为了获得的目的图卢兹大学博士学位发布人：图卢兹国立理工学院（图卢兹INP）学科或专业：网络、电信、系统和体系结构提交人和支持人：M. Mathieu Bacou于2020年5月12日星期二标题：多虚拟化云中的性能和资源管理博士学校：图卢兹数学、计算机科学、电信（MITT）研究单位：图卢兹计算机科学研究所（IRIT）论文主任：M. 丹尼尔·哈根蒙特M.阿兰·查纳报告员：M. Jean-Marc Menaud，大西洋IMTM. 皮埃尔·森斯，巴黎第六大学评审团成员：M. Andre Luc Beylot，图卢兹INP，总裁M. Alain Tchana，里昂高等师范学校，成员M. DANIEL HAGIMONT，图卢兹INP，成员FABIENNE BOYER女士，格勒诺布尔阿尔卑斯大学，成员论文多虚拟化云中的性能和资源管理马蒂厄·巴库2020年5月12日导演：Daniel Hagimont教授Alain TchanaCIFRE联合主任*：M.蒂埃里·卡米内尔图卢兹大学博士学位由图卢兹国立理工学院颁发*CIFRE论文编号2016/1561，与Atos Origin Integration合作本论文由LATEX和KOMA-Script排版。感谢我的父母，感谢他们无限的支持。为了我，为了她在我身上看到的一切vii谢谢你我首先要感谢我的你们我非常感谢你。然后我转向瓦伦丁和亚历山大，我最好的朋友，他们一直和我在一起，尽管我的性格确定和固执。但我更愿意用我们的心灵故事、旅行和假期来想你!当然，虽然你最近在我的生活占有一席之地，但这个地方对我来说非常重要。如果没有你，我论文的最后几个月会有很大的不同，我对你给我带来的这种联系感激不尽显然，谢谢你。也感谢格雷瓜尔，我发现自己在这个艰难的冒险，但我们设法看到了结束!我要感谢我的论文导师Daniel Ha-gimont和Alain Tchana，感谢他们有效的建议和监督;还要感谢Atos Intégration及其员工Thierry Caminel和Jean-Pierre Belmonte，他们在我完成CIFRE论文期间一直陪伴着当然，要感谢我们的秘书Sylvie Armengaud、Muriel Pernier和AnnabelleSansus，没有他们，我们的研究将不那么容易。我也要对先生们表示感谢Pierre Sens和Jean-Marc Menaud，他们同意最后，我要感谢实验室里所有的同事，首先是Boris Teabe，他从我第一次实习以来就没有感谢你们在我的生活和我的论文中所扮演的角色!ix摘要云计算使企业能够通过与其他用户共享需求来降低使用IT的障碍和成本。虚拟化技术实现了这种共享它是虚拟化解决方案在不同标准下的有效性是云提供商和客户关注的核心问题。前者希望利用现有的物理资源为尽可能多的客户提供 因此，虚拟化解决方案必须能够在不浪费资源的情况下分配资源。能源消耗也是一个重要的支出项目，他们正在寻求最大限度地减少。另一方面，客户希望以最低的成本保证其性能和可预测性：虚拟化解决方案必须提供相同级别的性能，尽管将两种主要的虚拟化解决方案是虚拟机和容器。在资源管理和绩效方面，它们各有优缺点但是，可以将那么，如何在这种新环境中充分利用这两种解决方案的功能呢？本文探讨了这两种解决方案及其组合所面临的问题，并提出了通过多虚拟化实现更好的性能、更深入的资源管理和更低的成本的 它首先描述了一种整合第一层工作负载以降低能耗的方法;其次描述了一种将资源分配给第二层容器的算法，以解决其固有的性能可预测性问题;第三描述了两个连接系统，以优化多虚拟化网络，从而提高性能和资源利用率，并降低客户的云成本。 这项工作适用于嵌套虚拟化的所有级别，以进一步推动多虚拟化技术的发展。xi摘要公司使用云计算来降低使用信息技术作为资源的投入和使用成本。云计算实现这些较低成本的主要特征是与其他用户的资源池。正是虚拟化技术实现了资源池其原则是将数据中心的物理、具体资源作为虚拟、抽象资源进行销售。云提供商和客户的核心问题是虚拟化解决方案在各个方面的效率。以前的客户希望利用其数据中心的给定物理资源为尽可能多的客户提供服务这强调了虚拟化解决方案以有限的浪费分配资源的能力优化的另一个目标是数据中心的功耗高效的资源管理对IT有很大的影响。对于云计算客户，他们寻求性能保证，包括可预测性。然而，虚拟化解决方案必须以相同的性能水平为它们提供服务，尽管物理资源被抽象为虚拟资源。尽可能便宜地购买云资源也是一个优先事项。有两种主要的虚拟化解决方案：虚拟机和容器。在资源管理和绩效方面，两者都有自己的一套利润和回报。但是，容器可以嵌套在虚拟机中，从而构建两层多虚拟化云。在这种新环境中，如何最好地使用这两种解决方案？本文探讨了两种解决方案及其组合的问题。它提供了新的系统，以获得更好的性能，改善资源管理，并提供廉价的云服务使用多虚拟化。首先，它描述了一种新的第一层工作负载整合方法，以进一步降低功耗;其次，它描述了一种将资源分配给第二层容器的算法，该算法解决了其固有的性能可预测性问题;第三，它描述了两个联合系统，该系统优化多虚拟化网络，以提高性能和资源利用率，并节省云使用的资金。这些工作适用于任何级别的嵌套虚拟化，以推动多虚拟化技术的发展。xiii材料表总结IX摘要XI1. 引言12. 背景和问题52.1. 云。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...52.1.1.演示文稿。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...52.1.2.部署模型。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...82.1.3.服务类型102.1.4.技术132.2. 虚拟化162.2.1.演示文稿162.2.2.虚拟化模式162.2.3.虚拟化模式比较242.2.4.虚拟化的应用272.3. 问题282.3.1.虚拟化资源管理282.3.2.性能和可预测性292.3.3.双重虚拟化云中的问题302.3.4.捐款313. 工作负载整合：Drowsy-DC333.1. 导言333.1.1.能源效率343.1.2.合并的限制363.1.3.虚拟化内存问题363.1.4.整合的新愿景373.2. 初步概念383.2.1.VM特性：SLMU、LLMU、LLMI403.2.2.能量状态403.3. 概述xiv材料表3.4. 基于不活动的合并。 . . . . . . . . ...443.4.1. 原则。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...443.4.2.建立不活动模型（MI）。 . . . ...453.4.3.计算不活动概率（PI）。. . . . ...463.4.4.与OpenStack集 成 。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...473.4.5. 合成。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...503.5. 已更新不活动模型。 . . . . . . . . . . . ...513.5.1.计算SI X评分。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...513.5.2.计算重量w X。 . . . . . . . . . . . . . . . ...533.6. 暂停服务器。 . . . . . . . . . . . . . . . . ....543.6.1.检测不活动。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...553.6.2.缓刑期。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...563.7.恢复服务器。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...3.7.1.收到请求后恢复。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...56573.7.2.计划恢复。 . . . . . . . . . . . . . . . . . ...573.7.3.恢复双虚拟化服务器。. . . ...583.8. 优化服务器恢复。 . . . . . . . . . .3.8.1.恢复核心。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...58603.8.2.恢复网卡 . . . . . . . . . . . . . ...613.9. 评估。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...613.9.1.在真实环境中进行评估。 . . . . . . . . ...613.9.2.通过模拟进行评估。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...713.10. 最先进的技术。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...3.10.1. 低能量状态。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...74743.10.2.工作量的整合。 . . . . . . ...753.11. 结论。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...76xv4. L’auto-configuration4.1. 引言。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...77774.2. 将处理器分配给容器。... ... ... ... ... ... ... ... ...4.2.1.由容器引擎分配。 . . . . . ...80804.2.2.由编排器分配。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...814.3. 分析：违反某某原则及解决办法。 . . . ...824.3.1. 安装。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...824.3.2.方法论。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...824.3.3. 结果。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...834.3.4. 合成。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...854.4. 处理器资源的混合分配算法854.4.1. 概念。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...874.4.2.算法。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...88xvi材料表材料表4.4.3.容器类别的确定。 . . ...924.4.4.与Kubernetes集成。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...924.4.5.算法的局限性和改进途径。...934.5. 评估。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...944.5.1.方法论。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...954.5.2. 结果。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...974.6. 最 先进的技术。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1014.6.1.容器的性能。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1014.6.2.违反了某某原则。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1024.6.3.虚拟化处理器资源的管理。 . ...1024.7. 结论。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1035. 网络的双重虚拟化：BrFusion和HostLo1055.1. 引言。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1055.2. 初 步 概念。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1085.2.1.豆荚。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1085.2.2.网络的嵌套虚拟化。 . . . . . . . .1105.3.分析嵌套网络虚拟化的缺陷。5.3.1.原产地。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...... ...1101125.3.2.pod的单虚拟机部署。... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1125.3.3.虚拟化网络的复制。... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1145.4. HostLo：虚拟机之间的pod部署。 . . . . . . . . ...1155.4.1.整体视图。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1155.4.2. 集成。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1175.4.3.实施。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...119119xvii5.4.4.更新了pod放置算法5.4.5.其他资源的管理。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1205.4.6. 评估。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1215.5. BrFusion：网络虚拟化的重复数据删除。...1335.5.1.整体视图。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1335.5.2. 集成。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1355.5.3.实施。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1355.5.4. 评估。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1365.6. 最 先进的技术。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...5.6.1.虚拟机之间的网络连接。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1461465.6.2.虚拟化环境中的网络。...1475.7. 结论。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...1486. 结论和前景1496.1. 云的多重虚拟化。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...149材料表xvi6.2. 改进工作的方法6.3. 迈向多虚拟化功能即服务151A. Drowsy-DC153模拟器B. 电话原理的混合分配模拟器C. HostLo接口驱动程序D. HostLo159的QEMU变更E. 使用HostLo 161的财务节省模拟器参考书目163xvii图表2.1. 新旧计算范式... ... ... ... ... ... ...72.2. 云部署模型... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...82.3. 云服务的类型.................................................................................. 112.4. 云技术.............................................................................................. 132.5. 硬件虚拟化和虚拟机管理程序类型.............................................. 182.6. 虚拟化的类型.................................................................................. 182.7. 设备辅助的半虚拟化...................................................................... 202.8. 操作系统的虚拟化.......................................................................... 212.9. 嵌套虚拟化...................................................................................... 233.1. 能量比例性...................................................................................... 353.2. Drowsy-DC的概念.........................................................................393.3. 私有云DC中LLMI VM活动的跟踪413.4. Drowsy-DC的建筑.........................................................................443.5. 使用Drowsy-DC进行整合.............................................................493.6. 恢复服务器的过程.......................................................................... 593.7. Linux内核的恢复阶段....................................................................603.8. 每个虚拟机的主机代管时间比例.................................................. 643.9. 恢复模块资源的使用...................................................................... 673.10. 恢复服务器的时间.......................................................................... 673.11. 不活动模型的有效性...................................................................... 703.12. 节约.................................................................................................. 723.13. 许多迁移。...................................................................................... 734.1. 违反某某原则及后果。.................................................................. 794.2. 流的运行时间.................................................................................. 844.3. CloudSuite测试台的运行时间...................................................... 844.4. PARSEC试验台的运行时间...........................................................864.5. 用于混合分配的处理器组.............................................................. 894.6. 分配过程示例.................................................................................. 904.7. 编排器优化的效果.......................................................................... 984.8. 扩展到............................................................................................ 1005.1. 嵌套虚拟化的缺陷........................................................................ 106xviii图表5.2. 吊舱的网络.................................................................................... 1095.3. 网络的嵌套虚拟化........................................................................ 1115.4. 网络嵌套虚拟化的缺陷................................................................ 1135.5. 简单和嵌套虚拟化的性能。........................................................ 1165.6. 插图由HostLo提供。................................................................... 1185.7. HostLo的财务节省....................................................................... 1235.8. HostLo评估实验的设施............................................................... 1255.9. Hostlo与Netperf的性能。...........................................................1275.10. HostLo与Memcached的性能。..................................................1285.11. 使用Memcached的HostLo延迟..................................................1295.12. HostLo与NGINX的性能。......................................................... 1305.13. Memcached和NGINX的处理器使用。..................................... 1315.14. 插图由BrFusion提供。................................................................ 1345.15. BrFusion和HostLo的集成。....................................................... 1365.16. BrFusion评估的实验设施1385.17. BrFusion与Netperf的性能。.......................................................1415.18. BrFusion与Kafka和NGINX的性能。........................................ 1425.19. 使用Kafka和NGINX的处理器。................................................ 1445.20. 启动容器的时间............................................................................ 145
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