[发明专利]虚拟文件系统碎片的零拷贝整理方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机虚拟化领域，具体涉及一种虚拟文件系统碎片的零拷贝整理方法。

背景技术

磁盘碎片一直是计算机系统的一个重大问题，给系统的I/O性能带来严重损失。随着文件的创建，扩充以及删除，磁盘碎片在计算机系统中是不可避免的。此问题在Window系统中尤为严重，这是因为Windows系统中使用的文件系统，如FAT和NTFS，特别是FAT，由于其本身的数据存放机制，容易导致严重的碎片问题。尽管Linux下的常用文件系统，如EXT类文件系统，具有聪明的预分配机制以减少磁盘碎片的生成，但它们还是无法避免碎片。而磁盘碎片给计算机系统带来严重的性能损失，这是由于磁盘碎片导致磁头移动更多、更频繁。此外，在计算机系统中，I/O的访问速度远小于CPU和内存的访问速度的，因此，I/O是计算机系统中的性能瓶颈。而磁盘碎片导致I/O性能进一步降低，使得I/O这个性能瓶颈变得更加突出。除了对系统性能方面的影响，磁盘碎片还会消耗更多的系统资源和能量，甚至损耗磁盘寿命，而这些问题每年给数据中心造成巨大的损失。因此，几乎所有的现代操作系统都提供了磁盘碎片整理工具来提高系统性能并解决系统资源、能量甚至磁盘寿命的相关问题。

虚拟化技术经过多年的发展、日益扩展和成熟，如今成为日益热门的研究领域，为许多其它研究领域甚至学科提供关键技术。然而，虚拟化开销是不可忽视的一个问题。这些开销往往取决于许多不同的因素，例如硬件、虚拟化技术本身以及虚拟机的配置方式等等。它们都在一定程度上降低了系统性能，特别是系统的I/O性能容易受到较大的影响。而系统性能的降低程度总是与虚拟化的方式有着紧密联系的。事实上，根据是否对客户操作系统进行修改，虚拟化方式可分为两类：半虚拟化和全虚拟化。半虚拟化可以通过修改客户操作系统内核，对系统I/O进行优化，保持了较小的I/O开销。而全虚拟化，无论是以VMware为例的基于二进制翻译的全虚拟化还是以Xen全虚拟化为例的基于硬件辅助(如Intel的VT技术)的全虚拟化，为了维持客户操作系统的不必修改并保持透明性，在I/O性能上付出了较大的代价。而虚拟环境下的磁盘碎片，进一步增加了系统开销，加剧了I/O性能的损失。在虚拟环境下，在客户操作系统和物理磁盘之间，引入了一个称为“虚拟磁盘”的概念。由于在VM(虚拟机)和VMM(虚拟机管理器)层都有文件管理机制，那么在物理磁盘和虚拟磁盘上，都会产生磁盘碎片，这就产生了所谓的层次的碎片，使得碎片整理的过程变得更加复杂。此外，当多个VM同时共享一个磁盘时，碎片会导致每个VM性能下降，并且对一个VM进行碎片整理时，很可能严重影响其它VM的性能。由此，在虚拟环境下，磁盘碎片的问题变得更加严重和复杂。因此，怎样以高效的方式来整理虚拟环境下的碎片以提高系统I/O性能，成为了一个紧迫的研究任务。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能以高效的方式消除虚拟环境下碎片带来的性能问题的整理方法，该方法具有彻底有效性、高效性、低开销性以及灵活易用性。

一种虚拟文件系统碎片的零拷贝整理方法，其步骤为：

(1)获取虚拟机磁盘镜像文件系统的数据块y到物理磁盘目标分区文件系统的块z的映射z＝I(y)，以及从虚拟机文件的数据块x到虚拟机磁盘镜像文件系统的数据块y的映射y＝F(x)；

(2)确定虚拟机各文件的数据块x到物理磁盘目标分区文件系统的块z的映射z＝I(F(x))；

(3)修改F()＝F′()使得虚拟机文件的数据块和空闲数据块分别对应的虚拟机磁盘镜像文件系统的数据块均是连续的，再修改I()＝I′()使得z＝I′(F′(x))。

本发明的虚拟文件系统碎片的零拷贝整理系统具有以下优点及效果：

(1)有效与彻底性：可以彻底消除虚拟文件系统中的碎片，包括该虚拟文件系统中的所有文件的碎片以及空闲空间的碎片，从而保证现有文件的读操作的性能的提高，以及对现有文件的追加以及创建新文件的性能的提高。通过性能测试工具的测试，表明零拷贝碎片整理系统可以彻底消除虚拟磁盘碎片，减小虚拟机和虚拟机管理器之间的开销，从而提高系统I/O性能。

(2)高效与低开销性：由于本发明不移动或者拷贝物理磁盘上的任何数据块，仅仅只修改虚拟文件系统和物理文件系统的元数据，整个整理过程非常迅速，通过与Windows自带的整理系统以及传统的第三方碎片整理工具的整理时间进行比较，可以看到零拷贝碎片整理系统可以以惊人的速度完成。另外，零拷贝的整理方法由于不移动或拷贝任何数据块，也不会对系统以及其它虚拟机的性能产生持续性的影响。