21世纪以来,云从业者越来越多,云生态越来越完善,越来越多的企业拥抱云平台。这对支撑着云计算发展的关键--虚拟化技术提出了更多地挑战。I/O虚拟化作为虚拟化技术的重要组成部分,一直是工业界和学术界研究的热点问题。I/O虚拟化的关键是保证数据存储的性能和数据的持久化、一致性存储。为了保证数据存储的性能,我们通常会给系统添加缓存,缓存的问题在于当系统掉电或者崩溃时,在缓存中的数据就会丢失。为了保证缓存中数据的持久化、一致性存储,系统需要不断调用代价昂贵的同步操作,从而影响了系统的性能。为此,本文深入分析了 I/O虚拟化的整个过程,在保证数据一致性和持久性存储的前提下,提出了多种I/O虚拟化优化技术,提高了系统I/O性能。论文的主要贡献点分为以下三个部分:1.本文深入分析了各种虚拟机镜像格式和I/O虚拟化过程,发现了虚拟机镜像同步放大问题和该问题产生的原因。虚拟机镜像同步放大问题指的是虚拟机内部调用一次同步操作,宿主机需要调用多次同步操作(对于QCOW2镜像,客户虚拟机内部调用一次同步操作,宿主机至少需要3次同步操作;对于VMDK镜像,客户虚拟机内部调用一次同步操作,宿主机至少需要4次同步操作)。产生虚拟机镜像同步放大问题的原因在于,虚拟机镜像为了提供诸如快照、去重等先进的特性,引入了很多元数据帮忙管理虚拟机镜像。这些元数据的存在要求额外的同步操作来保证镜像更新的一致性,从而产生同步放大问题。2.针对虚拟机镜像同步放大问题,本文提出了双模式日志、动态预分配、NVRAM日志三种优化方法。三种优化方法在保证镜像更新一致性的前提下,使得客户虚拟机内部发布一次同步操作,宿主机也只需要调用一次同步操作。我们的实验显示,三种优化方法使得邮件服务器的工作负载性能提升了 110%,数据库工作负载性能提升了 50%。3.本文提出了在虚拟化环境下实现外部同步系统的方法。外部同步机制从用户的视角出发,在保证虚拟机数据持久化存储的前提下,将多个同步I/O组合成单次同步I/O进行提交,减少了同步操作的次数,提高了虚拟化I/O性能。我们的测试显示,在顺序同步写的工作负载下,外部同步机制提高了 46倍的I/O性能,在TPCC的工作负载下,外部同步机制提高了 50%的I/O性能。