論文：高性能虛擬技術(shù)的研究

　　當(dāng)前，在服務(wù)整合、安全管理等方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了虛擬化技術(shù)的廣泛應(yīng)用。高性能計(jì)算技術(shù)向著高產(chǎn)出率的方向不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的高效能計(jì)算機(jī)共享服務(wù)模式已經(jīng)不能夠滿足其發(fā)展的需求了，同時(shí)還會(huì)給共享使用環(huán)境造成一定的安全隱患。當(dāng)前，虛擬化技術(shù)由于性能等方面的原因在高效能計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用并不廣泛，本文針對(duì)這種現(xiàn)象提出了針對(duì)高效能計(jì)算機(jī)的虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全性、可靠性與易用性的增強(qiáng)。

　　一、高性能虛擬域技術(shù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　高性能虛擬域技術(shù)（High Performance Virtual Zone ，HPVZ）的設(shè)計(jì)目標(biāo)包括兩個(gè)方面：第一，對(duì)高效性計(jì)算系統(tǒng)的計(jì)算性能實(shí)現(xiàn)盡可能的保持；第二，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)管理最大限度的簡(jiǎn)化，同時(shí)增強(qiáng)其安全性、可靠性與易用性。

　�。ㄒ唬└咝�性

　　高性能并行計(jì)算機(jī)在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，其核心的目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)計(jì)算服務(wù)的高性能。虛擬化技術(shù)具有開(kāi)銷較低的特點(diǎn)，通過(guò)操作系統(tǒng)層中虛擬化技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)用戶在編程、編譯及任務(wù)提交、計(jì)算等環(huán)節(jié)中性能損失的降低。

　�。ǘ�）易用性

　　傳統(tǒng)的高性能并行計(jì)算機(jī)為用戶提供的共享使用環(huán)境是一致的，在這種情況之下，在對(duì)共享使用環(huán)境進(jìn)行管理與使用的過(guò)程中就會(huì)變得較為復(fù)雜。通過(guò)虛擬化技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算環(huán)境的靈活構(gòu)建，滿足不同用戶的需求，實(shí)現(xiàn)屬于用戶自身的高性能計(jì)算系統(tǒng)。

　�。ㄈ�）安全性

　　在傳統(tǒng)高性能并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，往往會(huì)忽略安全問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)的性能造成較大的損失。在高性能計(jì)算機(jī)中，其安全的核心就是確保數(shù)據(jù)的安全。系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)的攻擊、誤用等情況是用戶數(shù)據(jù)安全威脅的.主要來(lái)源，因此計(jì)算機(jī)在確保其性能的基礎(chǔ)上應(yīng)該實(shí)現(xiàn)用戶之間的安全隔離，通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)安全性的提高。

　　二、高性能虛擬域技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)

　　高性能虛擬域技術(shù)的系統(tǒng)中包括服務(wù)結(jié)點(diǎn)虛擬計(jì)算域、計(jì)算結(jié)點(diǎn)高性能計(jì)算域、面向虛擬域的作業(yè)管理系統(tǒng)三個(gè)方面。

　　服務(wù)結(jié)點(diǎn)的虛擬計(jì)算域主要的作用是為用戶提供獨(dú)立登陸環(huán)境，而且這種獨(dú)立登陸環(huán)境是可以定制的，用戶在對(duì)虛擬計(jì)算域進(jìn)行配置的過(guò)程中可以將自身的需求作為依據(jù)，使用編程、編譯、調(diào)試、提交等功能。面向虛擬域的作業(yè)管理系統(tǒng)主要的作用是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的管理，在對(duì)計(jì)算資源進(jìn)行管理的過(guò)程中，要將據(jù)用戶提交任務(wù)的規(guī)模與服務(wù)質(zhì)量需求作為依據(jù)。此外，面向虛擬域的作業(yè)管理系統(tǒng)的作用還包括構(gòu)建高性能計(jì)算域的動(dòng)態(tài)構(gòu)建。計(jì)算結(jié)點(diǎn)的高性能計(jì)算域的文件目錄視圖與服務(wù)結(jié)點(diǎn)的虛擬計(jì)算域相同，同時(shí)還增加服務(wù)質(zhì)量保證、文件隔離等功能，為高性能的計(jì)算服務(wù)提供支持。

　　三、面向高性能計(jì)算的高性能虛擬域技術(shù)

　　（一）服務(wù)結(jié)點(diǎn)虛擬計(jì)算域

　　服務(wù)結(jié)點(diǎn)的虛擬計(jì)算域是以操作系統(tǒng)級(jí)虛擬化技術(shù)為基礎(chǔ)形成的。操作系統(tǒng)級(jí)虛擬化技術(shù)能夠在操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶運(yùn)行環(huán)境的構(gòu)建，而且這些用戶運(yùn)行環(huán)境之間是相互獨(dú)立的，從而實(shí)現(xiàn)了多個(gè)獨(dú)立的用戶運(yùn)行環(huán)境在同一個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)核中運(yùn)行。系統(tǒng)性能的損失較小是操作系統(tǒng)級(jí)虛擬化技術(shù)的特點(diǎn)。高性能虛擬域技術(shù)采用雙分區(qū)單影像優(yōu)化技術(shù)，這種方式具有兩方面的優(yōu)點(diǎn)，一方面能夠滿足服務(wù)陣列的單系統(tǒng)映像需求，另一方面能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)性能損失的降低。

　�。ǘ�）計(jì)算結(jié)點(diǎn)高性能計(jì)算域

　　用戶在高性能并行計(jì)算機(jī)中進(jìn)行作業(yè)提交的過(guò)程中，這些作業(yè)將會(huì)被提交到服務(wù)結(jié)點(diǎn)中，之后在計(jì)算結(jié)點(diǎn)中對(duì)這些作業(yè)進(jìn)行處理。計(jì)算結(jié)點(diǎn)的功能只包括用戶任務(wù)計(jì)算，不包括登陸服務(wù)。因此，大部分的高性能并行計(jì)算機(jī)為了能夠降低軟件開(kāi)銷，在計(jì)算結(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)中采用精簡(jiǎn)內(nèi)核。因此，如果在計(jì)算結(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)完整的Open VZ環(huán)境的構(gòu)造，將會(huì)造成系統(tǒng)性能的損失。依據(jù)計(jì)算結(jié)點(diǎn)的使用方式，高性能虛擬域技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于文件路徑轉(zhuǎn)換的高性能計(jì)算域構(gòu)成技術(shù)的應(yīng)用。高性能虛擬域技術(shù)通過(guò)CHROOT的方式實(shí)現(xiàn)了用戶作業(yè)的轉(zhuǎn)換，依據(jù)用戶作業(yè)的VZ根路徑信息將其切換到對(duì)應(yīng)的VZ環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)結(jié)點(diǎn)與計(jì)算結(jié)點(diǎn)文件視圖的一致性。

　�。ㄈ�）面向虛擬域的作業(yè)管理

　　在服務(wù)結(jié)點(diǎn)虛擬計(jì)算域與計(jì)算結(jié)點(diǎn)高性能域之間，作業(yè)管理主要的作用就是實(shí)現(xiàn)兩者之間的連接。高性能虛擬域技術(shù)的作業(yè)管理系統(tǒng)是以Slurm為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)造的，在用戶加載作業(yè)的過(guò)程中，作用管理系統(tǒng)依據(jù)用戶的任務(wù)規(guī)模對(duì)計(jì)算資源進(jìn)行分配，之后提取虛擬計(jì)算的運(yùn)行路徑，將虛擬計(jì)算運(yùn)行路徑作為環(huán)境變量，與作業(yè)一起加載到計(jì)算結(jié)點(diǎn)。高性能虛擬域技術(shù)在批處理作業(yè)加載的過(guò)程中，采用了修改路徑名與路徑切換相結(jié)合的方式，從而確保系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確性。

　　總結(jié)：

　　高性能虛擬域技術(shù)是針對(duì)高性能并行計(jì)算機(jī)所具有的特點(diǎn)而提出的虛擬化方案。以系統(tǒng)計(jì)算性能保持為前提條件，通過(guò)高性能虛擬域技術(shù)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)高性能并行計(jì)算機(jī)共享使用模式向著獨(dú)立使用模式的轉(zhuǎn)變，為用戶的使用提供了更多的便捷。未來(lái)針對(duì)高可靠計(jì)算需求進(jìn)行研究的過(guò)程中，還需要對(duì)虛擬化網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的進(jìn)程動(dòng)態(tài)遷移計(jì)算進(jìn)行研究，確保計(jì)算結(jié)點(diǎn)在出現(xiàn)故障之前實(shí)現(xiàn)用戶任務(wù)的遷移，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性的進(jìn)一步增強(qiáng)。

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