Τεχνικές Πρόβλεψης για ζωντανή μεταφορά Εικονικών Μηχανών (VM Live Migration) σε Περιβάλλοντα Υπολογιστικού Νέφους

Abstract

Μια από τις βασικές τεχνολογίες εικονικοποίησης της Υποδομής-ως-Υπηρεσία (IaaS) στην εποχή του Cloud Computing είναι η ζωντανή μεταφορά (live migration) των εικονικών μηχανών (VMs). Μέσω του live migration, προβλήματα όπως η ενοποίηση των servers και η εξισορρόπηση φόρτου μεταξύ των φυσικών μηχανημάτων μπορούν να συντονιστούν. Ωστόσο, η μη διαθεσιμότητα της υπηρεσίας κατά τη διάρκεια του VM live migration μπορεί να είναι σημαντική σε σχέση με τις προσδοκίες των πελατών για την απόκριση των υπηρεσιών καθώς και τα επίπεδα ποιότητας της υπηρεσίας (QoS). Αυτές οι μετρικές δηλώνονται σε συμφωνίες σε επίπεδο υπηρεσιών μεταξύ πελάτη-παρόχου (SLAs). Συγκεκριμένα, για το live migration με pre-copy τεχνική αντιγραφής της μνήμης, υπάρχει το ρίσκο της μη σύγκλισης του αλγορίθμου και επομένως τη μη μετάβασή του στο stop-and-copy στάδιο. Αυτή η κατάσταση συμβαίνει όταν το VM γράφει στις σελίδες μνήμης ταχύτερα από το ρυθμό μεταφοράς των σελίδων αυτών από τον αρχικό host στον host προορισμού. Καθώς οι Cloud πάροχοι υπηρεσιών δεν μπορούν να ρυθμίσουν το ρυθμό ”βρώμικων” σελίδων (dirty page rate) της εφαρμογής που εκτελείται σε μια εικονική μηχανή, πρέπει να διαμορφώσουν τις συνθήκες τερματισμού του migration. Στην περίπτωση του QEMU/KVM λογισμικού ελέγχου, οι τροποποιήσιμες παράμετροι είναι η μέγιστη ταχύτητα μεταφοράς (max-bandwidth) και ο μέγιστος ανεκτός χρόνος μη λειτουργίας (downtime-limit). Λόγω του φυσικού δικτύου, το εύρος ζώνης έχει περιορισμένο άνω όριο και οι διαχειριστές δεν θέλουν να το εκμεταλλευτούν πλήρως. Επομένως, η παράμετρος downtime-limit θα πρέπει να διαμορφωθεί ώστε το pre-copy live migration να συγκλίνει και να ολοκληρωθεί με επιτυχία. Οι εφαρμογές με εκτεταμένες εγγραφές στη μνήμη είναι δύσκολο να μεταφερθούν, επειδή τα όρια του ρυθμού μεταφοράς και το downtime-limit δεν μπορούν να ρυθμιστούν βέλτιστα χωρίς να είναι γνωστή η συμπεριφορά της εφαρμογής. Προκειμένου να αντιμετωπιστούν οι προκλήσεις που προκύπτουν σχετικά με το πρόβλημα της σύγκλισης της pre-copy live migration τεχνικής στα σύγχρονα κέντρα δεδομένων, αναπτύσσουμε ένα framework για την παρακολούθηση των διαθέσιμων VMs όπου λαμβάνονται δυναμικές αποφάσεις και ενέργειες με βάση το αποτύπωμά τους στην μνήμη προτού ξεκινήσει το live migration. Υλοποιούμε ένα μηχανισμό που ονομάζεται BitmapTrace και ενσωματώνεται στο QEMU/KVM, ο οποίος καταγράφει τον αριθμό των dirty σελίδων της εικονικής μηχανής για μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο με overhead μόλις λίγα επιπλέον δευτερόλεπτα στο χρόνο εκτέλεσης της εφαρμογής. Χρησιμοποιούμε αυτόν τον μηχανισμό σε ένα σενάριο χρονοδρομολόγησης του migration ενός υποσυνόλου VMs από όσα εκτελούνται στο ίδιο φυσικό μηχάνημα. Παρακολουθώντας τη συμπεριφορά της μνήμης τους και χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο πρόβλεψης, επιλέγουμε για live migration τις εικονικές μηχανές χωρίς να παραβιάζεται η διαθεσιμότητα υπηρεσιών με βάση το συμφωνηθέν SLA. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται ένας συμβιβασμός μεταξύ των στόχων του Cloud παρόχου και των αναμενόμενων απαιτήσεων QoS των πελατών.