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[670] 2019-01-14_基于KVMQEMU的IO访问频率感知缓存方法

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-16
2019-01-14_基于KVMQEMU的IO访问频率感知缓存方法 基 于 K V M / Q E M U 的 I / O 访 问 频 率 感 知 缓 存 方 法 A r k T e a m   2 0 1 9 - 0 1 - 1 4 作 者 ： { D o r i s } @ A r k T e a m 原 文 作 者 ： V e r a   R i m m e r ,   D a v y   P r e u v e n e e r s ,   M a r c   J u a r e z ,   T o m   V a n   G o e t h e m   a n d   W o u t e r   J o o s e n 原 文 题 目 ： I / O   a c c e s s   f r e q u e n c y - a w a r e   c a c h e   m e t h o d   o n   K V M / Q E M U 原 文 来 源 ： C l u s t e r   C o m p u t i n g ,   2 0 1 7 ,   2 0 ( 8 ) : 1 - 1 3 . 随 着 I T 技 术 的 快 速 发 展 ， 云 计 算 被 认 为 是 下 一 代 的 计 算 基 础 设 施 。 云 计 算 的 一 个 重 要 组 成 部 分 是 虚 拟 机 技 术 ， 它 能 够 以 更 好 的 资 源 利 用 率 降 低 数 据 中 心 成 本 。 在 云 计 算 环 境 中 ， 由 于 V D I 具 有 提 高 资 源 利 用 率 、 保 护 和 整 合 等 优 点 ， 因 而 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 通 过 在 同 一 主 机 上 整 合 多 个 来 宾 虚 拟 机 ， V D I 可 以 在 虚 拟 机 之 间 共 享 主 机 物 理 资 源 ， 从 而 提 高 资 源 利 用 率 和 密 度 。 虽 然 在 有 限 的 服 务 器 资 源 上 整 合 虚 拟 机 是 V D I 的 优 势 ， 但 这 种 资 源 整 合 确 实 会 成 为 产 生 高 I / O 性 能 的 障 碍 。 优 化 I / O 虚 拟 化 开 销 是 一 项 具 有 挑 战 性 的 任 务 ， 因 为 它 需 要 仔 细 检 查 g u e s t 虚 拟 机 和 执 行 这 些 虚 拟 机 的 主 机 之 间 的 多 个 软 件 层 。 图 1 说 明 了 K V M / Q E M U 的 I / O 路 径 。 如 图 1 所 示 ， 管 理 程 序 通 过 使 用 模 拟 器 来 分 配 虚 拟 设 备 ， 如 网 络 或 存 储 。 在 写 操 作 的 情 况 下 ， 在 虚 拟 机 上 生 成 的 应 用 程 序 数 据 通 过 来 宾 内 核 的 文 件 系 统 和 设 备 驱 动 层 传 输 到 管 理 程 序 ， 到 达 主 机 内 核 ， 存 储 在 物 理 设 备 中 。 图 1   K V M / Q E M U   I / O   路 径 在 这 种 环 境 中 ， 适 当 地 放 置 缓 存 对 于 减 少 I / O 流 量 非 常 重 要 。 虚 拟 化 的 I / O 缓 存 可 以 在 V M 层 或 管 理 程 序 中 实 现 。 尽 管 V M 层 中 的 缓 存 很 容 易 实 现 和 管 理 ， 但 是 它 对 客 户 操 作 系 统 的 依 赖 性 很 强 ， 使 得 将 缓 存 组 件 移 植 到 其 他 操 作 系 统 （ 如 L i n u x 到 W i n d o w ， 反 之 亦 然 ） 变 得 很 困 难 。 本 文 提 出 了 一 种 在 K V M / Q E M U 之 上 实 现 的 管 理 程 序 级 缓 存 ， 称 为 h y p e r c a c h e ， 它 可 以 通 过 截 取 q e m u 中 的 I / O 请 求 来 减 少 I / O 虚 拟 化 路 径 。 它 还 利 用 缓 存 块 映 射 ， 通 过 考 虑 相 关 数 据 的 访 问 频 率 ， 有 效 地 管 理 缓 存 内 存 。 在 研 究 I / O 虚 拟 化 开 销 之 后 。 本 文 建 议 的 方 法 的 主 要 目 标 是 尽 量 减 少 管 理 程 序 中 的 开 销 ， 以 生 成 更 好 的 I / O 性 能 。 因 此 本 文 为 提 出 的 目 标 开 发 了 超 高 速 缓 存 。 如 图 2 显 示 了 超 高 速 缓 存 的 总 体 结 构 。
图 2   超 高 速 缓 存 的 总 体 结 构 首 先 ， h y p e r c a c h e 通 过 在 来 宾 虚 拟 机 和 主 机 之 间 提 供 I / O 执 行 路 径 的 快 捷 方 式 来 提 高 I / O 吞 吐 量 。 为 了 减 少 I / O 延 迟 ， h y p e r c a c h e 会 截 获 q e m u 中 的 I / O 请 求 ， 并 使 用 内 存 中 的 元 数 据 表 检 查 必 要 数 据 的 可 用 性 。 第 二 ， h y p e r c a c h e 利 用 数 据 块 的 I / O 访 问 频 率 ， 确 保 对 重 要 I / O 请 求 的 快 速 响 应 。 此 外 ， 通 过 在 Q E M U 中 合 并 数 据 块 ， 然 后 将 它 们 传 输 到 主 机 内 核 ， h y p e r c a c h e 可 以 减 轻 连 接 到 主 机 的 物 理 I / O 设 备 上 的 磁 盘 争 用 。 图 3 a 演 示 了 元 数 据 存 储 库 结 构 。 主 表 （ t m a s t e r ） 是 存 储 库 的 顶 部 组 件 ， 它 保 留 指 向 索 引 表 （ t i n d x ） 的 指 针 以 及 指 向 缓 冲 区 表 （ t b u f ） 的 指 针 。 缓 冲 表 用 于 维 护 历 史 块 缓 冲 区 （ H B ） 和 写 回 块 缓 冲 区 （ W B ） 。 此 外 ， 它 还 指 向 两 个 块 缓 冲 区 的 起 始 地 址 和 当 前 空 地 址 。 在 读 操 作 的 情 况 下 ， 如 果 在 h b 中 找 不 到 高 访 问 频 率 的 块 ， 那 么 它 们 将 被 超 高 速 缓 存 捕 获 并 存 储 在 当 前 空 地 址 指 向 的 历 史 块 缓 冲 区 中 。 图 3   元 数 据 存 储 库 和 执 行 过 程 最 后 ， 本 文 的 实 验 结 果 表 明 ， 与 现 有 的 Q E M U 相 比 ， 其 方 法 将 I / O 带 宽 提 高 了 4 . 7 倍 。 阅 读 原 文

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