虚拟机迁移技术漫谈

虚拟机迁移技术漫谈如何在虚拟机和物理机以及虚拟机和虚拟机之间的迁移系统前言系统的迁移是指把源主机上的操作系统和应用程序移动到目的主机，并且能够在目的主机上正常运行。在没有虚拟机的时代，物理机之间的迁移依靠的是系统备份和恢复技术。在源主机上实时备份操作系统和应用程序的状态，然后把存储介质连接到目标主机上，最后在目标主机上恢复系统。随着虚拟机技术的发展，系统的迁移更加灵活和多样化。本系列文章全面介绍了虚拟机迁移的三种方式P2V、V2V和V2P，及他们在内核虚拟机KVM上的实现方法，分成五个部分。第一部分，介绍虚拟机迁移的各种方法和相应的迁移工具，并且着重分析Linux平台上开源的虚拟化工具KVM和XEN实时迁移中的的内存预拷贝技术；第二部分介绍KVM虚拟机之间的V2V迁移技术，包括离线迁移和在线迁移；第三部分介绍基于VMware或XEN的虚拟机如何迁移到基于KVM的虚拟机；第四部分介绍物理机到虚拟机迁移P2V和虚拟机到物理机迁移V2P在KVM虚拟机上的实现；第五部分介绍和虚拟机迁移密切相关的虚拟机克隆、快照和备份技术。回页首虚拟机迁移简介为什么要迁移服务器迁移服务器可以为用户节省管理资金、维护费用和升级费用。以前的x86服务器，体积比较“庞大”；而现在的服务器，体积已经比以前小了许多，迁移技术使得用户可以用一台服务器来同时替代以前的许多台服务器，这样就节省了用户大量的机房空间。另外，虚拟机中的服务器有着统一的“虚拟硬件资源”，不像以前的服务器有着许多不同的硬件资源（如主板芯片组不同，网卡不同，硬盘，RAID卡，显卡不同）。迁移后的服务器，不仅可以在一个统一的界面中进行管理，而且通过某些虚拟机软件，如VMware提供的高可用性工具，在这些服务器因为各种故障停机时，可以自动切换到网络中另外相同的虚拟服务器中，从而达到不中断业务的目的。总之，迁移的优势在于简化系统维护管理，提高系统负载均衡，增强系统错误容忍度和优化系统电源管理。虚拟机迁移的性能指标一个优秀的迁移工具，目标是最小化整体迁移的时间和停机时间，并且将迁移对于被迁移主机上运行服务的性能造成的影响降至最低。当然，这几个因素互相影响，实施者需要根据迁移针对的应用的需求在其中进行衡量，选用合适的工具软件。虚拟机迁移的性能指标包括以下三个方面：1.整体迁移时间：从源主机开始迁移到迁移结束的时间2.停机时间：迁移过程中，源主机、目的主机同时不可用的时间3.对应用程序的性能影响：迁移对于被迁移主机上运行服务性能的的影响程度。回页首虚拟机迁移的分类及原理物理机到虚拟机的迁移（Physical-to-Virtual）P2V指迁移物理服务器上的操作系统及其上的应用软件和数据到VMM（VirtualMachineMonitor）管理的虚拟服务器中。这种迁移方式，主要是使用各种工具软件，把物理服务器上的系统状态和数据“镜像”到VMM提供的虚拟机中，并且在虚拟机中“替换”物理服务器的存储硬件与网卡驱动程序。只要在虚拟服务器中安装好相应的驱动程序并且设置与原来服务器相同的地址（如TCP/IP地址等），在重启虚拟机服务器后，虚拟服务器即可以替代物理服务器进行工作。P2V迁移方法手动迁移：手动完成所有迁移操作，需要对物理机系统和虚拟机环境非常了解。i.关闭原有的物理机上的服务和操作系统，并且从其他媒质上启动一个新的系统。比如从LiveCD上启动一个新的光盘系统。大部分的发行版都会带有LiveCD。ii.把物理机系统的磁盘做成虚拟机镜像文件，如有多个磁盘则需要做多个镜像，并且拷贝镜像到虚拟主机上。iii.为虚拟机创建虚拟设备，加载镜像文件iv.启动虚拟机，调整系统设置，并开启服务。半自动迁移：利用专业工具辅助P2V的迁移，把某些手动环节进行自动化。比如将物理机的磁盘数据转换成虚拟机格式，这一向是相当耗时的工作，你可以选择专业的工具来完成这个步骤。这里有大量的工具可以使用，如RedHat的开源工具virt-p2v，MicrosoftVirtualServerMigrationToolkit等。P2V热迁移：迁移中避免宕机。大部分P2V工具也有一个很大的限制：在整个迁移过程中，物理机不可用。在运行关键任务的环境或有SLA（服务水平协议）的地方，这种工具不可选。幸运的是随着P2V技术的发展，VMwarevCenterConverter和MicrosoftHyper-V已经能够提供热迁移功能，避免宕机。目前，P2V热迁移仅在Windows物理服务器可用，未来将添加对Linux的支持。虚拟机到虚拟机的迁移（Virtual-to-Virtual）V2V迁移是在虚拟机之间移动操作系统和数据，照顾主机级别的差异和处理不同的虚拟硬件。虚拟机从一个物理机上的VMM迁移到另一个物理机的VMM，这两个VMM的类型可以相同，也可以不同。如VMware迁移到KVM，KVM迁移到KVM。可以通过多种方式将虚拟机从一个VMHost系统移动到另一个VMHost系统。V2V离线迁移离线迁移（offlinemigration）：也叫做常规迁移、静态迁移。在迁移之前将虚拟机暂停，如果共享存储，则只拷贝系统状态至目的主机，最后在目的主机重建虚拟机状态，恢复执行。如果使用本地存储，则需要同时拷贝虚拟机镜像和状态到目的主机。到这种方式的迁移过程需要显示的停止虚拟机的运行。从用户角度看，有明确的一段服务不可用的时间。这种迁移方式简单易行，适用于对服务可用性要求不严格的场合。V2V在线迁移在线迁移（onlinemigration)：又称为实时迁移(livemigration)。是指在保证虚拟机上服务正常运行的同时，虚拟机在不同的物理主机之间进行迁移，其逻辑步骤与离线迁移几乎完全一致。不同的是，为了保证迁移过程中虚拟机服务的可用，迁移过程仅有非常短暂的停机时间。迁移的前面阶段，服务在源主机运行，当迁移进行到一定阶段，目的主机已经具备了运行系统的必须资源，经过一个非常短暂的切换，源主机将控制权转移到目的主机，服务在目的主机上继续运行。对于服务本身而言，由于切换的时间非常短暂，用户感觉不到服务的中断，因而迁移过程对用户是透明的。在线迁移适用于对服务可用性要求很高的场景。目前主流的在线迁移工具，如VMware的VMotion，XEN的xenMotion，都要求物理机之间采用SAN（storageareanetwork），NAS（network-attachedstorage）之类的集中式共享外存设备，因而在迁移时只需要考虑操作系统内存执行状态的迁移，从而获得较好的迁移性能。另外，在某些没有使用共享存储的场合，可以使用存储块在线迁移技术来实现V2V的虚拟机在线迁移。相比较基于共享存储的在线迁移，数据块在线迁移的需要同时迁移虚拟机磁盘镜像和系统内存状态，迁移性能上打了折扣。但是他使得在采用分散式本地存储的环境下，仍然能够利用迁移技术转移计算机环境，并且保证迁移过程中操作系统服务的可用性，扩展了虚拟机在线迁移的应用范围。V2V在线迁移技术消除了软硬件相关性，是进行软硬件系统升级，维护等管理操作的有力工具。V2V内存迁移技术对于VM的内存状态的迁移，XEN和KVM都采用了主流的的预拷贝（pre-copy）的策略。迁移开始之后，源主机VM仍在运行，目的主机VM尚未启动。迁移通过一个循环，将源主机VM的内存数据发送至目的主机VM。循环第一轮发送所有内存页数据，接下来的每一轮循环发送上一轮预拷贝过程中被VM写过的脏页内存dirtypages。直到时机成熟，预拷贝循环结束，进入停机拷贝阶段，源主机被挂起，不再有内存更新。最后一轮循环中的脏页被传输至目的主机VM。预拷贝机制极大的减少了停机拷贝阶段需要传输的内存数据量，从而将停机时间大大缩小。然而，对于更新速度非常快的内存部分，每次循环过程都会变脏，需要重复pre-copy，同时也导致循环次数非常多，迁移的时间变长。针对这种情况，KVM虚拟机建立了三个原则：集中原则，一个循环内的dirtypages小于等于50；不扩散原则，一个循环内传输的dirtypages少于新产生的；有限循环原则，循环次数必须少于30。在实现上，就是采取了以下措施：有限循环：循环次数和效果受到控制，对每轮pre-copy的效果进行计算，若pre-copy对于减少不一致内存数量的效果不显著，或者循环次数超过了上限，循环将中止，进入停机拷贝阶段。在被迁移VM的内核设置一个内存访问的监控模块。在内存pre-copy过程中，VM的一个进程在一个被调度运行的期间，被限制最多执行40次内存写操作。这个措施直接限制了pre-copy过程中内存变脏的速度，其代价是对VM上的进程运行进行了一定的限制。KVM的预拷贝在线迁移过程详解：1.系统验证目标服务器的存储器和网络设置是否正确，并预保留目标服务器虚拟机的资源。图1.源服务器和目标服务器简图2.当虚拟机还在源服务器上运转时，第一个循环内将全部内存镜像复制到目标服务器上。在这个过程中，KVM依然会监视内存的任何变化。图2.内存镜像复制示意图3.以后的循环中，检查上一个循环中内存是否发生了变化。假如发生了变化，那么VMM会将发生变化的内存页即dirtypages重新复制到目标服务器中，并覆盖掉先前的内存页。在这个阶段，VMM依然会继续监视内存的变化情况。图3.进行有变化的内存复制4.VMM会持续这样的内存复制循环。随着循环次数的增加，所需要复制的dirtypages就会明显减少，而复制所耗费的时间就会逐渐变短，那么内存就有可能没有足够的时间发生变化。最后，当源服务器与目标服务器之间的差异达到一定标准时，内存复制操作才会结束，同时暂停源系统。图4.所需复制的数据在减少5.在源系统和目标系统都停机的情况下，将最后一个循环的dirty-pages和源系统设备的工作状态复制到目标服务器。图5.状态信息的复制6.然后，将存储从源系统上解锁，并锁定在目标系统上。启动目标服务器，并与存储资源和网络资源相连接。图6.停止源服务器，启动目标服务器Virtual-to-Physical虚拟机到物理机的迁移V2P指把一个操作系统、应用程序和数据从一个虚拟机中迁移到物理机的主硬盘上，是P2V的逆操作。它可以同时迁移虚拟机系统到一台或多台物理机上。尽管虚拟化的基本需求是整合物理机到虚拟机中，但这并不是虚拟化的唯一的应用。比如有时虚拟机上的应用程序的问题需要在物理机上验证，以排除虚拟环境带来的影响。另外，配置新的工作站是件令IT管理者头痛的事情，但虚拟化的应用可以帮助他解决这个难题。先配置好虚拟机，然后运用硬盘克隆工具复制数据至工作站硬件，比如赛门铁克的Save&Restore(Ghost)。不过这种克隆方法有两个局限：一个镜像只能运用在同种硬件配置的机器上；要想保存配置的修改，只能重做新的镜像。V2P的迁移可以通过确定目标的物理环境来手动完成，如把一个特定的硬盘加载到虚拟系统中，然后在虚拟环境中安装操作系统、应用程序和数据，最后手动修改系统配置和驱动程序。这是一个乏味且不确定的过程，特别是在新的环境比旧的环境包含更多大量不同的硬件的情况下。为了简化操作，我们可以利用专门的迁移工具以自动的方式来完成部分或全部迁移工作。目前支持V2P转换的工具有PlateSpinMigrate和EMCHomeBase。使用这样的工具使得V2P转换过程更简易，并且比使用第三方磁盘镜像工具更快捷。V2P迁移方法V2P的不确定性导致自动化工具不多，目前主要有以下几种解决方案：VMware官方推荐的是使用Ghost+sysprep来实现半自动化的迁移。基于备份和恢复操作系统的解决方案。这个方案利用了现成的系统备份恢复工具，没有体现虚拟机和物理机的差别，类似于P2P（Physical-to-Physical物理机到物理机迁移）。注意备份工具能够恢复系统到异构硬件平台上。开源工具的解决方案。适合Linux/Unix系统，使用开源工具和脚本，手动迁移系统。这个方案难度较大，适合有经验的管理员。回页首Linux系统在虚拟机迁移中的技术难点通常我们期望虚拟机的迁