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南帅波--kvm_watcher-基于eBPF的KVM性能洞察工具.pdf

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南帅波--kvm_watcher-基于eBPF的KVM性能洞察工具.pdf

1、kvm_watcher-基于eBPF的KVM性能洞察工具南帅波（西安邮电大学）第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m中国西安第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m个人简介：南帅波，西安邮电大学陈莉君老师研二学生，内核之旅社区成员，研究方向为Linux内核，内核虚拟化技术等。github主页：https:/ 二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m1.KVM内核虚拟

2、化2.kvm_watcher3.性能测试4.未来展望第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m1 KVM内核虚拟化第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m1.1KVM介绍优势：资源整合灵活性高降低成本隔离性强地位：l 基于Linux内核性能出色生态丰富第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m1.2 传统观测工具工具特征挑战virsh基于 libvirt 库，提供

3、简单的虚拟机管理和状态监控。支持命令行操作，易于使用。有限的监控功能，无法深入分析和调整性能。不够灵活，无法满足高级需求，可扩展性低。kvm_stat基于 Python 编写，主要使用 debugfs 读取数据，统计 KVM 相关事件信息。提供了针对性的 KVM 事件统计功能。依赖 debugfs，对操作系统版本和配置有一定要求。可能需要较高的技术水平进行使用和定制化，提取信息有限。第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m2kvm_watcher第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b

4、p f t r a v e l.c o m2.1kvm_watcher项目简介kvm_watcher是一款基于eBPF的kvm虚拟机检测工具，其旨在使用户方便快捷在宿主机侧获取kvm虚拟机中的各种信息，报告所有正在运行的guest行为。目前，其实现的功能主要包括：l VM Exit 事件分析l KVM mmu事件分析l vCPU相关指标分析l kvm中中断注入记录l hypercall信息统计第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m2.2kvm_watcher项目特性l 基于eBPF技术l 数据全面l 粒度更细l 可定

5、制化l 易于使用l 开源2.3项目框图第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m2.4子模块 kvm_exitl VM Exit 原因统计l VM Exit 延时分析l VM Exit 次数计数l 细粒度vcpu定位l 子模块数据关联2.4子模块kvm exit第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m2.4子模块 kvm_exitvm exit时间处理详细时延信息，可定位到具体的pid及vcpu的tid可以在host侧定位到定位到guest具体v

6、cpu线程号第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m2.5 子模块 kvm_vcpu l 精确记录 VCPU 的唤醒/挂起事件l 统计halt poll 时间的变化l 记录vcpu的调度情况，记录vcpu的上下文切换时间可以通过分析 vCPU 调度信息，优化调度策略，调整虚拟机 CPU 拓扑结构或 CPU 亲和性设置,提高 vCPU 利用率.2.5 子模块 kvm_vcpu 第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m2.5 子模块 kvm_vcp

7、u vcpu上下文切换时间高负载VM空闲VM第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m2.5 子模块 kvm_vcpu halt poll time变化情况halt-polling的机制保证虚拟机的vCPU线程的及时响应，但在虚拟机空载的时候，主机侧也会polling，导致主机看到vCPU所在CPU占用率比较高，而实际虚拟机内部CPU占用率并不高。第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m2.6 子模块 kvm_mmukvm mmu子功能模块特别关

8、注于捕捉和分析两类关键的虚拟化环境中的内存管理事件：l EPT page fault(VM exit-EPT VIOLATION)l 热迁移中的dirty page第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m2.6 子模块 kvm_mmuEPT_VIOLATIONpage fault的详细信息第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m2.6 子模块 kvm_mmudirty_page使用virsh执行迁移在虚拟机热迁移过程中，源虚拟机上的内存页在复制

9、到目标虚拟机的同时仍然处于活动状态，任何在此过程中对这些页的修改都会导致脏页的产生。第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m2.6 子模块 kvm_mmudirty_page日志统计脏页详细信息脏页次数统计第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m2.7 子模块 kvm_irq第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m2.7 子模块 kvm_irq注入延时中断类型中断向量号

10、第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m2.8 kvm hypercallvm exithypercall日志文件记录详细信息第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m2.9 kvm ioctll 记录vm的创建情况l 记录vcpu创建情况l vcpu运行情况l 统计vm的memslot的内存区域信息l 获取 vCPU 内存映射区域的大小l.kvm_watcher 可以利用 eBPF 技术监控 KVM ioctl 系统调用，通过统计调用频率和调用

11、延时，分析虚拟机管理程序和用户空间程序之间的交互情况。第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m2.10 与传统工具对比特性传统工具（virsh、kvm_stat）eBPF(kvm_watcher)指标范围有限，主要为基本资源指标广泛，包括各种事件和指标实时性较差，通过查询 libvirt 守护进程，或者debugfs优秀，直接从内核获取数据灵活性较差，功能相对固定优秀，可以根据需求进行定制开发性能开销较低极低，对虚拟机性能影响微乎其微传统工具缺乏对 KVM 内部机制的可见性，难以获取细粒度性能数据。第二届中国

12、 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m2.11 可视化结果输出第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m2.11 可视化结果输出第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m3性能测试第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m3.1 性能测试ItemDescriptionCPUIntel(R)Xeon(R)CPU E5-

13、2630 v4 2.20GHzMiB Mem95%MiB Swap98%Load Ave 43.46,39.38,24.66（19 cores）benchmark toolunixbenchhigh-load simulation toolstress-ngUnixBench是一个通用的基准测试工具，旨在评估Unix和类Unix系统的性能。它包含了一系列的测试项目，涵盖了CPU、内存、磁盘、文件系统等方面的性能测试。UnixBench的测试结果可以帮助用户了解系统的整体性能表现，评估硬件升级或系统调优的效果，以及与其他系统的性能比较。为了测试工具在高负载情况下对系统性能的影响，使用stress

14、-ng模拟服务器高负载环境，使用基准测试工具unixbench在高负载环境下对系统进行测试。第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m3.2 性能测试结果可以看出对系统性能的影响在1%左右，由此可以说明高负载情况下扩充的功能对系统性能几乎没有影响。第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m4未来展望第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o m4.1 未来展望l 扩展功能，覆盖更多 KVM 性能分析领域l 增强易用性和可视化l 探索 eBPF 在 KVM 性能分析中的更多可能性l 集成机器学习和人工智能算法第二届中国 e B P F 开发者大会W W W.e b p f t r a v e l.c o mThanks

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