在当今云计算和服务器无服务(serverless)架构蓬勃发展的背景下,如何实现应用和虚拟机的快速启动已成为提升用户体验和资源利用效率的核心挑战。传统的虚拟机启动时间往往偏长,而容器虽然响应速度快,却在安全隔离和资源管理上存在局限。Koyeb作为一家领先的服务器无服务平台,最近成功实现了虚拟机在仅200毫秒内唤醒的技术突破,背后依托的是轻量休眠(Light Sleep)、eBPF技术以及虚拟机快照(Snapshot)机制的深度融合。本篇内容将带您深入了解这项技术革新的原理、挑战及其行业意义,同时探讨未来的发展方向。 技术背景与起点 Koyeb面向全球用户,提供高性能的基础设施支持,包括CPU、GPU和加速器。用户只需推送代码或容器,平台自动完成构建、部署及运行,确保安全且高效。
此前,Koyeb主要依赖AWS开源的Firecracker虚拟机管理程序(VMM)实现容器级别的虚拟化,兼顾安全与效率。Firecracker因其轻量和多租户安全特性广受认可,但其在PCI直通及GPU虚拟化上的限制,成为推动Koyeb技术升级的主要驱动力。 为了满足跨硬件类型的统一部署需求,Koyeb转向了Cloud Hypervisor - - 一款支持更广泛硬件、代码更现代的VMM。基于Cloud Hypervisor的架构更灵活,但随之而来的新挑战也纷至沓来。为了实现不同虚拟机管理器间的灵活切换,Koyeb引入了Kata Containers,为容器和虚拟机之间提供了无缝桥梁,使得虚拟机能够像传统容器般被管理和调度。 快照技术的集成与挑战 Cloud Hypervisor原生支持虚拟机状态快照,Koyeb将此功能嵌入Kata Containers的shim层,添加了暂停并保存快照以及从快照恢复的接口。
这种设计允许虚拟机被"冻住",保存内存和CPU状态,待需求来临时迅速恢复至之前状态,从而大幅缩短启动时间。 然而,细节往往决定成败。Koyeb遇到了 virtio-fs 文件系统无法支持快照恢复后重新挂载的难题,最终不得不放弃这种简化文件访问的技术,转而采用其他方案保持功能完整。更棘手的是,网络设备恢复并非文档所描述的简单传递文件描述符即可实现。Cloud Hypervisor在快照恢复后的网络重新初始化,需要复杂的进程间通信与文件描述符传递,Koyeb团队通过直面并修改Kata内部代码,完善了恢复流程,保证网络状态的完整恢复,最终实现完整的虚拟机快照恢复链路。 eBPF:内核级别的关键利器 在虚拟机暂停和恢复之外,Koyeb还面临如何判定服务是否空闲以及何时唤醒的问题。
为了做到精准的空闲监控,Koyeb借助了eBPF(extended Berkeley Packet Filter),一种允许在Linux内核中安全运行用户自定义程序的技术。 通过在每个节点注入eBPF程序,系统能对进入的网络数据包进行监控和计数,实时统计对应的实例是否有真实流量。与此同时,scaletozero-agent代理负责监听这些计数数据,在发现一定时间内没有有效流量时,自动触发暂停虚拟机的快照保存操作。 巧妙的是,健康检查往往会误导空闲判断,因为健康检测本质也产生网络流量。Koyeb通过内核数据包的mark标记机制,将健康检测流量与实际业务流量区分开来,确保健康检查不会影响虚拟机的睡眠决策。 睡眠状态下的健康检查代理机制 暂停状态的虚拟机无法回应健康检查请求,传统的调度器会误判服务不可用并重启实例,违背休眠策略。
为避免这一步骤,Koyeb实现了基于eBPF的请求拦截和本地代理应答机制。具体来说,当虚拟机处于休眠状态时,eBPF程序会将健康检查请求重定向至本地的轻量级HTTP服务器,始终返回成功状态码,从而防止调度系统误判,使休眠状态平稳维持。 实时唤醒:完美握手的第一包和重试逻辑 当真实访问请求到达时,eBPF程序检测到目标实例的状态为休眠,立即通知scaletozero-agent发起虚拟机恢复操作。恢复过程快至200毫秒,但首个数据包往往无法立即得到响应,这时高阶传输协议TCP的重传特性发挥了关键作用。初始请求失败后,TCP连续重试,待虚拟机唤醒完成时,随后的尝试即可顺利建立连接,实现流量的无感知"唤醒"体验,极大增强了平台的响应及时性与用户体验。 行业意义与未来展望 通过将虚拟机唤醒时间缩短至200毫秒,Koyeb不仅在用户体验上实现了质的飞跃,也大幅削减了资源浪费,推进了绿色计算理念的实践。
用户不必维护始终在线的实例,平台可根据需求实时调度和恢复,显著降低闲置资源成本。 下一步的重点将锁定GPU服务的休眠和快速恢复。相比CPU虚拟机,GPU快照涉及显存内容的保存与恢复,硬件支持程度参差不齐,技术难度陡增。Koyeb正稳步推进相关研究,期望将同样高效的休眠与唤醒能力扩展至GPU环境,满足日益增长的AI推理和训练场景需求。 总结 Koyeb通过灵活虚拟化技术栈的构建、快照机制的创新集成及利用eBPF实现内核级流量监控,实现了划时代的轻量休眠与200毫秒虚拟机唤醒。多层技术的深度协同,不仅解决了传统虚拟机启动慢、资源利用低等痛点,也为服务器无服务平台在高性能计算领域开辟了新路径。
未来,随着GPU快照技术的突破及更多生态整合,云计算效率和弹性势必达到新的高度,带来更多创新的应用可能。 。
