[论文解读] A Generic Checkpoint-Restart Mechanism for Virtual Machines

Rohan Garg, Komal Sodha+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2012

Cloud Computing and Resource Management参考文献 9被引用 8

一句话总结

本文提出了一种基于 DMTCP 作为插件式外部检查点-重启框架的虚拟机通用检查点-重启机制。该机制通过分叉检查点和基于 mmap 的重启方式，实现了 0.2 秒内快速且一致的快照，且代码开销极小（KVM/QEMU 为 200 行，Lguest 为 40 行），无需修改虚拟机或 DMTCP，证明了其在用户空间 QEMU、KVM/QEMU 和 Lguest 上的兼容性。

ABSTRACT

It is common today to deploy complex software inside a virtual machine (VM). Snapshots provide rapid deployment, migration between hosts, dependability (fault tolerance), and security (insulating a guest VM from the host). Yet, for each virtual machine, the code for snapshots is laboriously developed on a per-VM basis. This work demonstrates a generic checkpoint-restart mechanism for virtual machines. The mechanism is based on a plugin on top of an unmodified user-space checkpoint-restart package, DMTCP. Checkpoint-restart is demonstrated for three virtual machines: Lguest, user-space QEMU, and KVM/QEMU. The plugins for Lguest and KVM/QEMU require just 200 lines of code. The Lguest kernel driver API is augmented by 40 lines of code. DMTCP checkpoints user-space QEMU without any new code. KVM/QEMU, user-space QEMU, and DMTCP need no modification. The design benefits from other DMTCP features and plugins. Experiments demonstrate checkpoint and restart in 0.2 seconds using forked checkpointing, mmap-based fast-restart, and incremental Btrfs-based snapshots.

研究动机与目标

• 通过提供一种通用且可重用的机制，消除对虚拟机特定、手工编码的检查点解决方案的需求。
• 利用外部用户空间检查点包（DMTCP）实现快速且一致的虚拟机检查点。
• 通过极少的代码修改，支持多种虚拟化类型——半虚拟化（Lguest）、全虚拟化（KVM/QEMU）和用户空间（QEMU）——实现兼容。
• 通过 DMTCP 的现有功能，透明地支持高级检查点功能，如分叉检查点和增量快照。
• 减少为新虚拟机添加检查点功能的开发工作量，估计在内核驱动 API 可用时为 5–10 人日。

提出的方法

• 利用 DMTCP 作为核心检查点引擎，其为用户空间透明的检查点-重启包。
• 通过 DMTCP 插件与虚拟机特定的内核驱动程序（如 KVM、Lguest）交互，实现在内核与用户空间之间的状态传输。
• 使用 Btrfs 作为写时复制文件系统，以实现检查点镜像的增量、快速快照。
• 采用分叉检查点：创建子进程进行检查点操作，而父进程继续执行。
• 使用基于 mmap 的快速重启机制，高效地从检查点内存镜像中恢复虚拟机状态。
• 对于用户空间 QEMU，由于缺乏内核驱动通信，DMTCP 可直接进行检查点操作，无需额外代码或插件。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不修改虚拟机或检查点框架的前提下，为虚拟机构建一个通用的检查点-重启机制？
• RQ2 使用外部检查点包为新虚拟机添加检查点功能所需的最小代码开销是多少？
• RQ3 该机制在不同虚拟化类型中实现快速且一致快照的效率如何？
• RQ4 分叉检查点和增量快照等高级功能能否通过底层检查点系统透明地继承？
• RQ5 在运行真实工作负载时，该机制的性能开销如何？

主要发现

• 通过分叉检查点和基于 mmap 的快速重启机制，在 Btrfs 上实现了 0.2 秒的检查点与重启时间。
• 在运行 nbench2 基准测试时，该机制的运行时开销小到无法测量，表明其性能影响接近于零。
• 由于用户空间 QEMU 缺乏内核驱动组件，DMTCP 可直接对其进行检查点操作，无需额外代码或插件。
• KVM/QEMU 和 Lguest 分别仅需 200 行和 40 行代码用于插件和内核驱动扩展，即可实现高效的内存状态传输。
• 若内核驱动 API 完整可用，为新虚拟机添加检查点功能的开发工作量估计为 5 人日；若不可用，则为 10 人日。
• 该方法支持异构和分布式检查点，可实现对虚拟机集群和裸进程的一致快照。