Q中，跳出本次循环，开始下一次；如果移除它，m_i的虚拟机“重量”在高负载范围，移除它，放到迁移虚拟机集合Q中，继续本次循环，判断下一个虚拟机；如果移除它，m_i的虚拟机“重量”在低负载范围，移除它，放到迁移虚拟机集合Q中，跳出本次循环，开始下一次，同时把m_i放到W_L中；

步骤e：循环结束后，输出待迁移虚拟机集合Q，低负载物理机集合W_L，合理负载物理机集合W_S和高负载物理机集合W_H。

本发明的优点和效果在于：考虑到一种新颖的虚拟机迁移机制，将它与联盟博弈论结合起来，合并了虚拟机联盟形成与匹配博弈理论；提出了一种新颖的选择算法，选择出待迁移的虚拟机。为了寻找最优的联盟结构(即虚拟机群体形成)，提出一种动态的，迭代的联盟形成算法，来共同考虑待迁移虚拟机分配和通信成本最小化问题。同时虚拟机迁移过程中，考虑低负载物理机的容量问题，即迁移后负载不超过阈值。

附图说明

图1——本发明云环境中物理机虚拟机分布模型示意图；

图2——本发明联盟合并过程示意图；

图3——本发明联盟分割过程示意图。

具体实施方式

基于联盟形成的虚拟机迁移设计方法，主要包括选择待迁移虚拟机、待迁移虚拟机联盟形成和联盟-低负载物理机匹配三个阶段，实现了云环境中的物理机负载均衡，并在尽可能降低通信成本和迁移成本的情况下。

云环境中有m台物理机，物理机上部署着一些虚拟机，本实施例采用M＝{m₁,m₂,...,m_m}表示物理机集合,其中m_i表示的是第i台物理机；表示第i台物理机上的n台虚拟机，第i台虚拟机以表示；每台虚拟机有自己的“重量”(“重量”，这里指代虚拟机上部署的应用产生的负载)；每台物理机上虚拟机“重量”之和的集合W＝{w₁,w₂,...,w_m}，其中w_i表示的是第i台物理机上虚拟机“重量”之和；物理机合理负载(F，F’)，低于F表示的是低负载物理机，需要迁移进来部分虚拟机以达到合理负载；高于F’表示的是高负载物理机，需要迁移其中的部分虚拟机；W_L表示的是低负载的物理机的集合，W_S表示的是合理负载的物理机的集合，W_H表示的是高负载的物理机的集合，Q表示的待迁移的虚拟机集合。

如图1所示，物理机节点中部署的各个用户所拥有的虚拟机节点，可以看作是一个大图，由单个节点，及数量不等的多个节点构成的无向连通子图组成。而每个连通子图(单个节点)，都有其对应的邻接矩阵(表示顶点之间的相邻关系)。从而可以将一个大图转换成一个n X n的二维邻接矩阵(n表示虚拟机个数)，它是由k(用户个数)个小邻接矩阵组成(每个用户拥有的虚拟机对应的无向连通子图的邻接矩阵)。

选择待迁移虚拟机阶段主要是应用选择算法来实现，包括如下步骤：

步骤a：计算每台物理机上的虚拟机“重量”之和，得到“重量”之和集合W＝{w₁,w₂,…w_m}；

步骤b：对于任意w_i属于W，如果w_i小于F，标记物理机m_i为低负载，加到低负载物理机集合W_L,如果F<w_i<F’，标记物理m_i为合理负载，加到合理负载物理机集合W_S,如果w_i大于F’,标记物理机m_i为高负载，加到高负载物理机集合W_H；

步骤c：对于m_i中的每台虚拟机，计算其通信成本之和，并按通信成本升序，“重量”降序排序；

步骤d：排好序之后，对于任意属于m_i，如果移除它，m_i的虚拟机“重量”在合理负载范围，移除它，放到待迁移虚拟机集合Q中，跳出本次循环，开始下一次；如果移除它，m_i的虚拟机“重量”在高负载范围，移除它，放到Q中，继续本次循环，判断下一个虚拟机；如果移除它，m_i的虚拟机“重量”在低负载范围，移除它，放到Q中，跳出本次循环，开始下一次，同时把m_i放到W_L中；

步骤e：循环结束后，输出待迁移虚拟机集合Q，低负载物理机集合W_L，合理负载物理机集合W_S和高负载物理机集合W_H。

将待迁移虚拟机进行联盟划分，联盟与低负载物理机一一映射。

本发明用集合S代表联盟，S＝{vm₁，vm₂，…，vm_k}，联盟结构∏由联盟S组成，S∈Π。

联盟划分过程如下：

定义1：给定任意两个联盟划分Π¹和∏²，则优选Π¹当且仅当以下条件满足：

其中C(Π¹)和C(Π²)分别是联盟划分Π¹和Π²的虚拟机之间的总通信成本。

总通信成本C(Π)计算如下：

其中，u(i)和u(j)分别为虚拟机i和虚拟机j迁移前所在的物理机。P_i和P_j分别为迁移后虚拟机i和虚拟机j所在的物理机。C′为数据量，d为P_i和P_j之间的距离。

动态改变待迁移虚拟机的联盟划分，使得虚拟机之间的总通信成本最小化。本发明定义两种简单的操作改变联盟划分：合并和分割。联盟的合并与分割操作具体如图2、图3所示：

合并操作：当且仅当C(S₁∪S₂)＜C(S₁)+C(S₂),联盟S₁和联盟S₂合并成一个更大的联盟S₁∪S₂。

分割操作：当且仅当C(S₁∪S₂)＞C(S₁)+C(S₂),联盟S₁∪S₂分割成两个联盟S₁和S₂。

由于联盟的个数是确定的，再加上有一些约束条件(选择目标主机，迁移虚拟机，目标主机资源使用率不得大于阈值。在迁移的过程中要考虑各个联盟中的虚拟机之间的通信成本，要使得总通信成本尽可能低)，所以产生的联盟结构数量是有限的。在当前的联盟结构的分配下，重新进行联盟形成：

第一次迭代：寻找一个符合容量限制的交换操作，重新计算两种联盟结构下的总通信成本，并比较；

第二次迭代：在新的联盟结构下寻找一个符合容量限制的交换操作，重新计算两种联盟结构下的总通信成本，并比较；

如此重复迭代，直到联盟结构是稳定的。

Claims (6)

1.基于联盟形成的虚拟机迁移设计方法，其特征在于，步骤如下：

(1)云环境中有m台物理机，n台部署在物理机上的虚拟机，m为物理机总数，n为虚拟机总数；

(2)选择待迁移的虚拟机：从高负载物理机上选择一台或多台虚拟机进行迁移，直到物理机负载低于阈值；

(3)待迁移虚拟机联盟形成：将待迁移的虚拟机进行联盟划分，联盟与低负载的物理机一一映射；

(4)交换操作：对于待迁移的虚拟机形成的联盟交换操作。

2.根据权利要求1所述的基于联盟形成的虚拟机迁移设计方法，其特征在于，步骤(2)中，按虚拟机的通信成本升序排序，当负载高于阈值时，不断迁移虚拟机，直到负载在合理范围内，选择待迁移虚拟机过程结束。

3.根据权利要求2所述的基于联盟形成的虚拟机迁移设计方法，其特征在于，步骤(3)中，对剩余待迁移虚拟机迭代使用背包算法，找到虚拟机联盟；当所有虚拟机形成联盟，联盟形成初始化完成。

4.根据权利要求3所述的基于联盟形成的虚拟机迁移设计方法，其特征在于，步骤(4)中，在能减少虚拟机之间通信成本的情况下，不同联盟的虚拟机间进行交换操作。

5.根据权利要求4所述的基于联盟形成的虚拟机迁移设计方法，其特征在于，不同联盟的虚拟机间迭代进行交换操作，直至各个联盟中成员稳定，得到最优联盟划分。

6.根据权利要求1或2所述的基于联盟形成的虚拟机迁移设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中选择待迁移的虚拟机是应用选择算法来实现，包括如下步骤：

步骤a：计算每台物理机上的虚拟机“重量”之和，“重量”指代虚拟机上部署的应用产生的负载，得到“重量”之和集合W＝{w₁，w₂，…w_m}；

步骤b：对于任意w_i属于W，如果w_i小于F，标记物理机m_i为低负载，加到低负载物理机集合W_L，如果F＜w_i＜F’，标记物理m_i为合理负载，加到合理负载物理机集合W_S，如果w_i大于F’，标记物理机m_i为高负载，加到高负载物理机集合W_H；其中，F为低负载阈值，F’为高负载阈值；

步骤c：对于m_i中的每台虚拟机，计算其通信成本之和，并按通信成本升序，“重量”降序排序；

步骤d：排好序之后，对于任意属于m_i，表示第i台物理机上的n台虚拟机，第i台虚拟机以表示；如果移除它，m_i的虚拟机“重量”在合理负载范围，移除它，放到待迁移虚拟机集合Q中，跳出本次循环，开始下一次；如果移除它，m_i的虚拟机“重量”在高负载范围，移除它，放到迁移虚拟机集合Q中，继续本次循环，判断下一个虚拟机；如果移除它，m_i的虚拟机“重量”在低负载范围，移除它，放到迁移虚拟机集合Q中，跳出本次循环，开始下一次，同时把m_i放到W_L中；

步骤e：循环结束后，输出待迁移虚拟机集合Q，低负载物理机集合W_L，合理负载物理机集合W_S和高负载物理机集合W_H。