● 摘要
虚拟机中的关键数据和关键服务的可靠性是云计算环境最关注的问题之一。虚拟机磁盘快照技术是一种保障云平台可靠性的重要途径，其典型的优势是快照机制与虚拟机内部的操作系统、文件系统以及应用程序无关，因此可以透明的为不同的系统提供统一的快照与恢复机制。 现有的系统虚拟化解决方案大都提供了虚拟机磁盘快照的功能，然而现有的虚拟机磁盘快照系统存在如下一些问题：第一，采用多级树形索引结构作为元数据，增加了访问虚拟机磁盘簇的开销；第二，快照时对虚拟机运行状态数据采用了与虚拟机磁盘数据相同方式写入，影响了虚拟机在线快照性能；第三，快照机制采用单一的写时复制（Copy-On-Write，COW）或写实重定向（Redirect-On-Write，ROW）方式，存在虚拟机磁盘I/O性能损失。这些问题不仅影响了虚拟机的快照性能和I/O性能，而且影响了虚拟机提供的服务可用性。 针对上述问题，本文从虚拟机磁盘快照的元数据设计和快照方式设计两个关键问题出发，基于KVM（Kernel-based Virtual Machine）虚拟块设备驱动框架，设计并实现了高效虚拟机磁盘快照系统iROW（Improved Redirect-On-Write）。其主要贡献是： 1)提出一种基于bitmap的轻量级元数据结构，有效减少了虚拟机磁盘元数据量，同时使虚拟机磁盘的快照关键操作性能和I/O性能得到提升。 2)提出一种虚拟机运行状态数据与虚拟机磁盘数据分离存储机制，不需为虚拟机运行状态数据指定元数据，提升了虚拟机运行状态数据的保存和加载效率，显著缩短了虚拟机在线快照的停机时间。 3)提出一种将写时重定向与按需复制（Copy-On-Demand）相结合的快照方式，有效避免了写时复制快照方式存在的快照后首次写操作的额外I/O开销问题，同时解决了写时重定向快照方式存在的数据碎片化问题，提升了I/O性能。 4)设计了基于稀疏文件的虚拟机磁盘存储空间分配方案，通过利用底层文件系统对稀疏文件的支持，实现了虚拟机磁盘镜像文件大小随实际使用量逐渐增长。 本文通过多种实验对iROW的功能和性能进行了定性验证和定量测试，并将iROW的性能与KVM现有的qcow2虚拟机磁盘镜像格式，以及传统的写时重定向方式进行对比。试验结果表明：首先，iROW的快照关键操作效率有显著优势，在线快照停机时间明显缩短；其次，iROW的I/O性能损失小，并且可有效解决传统写时重定向方式存在的数据碎片化问题；最后，iROW的物理磁盘存储性能较高，实际存储空间使用量与qcow2基本相同。