docs/all/live_migration.rst

   1 Fast Live Migration
   2 ===================
   3
   4 The NFV project requires fast live migration. The specific requirement is total
   5 live migration time < 2Sec, while keeping the VM down time < 10ms when running
   6 DPDK L2 forwarding workload.
   7
   8 We measured the baseline data of migrating an idle 8GiB guest running a DPDK L2
   9 forwarding work load and observed that the total live migration time was 2271ms
  10 while the VM downtime was 26ms. Both of these two indicators failed to satisfy
  11 the requirements.
  12
  13 Current Challenges
  14 ------------------
  15
  16 The following 4 features have been developed over the years to make the live
  17 migration process faster.
  18
  19 + XBZRLE:
  20         Helps to reduce the network traffic by just sending the
  21         compressed data.
  22 + RDMA:
  23         Uses a specific NIC to increase the efficiency of data
  24         transmission.
  25 + Multi thread compression:
  26         Compresses the data before transmission.
  27 + Auto convergence:
  28         Reduces the data rate of dirty pages.
  29
  30 Tests show none of the above features can satisfy the requirement of NFV.
  31 XBZRLE and Multi thread compression do the compression entirely in software and
  32 they are not fast enough in a 10Gbps network environment. RDMA is not flexible
  33 because it has to transport all the guest memory to the destination without zero
  34 page optimization. Auto convergence is not appropriate for NFV because it will
  35 impact guest’s performance.
  36
  37 So we need to find other ways for optimization.
  38
  39 Optimizations
  40 -------------------------
  41 a. Delay non-emergency operations
  42    By profiling, it was discovered that some of the cleanup operations during
  43    the stop and copy stage are the main reason for the long VM down time. The
  44    cleanup operation includes stopping the dirty page logging, which is a time
  45    consuming operation. By deferring these operations until the data transmission
  46    is completed the VM down time is reduced to about 5-7ms.
  47 b. Optimize zero page checking
  48    Currently QEMU uses the SSE2 instruction to optimize the zero pages
  49    checking.  The SSE2 instruction can process 16 bytes per instruction. By using
  50    the AVX2 instruction, we can process 32 bytes per instruction. Testingt shows
  51    that using AVX2 can speed up the zero pages checking process by about 25%.
  52 c. Remove unnecessary context synchronization.
  53    The CPU context was being synchronized twice during live migration. Removing
  54    this unnecessary synchronization shortened the VM downtime by about 100us.
  55
  56 Test Environment
  57 ----------------
  58
  59 The source and destination host have the same hardware and OS:
  60 ::
  61 Host: HSW-EP
  62 CPU: Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2699 v3 @ 2.30GHz
  63 RAM: 64G
  64 OS: RHEL 7.1
  65 Kernel: 4.2
  66 QEMU v2.4.0
  67
  68 Ethernet controller: Intel Corporation Ethernet Controller 10-Gigabit X540-AT2 (rev 01)
  69 QEMU parameters:
  70 ::
  71   /root/qemu.git/x86_64-softmmu/qemu-system-x86_64-enable-kvm -cpu host -smp 4 –device virtio-net-pci,netdev=net1,mac=52:54:00:12:34:56 –netdev type=tap,id=net1,script=/etc/kvm/qemu-ifup,downscript=no,vhost=on–device virtio-net-pci,netdev=net2,mac=54:54:00:12:34:56 –netdevtype=tap,id=net2,script=/etc/kvm/qemu-ifup2,downscript=no,vhost=on  -balloon virtio -m 8192-monitor stdio  /mnt/liang/ia32e_rhel6u5.qcow
  72
  73 Network connection
  74
  75 .. figure:: lmnetwork.jpg
  76    :align: center
  77    :alt: live migration network connection
  78    :figwidth: 80%
  79
  80
  81 Test Result
  82 -----------
  83 The down time is set to 10ms when doing the test. We use pktgen to send the
  84 packages to guest, the package size is 64 bytes, and the line rate is 2013
  85 Mbps.
  86
  87 a. Total live migration time
  88
  89    The total live migration time before and after optimization is shown in the
  90    chart below. For an idle guest, we can reduce the total live migration time
  91    from 2070ms to 401ms. For a guest running the DPDK L2 forwarding workload,
  92    the total live migration time is reduced from 2271ms to 654ms.
  93
  94 .. figure:: lmtotaltime.jpg
  95    :align: center
  96    :alt: total live migration time
  97
  98 b. VM downtime
  99
 100    The VM down time before and after optimization is shown in the chart below.
 101    For an idle guest, we can reduce the VM down time from 29ms to 9ms. For a guest
 102    running the DPDK L2 forwarding workload, the VM down time is reduced from 26ms to
 103    5ms.
 104
 105 .. figure:: lmdowntime.jpg
 106    :align: center
 107    :alt: vm downtime
 108    :figwidth: 80%