虚拟机热迁移技术介绍

本文分享自天翼云开发者社区《虚拟机热迁移技术介绍》，作者：潘****东

什么是虚拟机热迁移

虚拟机热迁移（Virtual Machine Live Migration）是一种技术，它允许在不中断虚拟机运行的情况下将虚拟机从一台物理主机迁移到另一台物理主机。

传统上，当需要迁移虚拟机时，必须先将虚拟机关机，然后将虚拟机的状态和数据从源主机复制到目标主机，最后再启动虚拟机。这种关机迁移方式会导致虚拟机暂时不可用，造成服务中断和用户体验下降。

而虚拟机热迁移则克服了这个问题，它允许在虚拟机继续运行的同时将其迁移到新的物理主机上。这意味着虚拟机的状态和数据可以在迁移过程中实时复制，并在迁移完成后立即在目标主机上继续运行，几乎没有对用户的可见中断。

虚拟机热迁移通常由虚拟化管理软件（如 VMware vSphere、Microsoft Hyper-V、OpenStack 等）提供支持。它需要源主机和目标主机之间的高速网络连接，以便实时复制虚拟机的内存、磁盘和网络状态。

虚拟机热迁移的应用场景包括负载均衡、资源优化、硬件维护和故障恢复。通过将虚拟机从一个主机迁移到另一个主机，可以实现对资源的动态调度和平衡，提高系统的可用性和灵活性。同时，用户可以在不中断服务的情况下对物理主机进行维护或故障恢复操作，提高系统的可靠性和可维护性。

常见的虚拟机迁移方法

Pre-Copy 算法

Pre-copy 算法是一种用于虚拟机热迁移的优化算法，它通过多次迭代的方式在源主机和目标主机之间传输虚拟机的内存页面，以减少迁移过程中的传输数据量和迁移时间。

Pre-copy 算法的基本思想是先快速迁移虚拟机的初始内存状态，然后在后续迭代中传输变化的内存页面，直到达到一定的收敛条件。这样可以在较短的时间内实现迁移，并最大程度上减少虚拟机的停机时间和用户的感知中断。

下面是 Pre-copy 算法的基本步骤：

1.初始迁移（Initial Migration）：在迁移开始时，首先将虚拟机的初始内存页面从源主机传输到目标主机。这一阶段通常采用较高的带宽传输，以尽快完成初始迁移，但并不要求完全传输所有内存页面。

2.迭代传输（Iterative Transfer）：在初始迁移完成后，源主机和目标主机开始进行迭代传输。在每次迭代中，源主机会将虚拟机内存页面的变化部分传输给目标主机。这些变化部分通常是在初始迁移后发生的写操作引起的。目标主机接收到变化页面后，会将其合并到已经迁移的内存中。

3.收敛判断（Convergence Check）：在每次迭代传输后，需要进行收敛判断。收敛判断是根据一定的准则来判断是否继续迭代传输。例如，可以设置一个阈值，当变化页面的比例低于阈值时，认为迁移已经收敛，停止迭代。

4.完成迁移（Migration Completion）：当收敛判断满足时，表示迁移已经完成。此时，目标主机上的虚拟机已经包含了源主机上所有的内存页面，并且在迁移过程中的变化页面也已经传输完毕。虚拟机可以在目标主机上继续运行，而用户几乎感知不到中断。

Pre-copy 算法的优势在于它可以快速进行初始迁移，并通过迭代传输的方式减少后续的数据传输量。这样可以在有限的时间内完成迁移，并减少对网络带宽的需求。然而，Pre-copy 算法也存在一些挑战，如对网络延迟和带宽的敏感性，以及在高写入负载下的迁移效果下降等问题。因此，实际应用中需要根据具体情况选择合适的迁移算法和策略。

Post-Copy 算法

Post-Copy 算法是虚拟机热迁移中的一种优化算法，它与 Pre-copy 算法相反。Post-Copy 算法的基本思想是先迁移虚拟机的控制流程，然后在后续迭代中逐步传输虚拟机的内存页面。

下面是 Post-Copy 算法的基本步骤：

1.初始迁移（Initial Migration）：与 Pre-copy 算法类似，初始迁移阶段将虚拟机的初始内存页面从源主机传输到目标主机。这确保了虚拟机的控制流程可以在目标主机上执行。

2.内存页面传输（Memory Page Transfer）：在初始迁移完成后，目标主机上的虚拟机开始运行，但其内存中只包含部分内存页面，还有一些页面尚未传输到目标主机。当虚拟机试图访问尚未传输的页面时，会发生缺页中断。在缺页中断发生时，源主机会将缺失的内存页面传输给目标主机，以满足虚拟机的需求。

3.缺页中断处理（Page Fault Handling）：目标主机接收到缺失的内存页面后，会将其插入到虚拟机的内存中，并继续执行虚拟机的控制流程。这个过程可能会引发新的缺页中断，如果发生新的缺页中断，源主机会再次传输缺失的页面。

4.收敛判断（Convergence Check）：在每次缺页中断处理后，会进行收敛判断，判断是否继续传输缺失的内存页面。通常，可以设置一个收敛条件，例如传输的页面数量或时间间隔。如果达到收敛条件，则认为迁移已经收敛，停止传输。

5.完成迁移（Migration Completion）：当收敛判断满足时，表示虚拟机的内存页面已经在迁移过程中逐步传输完毕。虚拟机可以在目标主机上继续运行，并且用户的感知中断时间较短。

Post-Copy 算法的优势在于它可以快速启动虚拟机，并减少初始迁移所需的时间和带宽。它将重点放在迁移虚拟机的控制流程，尽快使虚拟机在目标主机上运行，而不必等待所有内存页面的传输。然后，通过缺页中断处理逐步传输缺失的页面，减少了对网络带宽的需求。

然而，Post-Copy 算法的缺点是在迁移过程中可能会发生频繁的缺页中断，对应用程序的性能产生一定影响。因此，在实际应用中，需要权衡迁移时间和应用程序性能，并根据具体情况选择合适的迁移算法。

Pre-Copy 算法和 Post-Copy 的对比

1.迁移策略：

Pre-copy 算法：Pre-copy 算法采用先传输内存页面再执行虚拟机的策略。它在初始迁移阶段快速将虚拟机的初始内存页面传输到目标主机，然后通过多次迭代传输变化的内存页面。这种策略可以在较短时间内完成迁移，减少虚拟机的停机时间。

Post-Copy 算法：Post-Copy 算法采用先迁移控制流再逐步传输内存页面的策略。它在初始迁移阶段快速启动虚拟机，并将部分内存页面传输到目标主机，然后通过缺页中断处理逐步传输缺失的页面。这种策略可以在较短时间内使虚拟机在目标主机上运行，并减少初始迁移所需的时间和带宽。

2.迁移效果：

Pre-copy 算法：Pre-copy 算法可以快速进行初始迁移，并在后续迭代中逐步传输变化的内存页面。这样可以最大程度上减少虚拟机的停机时间和用户的感知中断。然而，在高写入负载下，Pre-copy 算法可能需要频繁迭代传输内存页面，导致迁移效果下降。

Post-Copy 算法：Post-Copy 算法将重点放在迁移控制流程上，尽快使虚拟机在目标主机上运行，并通过缺页中断处理逐步传输内存页面。这种方式可以减少初始迁移所需的时间和带宽，并在迁移过程中逐步恢复虚拟机的完整内存状态。然而，在迁移过程中可能会发生频繁的缺页中断，对应用程序的性能产生一定影响。

3.带宽需求：

Pre-copy 算法：Pre-copy 算法在初始迁移阶段需要较高的带宽来快速传输初始内存页面，后续迭代传输的带宽需求较低，因为只传输变化的内存页面。但是，如果迁移过程中发生大量页面变化，仍然可能需要较高的带宽来支持迭代传输。

Post-Copy 算法：Post-Copy 算法在初始迁移阶段只传输部分内存页面。

在 KVM 中实现虚拟机热迁移

要在 KVM 中实现虚拟机的热迁移，可以按照以下步骤进行操作：

1.确保基础设置：

确保源主机和目标主机之间具有网络连通性，可以相互访问。

确保源主机和目标主机具有相同的 CPU 类型和体系结构，以确保迁移的兼容性。

2.配置共享存储：

确保源主机和目标主机可以访问共享的存储资源，如共享存储区域网络（SAN）或网络文件系统（NFS）。

在源主机和目标主机上设置相同的存储路径，以便虚拟机的磁盘镜像可以在迁移过程中保持一致。

3.启用迁移支持：

在 KVM 宿主机上启用虚拟机热迁移的支持。这通常需要在主机的 KVM 配置文件中设置相关参数，如将迁移模式设置为"live"。

也可以使用管理工具（如 libvirt 或 virsh 命令）来启用迁移支持。

4.执行虚拟机热迁移：

使用管理工具（如 libvirt 或 virsh 命令）执行虚拟机热迁移操作。例如，使用 virsh 命令可以执行以下命令：virsh migrate --live <虚拟机名称> qemu+tcp://<目标主机 IP>/system

5.监控迁移过程：

在迁移过程中，可以使用工具或命令来监控迁移的进度和状态。例如，使用 virsh 命令的 migrate 子命令可以查看迁移状态。

6.完成迁移：

一旦所有的内存页面和虚拟机状态都被传输到目标主机，并且虚拟机在目标主机上完全恢复，迁移过程就完成了。

在目标主机上验证虚拟机的正常运行和配置是否正确。

参考 KVM 热迁移指南：https://www.linux-kvm.org/page/Migration