Описание особенностей и правил управления ресурсами в Microsoft Client Hyper-V Память
Память ВМ является динамической [19,21,27,30,31]. Механизм работы динамической памяти следующий. В гостевой ОС (при установке служб интеграции) работает компонент Dynamic Memory VSC (DMVSC), который собирает сведения об используемой в данный момент памяти и передает их посредством виртуальной шины VMBus провайдеру Dynamic Memory VSP (DMVSP), работающему в хостовой ОС. DMVSP, в свою очередь, передает данные балансировщику памяти – Dynamic Memory Balancer [30,31].
Балансировщик вычисляет для каждой виртуальной машины некий идеальный объем памяти. Формула достаточно проста: идеальный объем равен потребляемой в текущий момент памяти плюс резерв (определенный процент от потребляемой памяти, задаваемый вручную) [30].
Затем вычисляется значение нагрузки Memory Pressure – процентное отношение вычисленного идеального объема к объему, фактически выделенному виртуальной машине. Этот параметр показывает, как на данный момент обстоят дела с памятью на виртуальной машине: малые значения означают, что памяти достаточно, большие – что использование памяти подходит к пределу. Если же значение Memory Pressure превышает 100%, то значит памяти сильно не хватает, и виртуальная машина активно использует файл подкачки [30].
На основании изменений нагрузки в течение времени балансировщик вычисляет пороговые значения нагрузки – минимальное и максимальное. Если нагрузка превышает максимальное пороговое значение – то виртуальной машине добавляется память. Если же значение нагрузки опускается ниже минимального порогового значения – это означает, что излишек памяти можно отобрать [30].
Добавление памяти.
Диспетчер памяти стека виртуализации [5,27,30]выделяет виртуальной машине дополнительную память. DMVSC, используя технологию горячего добавления памяти (Hot Add RAM) расширяет адресное пространство виртуальной машины, после чего соответствующие виртуальные адреса сопоставляются с выделенными физическими адресами. Обратите внимание, что для работы необходима поддержка Hot Add RAM на уровне гостевой ОС [30].
Удаление памяти.
Для удаления памяти используется механизм Memory Ballooning. Когда приходит команда на удаление памяти – DMVSC проверяет, какие области памяти на данный момент не используются. Из них отбирается объем, предназначенный для удаления, и затем эти адреса захватываются DMVSC в монопольный доступ. После этого захвата область памяти помечается как Driver Locked и становится недоступна для использования операционной системой. Как только память была захвачена — соответствующие виртуальные адреса отвязываются от физических адресов, и соответствующие ячейки памяти могут быть переданы другим виртуальным машинам. Удаление памяти происходит для системы абсолютно незаметно, вся захваченная память по-прежнему остается системе видна. В дальнейшем, если виртуальной машине нужно добавить память – соответствующее адресное пространство освобождается и связывается с выделенной областью памяти [30].
Smart Paging
В случае недостатки памяти для запуска ВМ, в Hyper-V предусмотрена технология Smart Paging, позволяющая использовать файл подкачки на хосте (сервере) – Smart Paging file.
Для работы виртуальные машины имеют свой собственный файл подкачки, который и используют в случае нехватки памяти. Данный подход более эффективен, чем файл подкачки на хосте, так как диспетчер памяти внутри виртуальной машины лучше знает, какие процессы можно поместить в файл подкачки, а какие должны находится в оперативной памяти. Smart Paging используется исключительно для перезагрузки виртуальных машин [30].
Жесткий диск
Виртуальная машина на Hyper-V может использовать три вида виртуальных жестких дисков [52]. Все три вида представляют собой обычный файл, расположенный в разделе NTFS [52].
Рассмотрим подробнее каждый вид:
Dynamically expanding disk - динамически расширяющийся диск. Этот диск используется по умолчанию при создании виртуальной машины. Виртуальная машина, использующая этот диск, видит полный размер диска. Однако, в файловой системе хоста, файл жесткого диска занимает столько места, сколько занимают данные в виртуальной машине. По мере роста объема данных в виртуальной машине, растет и размер файла жесткого диска. Этот вид диска очень удобно использовать в тестовых средах, поскольку производительность виртуальных машин с данным диском меньше, чем виртуальных машин с дисками фиксированного объема [52].
Fixed size disk - диски фиксированного размера. Для дисков данного вида характерно то, что на хостовой машине создается файл равный размеру жесткого диска виртуальной машины. Например, если вы создаете в виртуальной машине жесткий диск 40 Гб, то файл на хосте будет также размером 40 Гб. После создания файла свободное место в нем заполняется нулями. Диски фиксированного размера должны по умолчанию использоваться в рабочей среде.[52]
Differencing disk - разностный жесткий диск. Диски данного вида обладают взаимосвязью родительский-дочерний. Родительский диск это статический диск, предназначенный только для чтения. Разностный диск (дочерний) сохраняет все изменения. Используя этот вид диска, можно создать несколько виртуальных машин с одним родительским жестким диском. При этом разностный диск будет у каждой машины свой [52].
Виртуальная машина может использовать любой вид виртуальных жестких дисков. Однако существует возможность использовать и физические жесткие диски. Для этого используется pass-through (сквозное) подключение жесткого диска [52].
Чтобы использовать такое подключение, жесткие диски должны быть видны на хоствой машине. Это могут быть локальные диски хоста, диски iSCSI или SAN. Нельзя подключить только определенный раздел жесткого диска, жесткий диск должен быть подключен целиком. Для использования pass-through подключения, жесткий диск на локальной машине должен находиться в Offline. Переключать жесткий диск в online или offline можно, используя Disk Manager или утилиту diskpart [52].
В теории pass-through подключение должно обеспечивать максимальную производительность. Но, по результатам тестов, виртуальный Fixed disk совсем немного уступает сквозному подключению жестких дисков.
В случае использования физических дисков, напрямую подключенных к виртуальной машине, необходимо учитывать следующее [52]:
Данный тип дисков не поддерживает динамическое расширение.
С ними нельзя использовать разностные диски.
Нельзя создавать снимки виртуальных жестких дисков.
Ограничения виртуальных жестких дисков:
Файлы виртуальных жестких дисков должны располагаться на NTFS разделе;
Максимальный размер файла виртуального жесткого диска не должен превышать 2040 GB (2 TB);
Нельзя использовать сжатие папок, где расположены файлы VHD.
Виртуальные сети в Microsoft Client Hyper-V
В Hyper-V гостевые ОС никогда не имеют прямого доступа к аппаратному оборудованию, а интерфейсы управления Hyper-V контролируют трафик, проходящий через физические и виртуальные интерфейсы. Hyper-V имеет диспетчер виртуальных сетей (Virtual Network Manager). Диспетчер виртуальных сетей отвечает за создание и управлением виртуальными коммутаторами. Количество создаваемых виртуальных коммутаторов не ограничено,‘ оно зависит от типа виртуальной сети, с которой проходит работа. Например, внешние виртуальные сети обычно расположены на физических сетевых картах (NIC), поэтому количество внешних сетей будет равно количеству физических сетевых карт [25,51].
Заметным отличием клиентского Hyper-V от серверного является его способность работы с беспроводными адаптерами. Сетевая инфраструктура Hyper-V основывается на виртуальном коммутаторе, который дифференцирует пакеты по MAC-адресам виртуальных адаптеров. Но по Wi-Fi-каналу передавать пакеты с различными MAC-адресами нельзя, поэтому стандартную схему пришлось несколько скорректировать. Конкретнее, в нее добавили еще одного посредника в виде сетевого моста. Мост просто сопоставляет IP-адрес виртуальной сетевой карты с ее MAC-адресом, что и обеспечивает корректную маршрутизацию пакетов, которые поступают из внешней сети. Естественно, создается и настраивается мост автоматически, как только пользователь выберет соответствующие настройки [25,51].
Процессор
В виртуальных машинах используется виртуальный процессор [32], аналогичных по характеристикам тому, что установлен на сервере, но процессор доступный виртуальной машине получается совсем не такой, каким он является аппаратно. Более того, возможности процессора доступного хост системе с ролью Hyper-V также существенно отличается от оригинальных спецификаций. Идентификатор процессора, формально его имя и номер, пробрасываются в виртуальную машину без изменений. Но часть инструкций ей недоступна [26,32,38,40].
Для виртуальных машин Hyper-V представляет процессоры многоядерными. Для существующего количества виртуальных процессоров, количество ядер на виртуальный процессор равно количеству физических ядер на реальных процессорах. Включение режима совместимости со старыми ОС для многопроцессорной виртуальной машины представляет виртуальные процессоры не как ядра одного физического процессора, а как логические потоки (Hyper-Threading) одноядерного процессора[26,32,38,40].
Hyper-V поддерживает до восьми логических (виртуальных) процессоров на один физический, однако больше четырех логических процессоров задавать для одной виртуальной машины не рекомендуется [26,32,38,40].
Технология NUMA
NUMA (Non-Uniform Memory Access) — «Неравномерный доступ к памяти» или Non-Uniform Memory Architecture — «Архитектура с неравномерной памятью». NUMA система разделяется на множественные узлы, имеющие доступ как к своей локальной памяти, так и к памяти других узлов (называемой «удаленной»). Доступ к удаленной памяти оказывается гораздо медленнее, чем к локальной. Оттуда и название – «неоднородный доступ к памяти».
Системы NUMA [20,40] состоят из однородных базовых узлов, содержащих небольшое число процессоров с модулями основной памяти.
Hyper-V не использует жесткую привязку к физическому процессору (Processor affinity). Виртуальная машина использует те логические процессоры, которые в настоящее время свободны и предоставляются гипервизору постановщиком ресурсов (Scheduler). Но при этом каждая виртуальная машина имеет специальную характеристику для задания «узла NUMA». Она позволяет гипервизору указать, с каких процессоров и с какой шины памяти будут использоваться ресурсы для данной ВМ [20,40].
Важно заметить, что технологию NUMA нельзя использовать одновременно с технологией динамической памяти.
Каждая виртуальная машина может резервировать для себя ресурсы процессора. Данные ресурсы будут недоступны другим клиентам системы. Гипервизор закрепляет за конкретной виртуальной машиной заданный процент от мощностей сервера. Данная функция очень полезна, так как в процессе функционирования системы, гипервизор постоянно перераспределяет ресурсы сервера между виртуальными машинами, и может возникнуть ситуация при которой требуемых клиентом системы ресурсов может не оказаться в наличии, так как они заняты другими клиентами. При задании резерва ресурсов процессора, в случае высокой нагрузки на систему, виртуальная машина гарантированно получит величину резерва[20,40].
Также, при создании виртуальных машин, существует возможность ограничить доступный для них предел использования ресурсов физического процессора. Данный предел задается в процентном значении от общего количества ресурсов оборудования. Данный параметр позволяет не допустить ситуации, в которой виртуальные машины используют все имеющиеся мощности физического оборудования, в результате чего быстродействие системы уменьшится [20,40].
Данный лимит применяется отдельно к каждой виртуальной машине.
Вес ресурсов процессора регулирует очередность получения ресурсов при высокой нагрузке на систему. До тех пор, пока в системе имеются в наличии доступные процессорные ресурсы, вес не имеет никакого значения. Но как только виртуальные машины начинают запрашивать больше ресурсов, чем доступно для распределения, вес процессорных ресурсов влияет на очередность и количество ресурсов, которые получит конкретная виртуальная машина. Если у всех клиентов системы вес процессорных ресурсов одинаковый, то каждая ВМ получит равное количество процессорных ресурсов в порядке общей очереди. Если у конкретной ВМ вес ресурсов выше, чем у остальных, данная ВМ получит их быстрее и в большем количестве [20,40].
Процессорное время
Если на физическом оборудовании имеется несколько процессоров, то для каждой виртуальной машины можно назначить конкретный физический процессор. Данная функция позволяет увеличить быстродействие системы в несколько раз за счет уменьшения длины очереди на обработку запросов к процессору от клиентов системы, а также увеличения количества ресурсов оборудования. В данном случае операции обработки данных и вычисления на различных виртуальных машинах могут производиться параллельно на нескольких физических процессорах. Поддержка многопроцессорных систем важна, если на сервере функционирует большое количество ВМ [15,20,26,32].
В ситуации, когда на сервере имеется всего один физический процессор, виртуальные машины, а также операционная система сервера встают в очередь на получение квантов процессорного времени. Операции вычисления и обработки запросов происходят на физическом процессоре последовательно. Процессорное время распределяется гипервизором на основе заданных приоритетов. Как только ВМ требуется выполнить операции с помощью процессора, она сообщает посредством гипервызовов о своей готовности[15,20,26,32,34].
На рис.9. приведена схема распределения процессорного времени в Microsoft Client Hyper-V.
|
