基于Xen虚拟机的校园网服务器带宽分配关键技术研究

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

21 世纪以来，互联网技术飞速发展，大数据时代的到来让所有企业单位的软件管理和数据管理成为了需要解决的头号问题。云计算技术的提出为大数据时代的数据分析和数据计算指出了一条宽广的道路。它不仅能够高效便捷的处理数据，还能最大程度上的节约成本。人们不会被越来越大的数据量和低效率的服务器所困扰。各大企业可以通过云端资源来获得相应的企业级应用，运用云端的计算资源就像用自来水和电一样方便。具有划时代意义的这项技术获得了世界各大互联网公司的高度重视，如Google，Amazon，IBM，Yahoo，HP，AMD，Intel，DELL 等公司都相继成立了自己的云计算中心。在中国阿里巴巴，百度，腾讯也紧跟时代步伐推出自己的云平台。随着技术的成熟稳重，现在云计算技术已经被运用到了如清华、北大、复旦等各大高校的校园网络改造当中。

云计算是传统计算机和虚拟化等众多网络技术发展融合的产物。虚拟化技术是建造云基础架构的重要技术。虚拟化技术可以将处理器、内存、存储、带宽等资源变成一种像水一样的资源，并且放到资源池中，用户按照自己所需要获得相应的资源进行合理分配。池化的概念体现在灵活的分配性上：在原有的物理资源基础上不用更换服务器，只需要安装虚拟化软件来实现池化，通过资源池的资源建立虚拟机，实现了资源灵活与高效利用，大大降低了频繁更换服务器所带来的成本的提升。在改造校园网服务器过程中，其中一个最关键的问题就是改进校园网服务器的网络带宽分配问题。高效的运行环境和合理的资源分配能为全校老师学生提供一个优越的办公和学习氛围。现在各大高校都在开展云平台搭建项目，结合教育部信息化试点的大背景，高校可以利用虚拟化技术将带宽资源按照用户的实际情况进行一个动态分配，使得网络带宽资源得到充分高效的利用，从而很大程度上提高了校园网服务器的运行效率。

1.2 国内外研究现状与应用

1.2.1 云计算与虚拟化的研究现状

云计算这一名词是近几年才被广泛知晓并加以应用的，但它的起源就要追溯到上个世纪了。在云计算这个名词并没有被明确地提出之前，很多科学家就用相似或者同类别的概念将它描述出来了。最早的云概念是由ohn McCarthy提出的[8]。他实现了将一台 PC 机通过分时方式在同一时间内为多台 PC 机提供服务。Salesforce提出了一种让人们根据自己的真实需求去获取自己想要的应用或者资源，而且将其应用于网路中。这就是最早的云计算模式。

本世纪初，由于计算机技术的飞速发展，越来越频繁的更换硬件设备已经为各大公司带来了严重的成本负担。为此资源的高效利用和高效整合就成为了所有IT公司所共同追求的目标。网络计算就是诞生在这样的大背景下。利用网络的互联性来整合闲置资源，并搭建了平行分布式计算平台，让数据在网络上进行运算。SET@home 科学研究项目中，一个用户发出一个任务请求，通过计算将一个任务拆成多个小任务，每个小任务分配给网络上空闲的资源去进行处理，处理之后再将处理结果整合汇总返回请求处理的用户。这种拆开再组合的思想与众所周知的Map/Reduce 高度吻合。

虽然云计算的雏形已经被提出很久了，但是云计算对硬件和网络的要求相对较高。所以它只能是在实验室中进行研究，不能面向市场推广，大大降低了它的实用性。随着计算机技术和互联网技术的飞速发展，云计算所需要的技术已经趋于成熟稳重。各大互联网公司纷纷在世界范围内成立数据中心，宽带接入千家万户，大型的网络架构已经形成。

第2章 Xen虚拟化技术

2.1 虚拟化的分类

图 2-1 是虚拟化的七种分类。虚拟化的模式可以分为七层，包括：服务器虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化、管理虚拟化、桌面虚拟化、表现层虚拟化、应用程序虚拟化。

1. 服务器虚拟化(Sever Virtualization) 描述了在服务器父操作系统上运行带有自身操作系统（虚拟机的操作系统不同于父操作系统）的虚拟机的能力。而且这些虚拟机自身的操作系统上可以运行与之兼容的各类应用程序。每一个在父操作系统上运行的虚拟机的逻辑是不同的，有的可以访问部分主机系统的硬件，有的可以访问全部的主机系统硬件。

服务器虚拟化又可以分为两种：

(1)软件虚拟化(Software Virtualization)，在一个服务器自身操作系统上运行虚拟化软件，建立虚拟化平台。然后在这个虚拟化平台上运行虚拟化操作系统。

(2)硬件虚拟化(Hardware Virtualization)，在一个没有任何操作系统的硬件上，直接安装虚拟化管理软件。然后通过虚拟化管理软件建立不同的虚拟机，为不同的虚拟机安装不同的操作系统和应用程序。目前主流的虚拟化软件有VMware ESX、Xen、VM，这些虚拟化软件提供内核级虚拟化技术。如图2-2 所示。

2.2 Xen 虚拟化技术概述

上世纪末，在英国剑桥大学开展了众所周知的开源项目Xeno;。这就是 Xen 虚拟机的开发项目。它由剑桥大学实验室的学生和老师一起开展的。由于得到了广泛的关注，后期随着项目的进展，他们又创建了 Xen.org社区。半虚拟化技术是 Xen 虚拟化技术最显著的特点，也是优势。凭借这一点，Xen 得到迅猛发展，在安全和稳定性上也得到了极大提升。众多互联网公司和硬件厂家都对其青睐有加，其中就包括 IBM，AMD，HP 等著名公司。让 Xen 名扬世界的就是 Amazon 公司用 Xen 虚拟化技术研发出了弹性主机服务。而且近几年云计算的高速发展，让作为基石的虚拟化技术也同样得到了很好的发展环境，鉴于Xen 的开源性，我国很多公司都开始通过Xen虚拟化技术推出自己的云平台服务。

随着VT技术的诞生，Xen从3.0版本开始就支持全虚拟化。由于Xen有了重大改变，其相应的虚拟机管理功能，虚拟机的动态迁移，容灾等重要应用也日趋完备。

2.2.1 全虚拟化与准虚拟化

1. 全虚拟化

全虚拟化采用了虚拟机管理程序Hypervisor。通过对Hypervisor 进行代码编译，使其在底层硬件和虚拟机层面模拟出一个可以完全模拟硬件层的虚拟层，并且让二者完全隔离。全虚拟化最大的特点就是可以让未经改动的操作系统直接运行在虚拟机上，具有高兼容性。而且不需要修改GOS的内核。但是相应而来的就是缺点，软件复杂度的增加和性能上的牺牲。从虚拟化软件层面来对这一缺点进行改进有着很大的阻力，这是因为 X86 架构原本BUG 导致的。

2. 准虚拟化 准虚拟化有一个很大的特点，它要通过修改系统内核层的代码来实现。所以Xen准虚拟化只适用于BSD、Linux、Solaris 等开源操作系统，像 Windons 这种非开源代码的系统是不支持 Xen 的。准虚拟化针对存在不足的指令进行替换或者修改来达到优化的目的。但是同时也带来了要频繁修改操作系统的弊端，使得在兼容性方面略显不足。

第3章 Xen中带宽分配原理 ............... 20

3.1 Xen 前后驱动创建连接的过程 .......................... 20

3.2 Xen 中带宽分配原理 ................... 22

第4章 带宽分配的改进 ...................... 30

4.1 带宽的初始分配 ....................... 30

第5章 实验设计 ...................... 40

5.1 实验环境 ................... 40

5.2 带宽初始分配实验 ................ 41

第5章 实验设计

5.1 实验环境

实验环境由一台服务器和一台PC 机组成。如图5-1所示，在服务器上安装Xen 虚拟化软件，并创建 3 台虚拟机 VM1，VM2，VM3。PC 机为测试机，安装IxChariot，在虚拟机上安装IxChariot，运用IxChariot 软件模拟校园网实时数据流量发送，接入100M 带宽。虚拟机配置为Ubuntu 12.04。硬件配置如表5-1所示。

结论

近年来随着社会不断的发展，互联网已经广泛应用于生活中的各个领域，互联网为大家带来了工作和生活上的诸多便捷。人们在体验着互联网的优势的时候同时也对计算机设备提出了更高的要求。云计算与虚拟化是近年来的热门词汇。由于其在资源的整合、资源的利用率、以及容灾方面的高安全性与高效性，各大互联网科技公司都纷纷开始建造自己的云平台。同时各大高校也在积极的搭建自己的云平台。云计算的优势在于可以整合数量巨大的资源，同时按需为用户提供各种各样的资源服务。用户不必在本地购买设备，只需要去云端按照自己的实际情况来获得自己想要的资源。这样大大节约了成本，而且为工作提供了诸多便捷，在安全性上也有了大幅提升。

虚拟化技术和云计算是相辅相成的。虚拟化技术可以将所有的物理资源池化，包括存储、处理器、内存等资源。这样就不必为了那些利用率低下的服务器所苦恼，可以将这些剩余的资源通过虚拟化技术再次利用起来，提高资源利用率。虚拟化技术中，网络带宽的分配问题是一个重要的问题。带宽资源的利用直接影响到服务器运行的质量与速度，通过虚拟化技术可以实现按需分配带宽，使得带宽资源得到充分的利用。

本文的主要研究结果有以下几方面：

1. 从宏观角度阐述了网络带宽资源的重要性。研究了 Xen 虚拟机前后端驱动相互协作的原理和 Xen 原有的带宽分配算法。对分配算法中的重要数据结构if 和 _schedule_list 进行了重点研究。然后针对在带宽值分配中带宽值检查、带宽值足够以及带宽值不足的情况进行了理论分析和代码分析。最后针对分析结果总结了Xen分配原理的不足与缺陷，提出了改进的方向。

2. 在改进研究中，首先为了满足付费用户与体验用户不同的需求，根据前后端驱动建立连接的原理，设计了带宽调节接口。对接口和驱动层进行了相应的设计。然后结合付费用户和体验用户的实际情况，对原有的带宽分配算法进行了改进。实现了在付费用户带宽出现剩余的时候，将剩余的带宽平均分配给体验用户；在付费用户急需带宽的时候，从体验用户那里拿回带宽。最后加入了超量 if的处理方法，使得系统运算性能得到了相应的提升。

参考文献（略）