面向虚拟机的远程磁盘缓存

在虚拟机(virtual machine)系统中,随着虚拟机数量和应用程序需求的不断增长,内存容量已经成为应用程序性能的主要瓶颈。为了提升内存密集型和I/O密集型程序的页面交换性能,提出了虚拟机的远程磁盘缓存机制REMOCA,它允许运行在一台物理主机上的虚拟机将其他物理主机的内存作为其二级磁盘缓存。由于网络传输延迟远远小于磁盘访问,用网络传输代替磁盘访问就能够有效地降低虚拟机的平均磁盘访问延迟。REMOCA的目标就要尽可能地减少磁盘访问。REMOCA运行在虚拟机管理器中,其基本工作原理是截获并处理虚拟机的页面淘汰、磁盘访问等事件。REMOCA能够与现有的虚拟机内存管理机制(如气球技术、影子缓存)相结合,从而提供更加灵活的内存资源管理策略。实验数据表明,REMOCA能有效地降低页面抖动对虚拟机性能的影响,并在很大程度上提升虚拟机中I/O密集型应用的性能。     

一种高效的虚拟机磁盘快照系统

提出了一种带缓存的虚拟机磁盘快照系统(LiveDiskSnap),以支持不停机的虚拟机磁盘快照.通过在虚拟机监控器层加入了缓存块设备驱动,并采用写时重定向技术,使得快照中无需中断虚拟机的运行,同时保证了快照前后虚拟机磁盘状态的一致性.实验结果表明,LiveDiskSnap可在虚拟机不停机的情况下进行磁盘快照,且快照过程中的平均性能损失小于8％.     

磁盘驱动程序预写

较好地利用内存作为缓存，并优化磁盘设备的请求处理，是缓解系统I／O瓶颈的有效途径。提出一种驱动程序预写的方法来处理内存缓存中脏数据写回磁盘的方法，其基本思想是：通过将文件系统高速缓存中的脏数据写盘操作由磁盘设备驱动程序发起，磁盘可以在恰当的时间（设备空闲）或者恰当的位置（减少寻遣和设备旋转）完成写请求，减少缓存flush操作对当前应用的影响。模拟试验表明，谊方法能提高磁盘写操作的效率、系统数据的可靠性和系统的I／O性能。     

基于同步机制的虚拟机磁盘在线迁移策略

提出一种带冗余检测的磁盘在线迁移策略。采用周期同步方式保持虚拟机在源、目的节点上磁盘的数据一致性,在非同步期内,利用位图标记源节点上被写的数据块(脏块)位置,在同步期内,检测脏块与目的节点相应块的Hash值,仅将不匹配的脏块同步至目的节 点,在磁盘数据一致后,启动虚拟机在线迁移。实验结果表明,该策略能减少磁盘迁移的数据量,降低磁盘迁移对高带宽的要求,虚拟机迁移时间与共享存储方式接近。     

基于优化的COW虚拟块设备的虚拟机按需部署机制

基于COW(Copy-on-Write)读写模式的虚拟块设备有利于实现大规模虚拟机环境下虚拟机的快速部署.文中为虚拟机管理器中的COW虚拟块设备设计了一种优化方法,能够提高COW磁盘的访问性能以及生成多个小尺寸的COW磁盘映像文件,以降低通过网络部署虚拟机的开销.基于优化的COW虚拟块设备,文中提出了虚拟机环境下的虚拟机按需部署机制及关键技术问题的解决方案.基于Linux平台和QEMU虚拟机,实现了基于优化COW虚拟块设备的虚拟机按需部署原型系统.实验表明,优化的COW虚拟块设备、基于COW磁盘有效工作集的优化部署以及COW磁盘回收等方法能够有效地支持虚拟机环境下低开销的、按需的虚拟机部署.     

一种基于磁盘介质的网络存储系统缓存

随着计算规模越来越大,网络存储系统应用领域越来越广泛,对网络存储系统I/O性能要求也越来越高.在存储系统高负载的情况下,采用低速介质在客户机和网络存储系统的I/O路径上作为数据缓存也变得具有实际的意义.设计并实现了一种基于磁盘介质的存储系统块一级的缓存原型D-Cache.采用两级结构对磁盘缓存进行管理,并提出了相应的基于块一级的两级缓存管理算法.该管理算法有效地解决了因磁盘介质响应速度慢而带来的磁盘缓存管理难题,并通过位图的使用消除了磁盘缓存写Miss时的Copy on Write开销.原型系统的测试结果表明,在存储服务器高负载的情况下,缓存系统能够有效地提高系统的整体性能.     

多虚拟机下基于内存缓存的动态块迁移算法

虚拟化技术为用户提供了高可用性、动态、可扩展、可按需分配的逻辑资源,虚拟机迁移技术则减弱了虚拟化初次分配资源后物理资源和逻辑资源的耦合程度,使得物理资源池构建更为灵活。然而现存的虚拟机迁移技术存在着资源消耗多,物理磁盘负载重,迁移数据冗余等问题,使得迁移的稳定性和可用性大打折扣。提出基于内存缓存的动态块迁移算法。该算法主要关注以下两点:其一是如何在保证迁移性能不受明显影响的前提下,更加合理利用内存缓存,快速将虚拟机页面迁移到目的服务器,从而节省物理资源;其二是如何通过更细粒度的资源管理方式实现更有针对性的迁移时机优化。基于QEMU虚拟机实现了该算法,多种不同应用负载下的实验结果表明,该算法能有效降低资源消耗和物理磁盘的负载,稳定且迅速地实现虚拟机的迁移。     

面向OpenStack/Ceph的虚拟机备份系统研究

针对OpenStack面临的虚拟机容灾备份问题,提出了一种基于Ceph存储快照的虚拟机容灾备份系统,备份时对虚拟机存储在Ceph中的磁盘生成快照,再根据备份要求计算有效数据或者变化数据,保存虚拟机的配置信息以及磁盘数据,恢复时自动创建相同配置的虚拟机并将当前快照点的磁盘数据恢复到该虚拟机中.实验表明,该方法比OpenStack的快照备份方法能有效节省备份时间和存储空间,并且可以实现后者不具有的增量备份、多磁盘备份等功能.     

基于SSD高速缓存的桌面虚拟机交互性能优化方法

针对在桌面虚拟机办公环境下应用软件响应时间过长的问题,提出一种利用固态硬盘高速缓存来改善虚拟机响应时间和交互性的方法。在传统磁盘和内存之间添加固态硬盘高速缓存,将影响系统交互性的磁盘内容保存到固态硬盘高速缓存中。通过利用固态硬盘读速度快、随机寻道时间短的特征,提高虚拟机读磁盘性能,进而缩短应用软件的响应时间并改善系统的交互性。针对桌面虚拟机办公环境下磁盘I/O的特征,设计固态硬盘高速缓存的替换算法和缓存策略。实验显示,固态硬盘高速缓存是缩短虚拟机响应时间、改善虚拟机交互性的一个好方法。     

虚拟化环境下面向多目标优化的自适应SSD缓存系统

以SSD为代表的新型存储介质在虚拟化环境下得到了广泛的应用,通常作为虚拟机读写缓存,起到优化磁盘IO性能的作用.已有研究往往关注SSD缓存的容量规划,依据缓存读写命中率评价SSD缓存分配效果,未能充分考虑SSD的服务能力上限,难以适用于典型的分布式应用场景,存在虚拟机抢占SSD缓存资源,导致虚拟机中应用性能违约的可能.本文实现了虚拟化环境下面向多目标优化的自适应SSD缓存系统,考虑了SSD的服务能力上限.基于自适应闭环实现对虚拟机和应用状态的动态感知.动态检测局部SSD缓存抢占状态,基于聚类方法生成虚拟机的优化放置方案,依据全局SSD缓存供给能力确定虚拟机迁移顺序和时机.实验结果表明该方法在应对典型分布式应用场景时可以有效缓解SSD缓存资源的争用,同时满足应用对虚拟机放置的需求,提升应用的性能并兼顾应用的可靠性.在Hadoop应用场景下,平均降低了25%的任务执行时间,对IO密集型应用平均提升39%的吞吐率.在ZooKeeper应用场景下,以不到5%的性能损失为代价应对了虚拟化主机的单点失效带来的虚拟机宕机问题.     

Response-time analysis for fixed-priority systems with a write-back cache

This paper introduces analyses of write-back caches integrated into response-time analysis for fixed-priority preemptive and non-preemptive scheduling. For each scheduling paradigm, we derive four different approaches to computing the additional costs incurred due to write backs. We show the dominance relationships between these different approaches and note how they can be combined to form a single state-of-the-art approach in each case. The evaluation explores the relative performance of the different methods using a set of benchmarks, as well as making comparisons with no cache and a write-through cache. We also explore the effect of write buffers used to hide the latency of write-through caches. We show that depending upon the depth of the buffer used and the policies employed, such buffers can result in domino effects. Our evaluation shows that even ignoring domino effects, a substantial write buffer is needed to match the guaranteed performance of write-back caches.     

可保证临时秘密泄漏安全的无证书签密方案

为了确保无证书签密方案能实现临时秘密泄漏安全性,提出了一种新的无需对运算的无证书签密方案.新签密方案将用户部分私钥、用户私有秘密和签密临时秘密分别对应到求解3个不同的CDH (computational Diffie-Hellman)问题,并采用散列函数将用户密钥、临时秘密和密文与用户身份绑定.表明了新方案不仅能实现数据的认证性、机密性,还能确保临时秘密泄漏安全性.对比分析结果表明,新方案的安全性更高,计算性能更优.此外,文中还指出文献[3]中签密方案不能抵抗临时秘密泄露攻击.     

优化的信息中心虚拟化实施方案

基于传统信息中心建设中存在的一些缺点,提出了一种基于vSphere架构的优化的信息中心虚拟化实施方案。相对于其他的虚拟化实施方案,本方案主要从可靠性和存储设备 I/O 性能两方面进行了优化。该方案从服务器、网络和存储设备等三个方面对系统可靠性进行了优化,分析了影响存储设备I/O性能的几大因素,并分别从是否采用多路径输入输出、Write-back cache写策略、磁盘I/O块大小、服务器性能等几个方面对系统I/O性能进行了优化。最后通过对整个系统的测试,验证了这一方案的优势。     

Grid VFS中代理管理客户端磁盘缓存的设计与实现

设计并实现了在网格虚拟文件系统Grid VFS客户端采用代理管理磁盘缓存来隐藏网络延迟，提高网格数据利用率。此方法扩展了虚拟化分布式文件系统，提高了对网格资源有效完整的数据访问。在Grid VFS中，客户端代理动态地产生和管理磁盘缓存，每一个未修改的应用程序和OS都能应用，支持write-back策略、文件系统之间缓存的共享以及磁盘缓存的多级化，通过用户级VFS可以完整的集成到网格应用程序和资源中，从而提高了网格数据的访问性能。     

WWW与数据库集成系统的用户权限管理

在WWW上的应用,越来越多的体现为多人合作应用形式,这些应用系统大多都需要通过WWW与数据库的集成来实现。但是由于WWW与数据库系统都有自己的用户权限管理,因此集成后在用户管理、权限设定及系统完整性方面就产生了一些问题。文章针对WWW与数据库集成系统,提出用户权限管理结构和机制,并设计了实际系统模型,它将服务器对用户的认证,转变成基于用户角色的对数据库的访问控制,不但能保护WWW与数据库的数据,而且能确保系统结合的完整性,同时更可以大量简化用户管理与权限管制的工作,提高权限管理的效率。     

VM aware journaling: improving journaling file system performance in virtualization environments

Journaling file systems, which are widely used in modern operating systems, guarantee file system consistency and data integrity by logging file system updates to a journal, which is a reserved space on the storage, before the updates are written to the data storage. Such journal writes increase the write traffic to the storage and thus degrade the file system performance, especially in full data journaling, which logs both metadata and data updates. In this paper, a new journaling approach is proposed to eliminate journal writes in server virtualization environments, which are gaining in popularity in server platforms. Based on reliable hardware subsystems and virtual machine monitor (VMM), the proposed approach eliminates journal writes by retaining journal data (i.e. logged file system updates) in the memory of each virtual machine and ensuring the integrity of these journal data through cooperation between the journaling file systems and the VMM. We implement the proposed approach in Linux ext3 in the Xen virtualization environment. According to the performance results, a performance improvement of up to 50.9journaling approach of ext3 due to journal write elimination. In metadata‐write dominated workloads, this approach could even outperform the metadata journaling approaches of ext3, which do not guarantee data integrity. These results demonstrate that, on virtual servers with reliable VMM and hardware subsystems, the proposed approach is an effective alternative to traditional journaling approaches. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

一种面向云存储的数据动态验证方案

云存储是一种新型的数据存储体系结构,云储存中数据的安全性、易管理性等也面临着新的挑战。由于用户在本地不再保留任何数据副本,无法确保云中数据的完整性,因此保护云端数据的完整性是云数据安全性研究的重点方向。数据完整性证明(Provable Data Integrity,PDI)被认为是解决这一问题的重要手段。文中提出了一种面向云存储环境的、基于格的数据完整性验证方案。本方案在已有研究的基础上,基于带权默克尔树(Ranked Merkle Hash Tree,RMHT),实现了云数据的动态验证。方案实现了数据粒度的签名,降低了用户方生成认证标签所需的消耗;引入RMHT对数据进行更改验证,支持数据动态更新;具有较强的隐私保护能力,在验证过程中对用户的原始数据进行盲化,使得第三方无法获取用户的真实数据信息,用户的数据隐私得到了有效的保护。此外,为了防止恶意第三方对云服务器发动拒绝服务攻击,方案中只有授权的第三方才能对用户数据进行完整性验证,这在保护云服务器安全的同时也保障了用户数据的隐私性。安全分析和性能分析表明,该方案不仅具有不可伪造性、隐私保护等特性,其签名计算量也优于同类算法。     

云环境下基于PTPM和无证书公钥的身份认证方案

为了解决目前云环境下用户与云端之间进行身份认证时所存在的安全问题和不足,本文首次将PTPM(Portable TPM)和无证书公钥密码体制应用到云环境中,提出一种用于实现用户与云端之间双向身份认证的方案.和现有方案相比,新方案具有以下特点:在通过建立身份管理机制实现用户和云端身份唯一性的基础上,首先利用PTPM不仅确保了终端平台的安全可信和云端与用户之间认证结果的真实正确,而且支持用户利用任意终端设备来完成与云端的身份认证过程;其次,新方案基于无证书公钥签名算法实现了“口令+密钥”的双因子认证过程;最后,通过安全性理论证明和性能分析,证明本文提出的方案在保证EUF-CMA安全性的同时,显著提高了用户和云端之间身份认证的计算效率.     

多云存储中保护隐私的数据完整性验证方案

随着云存储的应用,越来越多的用户选择将数据分散地存储在多个云服务器上,但是这种远程存储方式给用户数据的完整性带来了挑战。同时,代替用户校验数据完整性的第三方审计（TPA）近来也被指出存在泄露用户数据隐私的风险。针对现有的远程数据安全性、隐私性及高效验证的问题,提出一种多用户多服务器环境下支持隐私保护的批处理数据完整性验证方案。方案在一般群模型和随机谕言机模型下是可证明安全的。性能分析和实验表明,与其他在多用户多服务器环境下拓展并保护隐私的方案相比,该方案具有较低的通信复杂度和计算复杂度。     

虚拟机软件结合LoadRunner的一种测试方案探讨

基于虚拟化技术进行软件自动化测试是测试主流技术发展的一个方向。介绍了虚拟机软件VMware结合测试工具软件LoadRunner的一种软件测试方案,详细介绍了测试方法、测试环境、测试用例以及数据处理方法。通过对同一B/S系统在真实环境和虚拟环境中进行对比性能测试,并基于实测数据加以分析,论证了该方案的优越性,得出了能否应用的结论。