[發明專利]虛擬機容錯的實現方法和系統

有效

• 申請號: 202010099555.1
• 申請日: 2020-02-18
• 公開（公告）號: CN111400086B
• 公開（公告）日: 2022-05-06
• 發明（設計）人: 楊帆;李文泰;陳海波
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06F11/14
• 分類號: G06F11/14;G06F11/07;G06F11/34;G06F9/455;G06F9/445;G06F9/50
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發明提供一種虛擬機容錯的實現方法和系統,將應用程序所在的虛擬機冗余地運行在多臺服務器中，選取一臺服務器作為主虛擬機，其余作為從虛擬機，主、從虛擬機虛擬化配置相同，主、從虛擬機互為冗余備份，以備故障切換。令主虛擬機和從虛擬機對用戶請求冗余處理，通過主從同步協議，保持主虛擬機和從虛擬機對外可見狀態的一致性。與現有技術相比，本發明通過高效的主從同步協議、與虛擬機監視器相互協作的操作系統，大幅減少了用戶請求處理的尾時延，降低了主從虛擬機冗余運行由于不確定性產生狀態差異的頻率，從而減少了主從虛擬機狀態同步的開銷，使容錯系統內應用程序的整體吞吐顯著提升、請求處理的延遲顯著降低。

技術領域

本發明涉及虛擬機技術領域，具體地，涉及一種虛擬機容錯的實現方法和系統。

背景技術

虛擬機技術被廣泛應用在當今多種多樣的云服務中。它通過將固定的、有限的物理計算機資源虛擬化為可配置的、可控的、易管理的虛擬計算機資源，使用戶購置策略更加彈性靈活，使物理計算存儲資源的利用率和使用效率得到提高，使服務器管理和運維成本大幅下降。

由于虛擬機云產品管理方便、經濟高效等優點，隨著其發展不斷成熟，越來越多的應用程序、互聯網服務、數據庫系統等被部署在虛擬機中。其中不乏對于服務的高可用性有較高要求的任務關鍵型應用。對這些應用來說，服務停機、長時間無響應等故障會給用戶帶來難以接受的時間、經濟等多方面損失。因此，它們對故障的容錯能力、故障后恢復能力較為看重。

目前，為應用提供容錯容災的高可用解決方案主要分為兩種。一是應用程序自身在編寫時實現一套容錯、故障恢復機制，二是在虛擬機管理層次(虛擬機監視器)為虛擬機提供一體化的備份、容錯、故障恢復機制。

前者的優點是可以結合應用程序執行邏輯的特點，有針對性的設計容錯和故障恢復機制，對應用程序運行時性能的影響較小、消耗計算資源和存儲資源較少。缺點是依賴應用程序和程序開發者自身，為應用程序添加容錯機制會大大增加應用程序邏輯的復雜度，想要實現一個正確的、高效的容錯機制的要求和成本較高；倘若多個應用程序都需要容錯系統，則需要為每一個應用程序都各設計一套容錯機制；同時，由于運行在虛擬機中的應用程序沒有宏觀全局的信息，無法根據自己和備份所在真實宿主物理機器的位置做出較優的備份放置策略。

在虛擬機管理層次為虛擬機提供一體化的備份、容錯、故障恢復機制(虛擬機容錯系統)避免了在應用程序層次提供容錯機制的缺點。目前，虛擬機容錯系統主要可以分為三種類型。第一類容錯系統將虛擬機磁盤數據部署于一個獨立的高可用高可靠的共享存儲系統。當故障發生后，虛擬機管理層在選取狀態良好的物理宿主機，并根據共享存儲系統中的磁盤數據重新啟動受到影響的虛擬機。該類系統容錯邏輯較為簡單，對虛擬機運行時的性能影響也較低，但故障恢復需要經過冗長的啟動虛擬機的時間，同時虛擬機內的網絡棧連接狀態、運行內存狀態等信息全部丟失，虛擬機提供的服務將受到影響。第二類虛擬機容錯系統通過將虛擬機的全部運行時信息進行實時備份，提高了虛擬機服務的高可用性，但為了保證虛擬機外部可見的一致性(External Consistency)，虛擬機的所有輸出在經過整機備份后才能發出給用戶端，大大增加了響應延遲。第三類虛擬機容錯系統通過將虛擬機冗余的運行在多臺宿主物理機器中，避免了虛擬機實時整機備份，但需要通過對冗余虛擬機對外可見狀態的差異的檢測和主從虛擬機狀態的同步來應對虛擬機請求處理的不確定性導致的冗余虛擬機間狀態不一致問題。這對于執行時頻繁產生不確定結果(比如，由于線程調度執行順序和獲取鎖的順序導致事務處理差異)的應用程序來說仍會帶來大量性能損失。如何為應用程序提供高可用性支持，同時進一步減少容錯機制給虛擬機帶來的運行時性能開銷，是一個亟待解決的技術問題。