基于混合虛擬化技術(shù)的虛擬機性能優(yōu)化研究及應(yīng)用

楊耀明

摘要：現(xiàn)階段，計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以日新月異的發(fā)展態(tài)勢逐漸在人們的生產(chǎn)和生活中扎根。隨著現(xiàn)代科技的推廣和普及，虛擬化技術(shù)也不斷憑借其科技優(yōu)勢在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。通過虛擬機集群，能夠最大限度地對現(xiàn)有服務(wù)器資源進(jìn)行有效整合和利用，從而使得數(shù)據(jù)中心的耗電量可以控制在一個合理的范圍內(nèi)，充分踐行綠色發(fā)展理念。在虛擬機集群的戰(zhàn)略部署中，對于系統(tǒng)虛擬化性能的投入控制至關(guān)重要。如何通過對現(xiàn)有虛擬化方案的完善，對虛擬機性能進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)趨利避害的最大化效果，成為了虛擬機技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。該文在混合虛擬機技術(shù)的基礎(chǔ)上，對虛擬機性能的優(yōu)化進(jìn)行了研究，希望能夠為相關(guān)工作人員提供借鑒。

關(guān)鍵詞：混合虛擬機技術(shù)；虛擬機性能；優(yōu)化方案

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）03-0244-02

1 虛擬機和系統(tǒng)虛擬化技術(shù)

1.1 系統(tǒng)虛擬化技術(shù)

作為虛擬化技術(shù)中的重要成員，系統(tǒng)虛擬化是通過虛擬化，將物理計算機一臺變多臺的虛擬計算機系統(tǒng)。眾所周知，在傳統(tǒng)的計算機體系中，單一的物理硬件平臺只能對應(yīng)一個相應(yīng)的操作系統(tǒng)，也就是說，電腦物理硬件中所有的資源都有一個特定的操作系統(tǒng)獨占。但是，這樣所造成的明顯后果就是全球數(shù)據(jù)資源的利用效率低下，而能源消耗的大部分幾乎都集中在了操作系統(tǒng)的空閑運行上。但是，虛擬化技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效改善現(xiàn)狀，實現(xiàn)資源利用效率的最大化，尤其是系統(tǒng)虛擬化技術(shù)，更是實現(xiàn)了物理硬件平臺與操作系統(tǒng)一對多的運行模式，使得資源的利用效率不斷提升。為了順利實現(xiàn)系統(tǒng)的虛擬化，在傳統(tǒng)的物理硬件層和操作層之間，插入虛擬化層，使得單一的物理平臺被虛擬化，從而形成許多不同的虛擬化平臺，同時為每一個虛擬平臺配置相對獨立的CPU內(nèi)存以及其他必要設(shè)備等虛擬硬件，從而營造出相對獨立的執(zhí)行環(huán)境，從專業(yè)角度講，也就是虛擬機監(jiān)控器（VMM），其中VMM是Virtual Machine Monitor的簡寫。而這個通過虛擬化所形成的平臺，被稱為虛擬機（VM），也就是Virtual Machine。在虛擬機中，運行的操作系統(tǒng)即是虛擬機操作系統(tǒng)，也叫做客戶機操作系統(tǒng)（Guest Operating System）。在這種模式下，操作系統(tǒng)的運行具有獨立性和差異性。

1.2 現(xiàn)有的系統(tǒng)虛擬化方案

現(xiàn)階段，基于軟件的完全虛擬化方案十分常見。在這種虛擬化方案下，虛擬平臺和現(xiàn)實平臺具有一致性，虛擬機的操作系統(tǒng)在無需調(diào)整的情況下即可正常運行，對于虛擬CPU、虛擬內(nèi)存以及虛擬I/O設(shè)備的操作與CPU、內(nèi)存和I/O設(shè)備的操作也具有一致性。立足于實現(xiàn)的角度，指令在經(jīng)過VMM的正確處理以后，對虛擬機進(jìn)行指令下達(dá)，從而實現(xiàn)對虛擬機的有效控制。在基于軟件的完全虛擬化方案下，該技術(shù)的使用無需對操作系統(tǒng)進(jìn)行修改，所以VMM的指令只能是二進(jìn)制機器碼。與此同時，由于傳統(tǒng)CPU架構(gòu)具有不可虛擬化，所以，系統(tǒng)內(nèi)部會存在很多虛擬化的敏感指令。這種系統(tǒng)虛擬化的典型代表有Bochs、QEMU、Vmware、Workstation、SkyEye、Wine等。

硬件輔助虛擬化也是系統(tǒng)虛擬化方案中的典型代表，是一種具有完整意義的虛擬化方法，在這種方案下，問題解決模式是通過增加層次來實現(xiàn)的，內(nèi)存和外部設(shè)備的訪問也是通過指令才能完成。截獲處理器指令級別的同時，VMM就會營造出與真實主機相差無幾的環(huán)境。從而實現(xiàn)虛擬機的無縫運行?，F(xiàn)階段，基于硬件的輔助虛擬化方案在x86和x86-84架構(gòu)中有著廣泛應(yīng)用。Intel中的VT-x、VT-d、EPT等技術(shù)都是其中的典型代表。

準(zhǔn)虛擬化技術(shù)是通過對虛擬機操作系統(tǒng)內(nèi)核的代碼修改，有效避免虛擬化敏感指令，回避虛擬化漏洞、使得VMM對物理資源虛擬化得以實現(xiàn)的技術(shù)。在這種方案下，環(huán)壓縮技術(shù)是典型手段，是將虛擬化層（VMM）插入到傳統(tǒng)操作層和物理硬件層之間的主要方法。Xen平臺是應(yīng)用準(zhǔn)虛擬化技術(shù)最典型的代表，阿里巴巴、華為等云計算服務(wù)提供商都是以Xen平臺的虛擬化方案為基礎(chǔ)的。

1.3 不同虛擬化方案之間的優(yōu)缺點

完全虛擬化方案的優(yōu)勢在于實現(xiàn)虛擬機和物理機平臺的互異性的，物理硬件與虛擬平臺實現(xiàn)了一對多的關(guān)系，成本控制效果十分明顯。與此同時，虛擬機操作系統(tǒng)不需要為了迎合虛擬技術(shù)而做出修改，使得其普適性十分強。但是其缺點也十分致命，其缺點在于性能的急速下降。完全虛擬化的運行新能最高也只能達(dá)到非虛擬化環(huán)境下的三分之一，在實際使用的范圍也將局限在小型底層系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試。

與完全虛擬化技術(shù)相比，硬件輔助虛擬化技術(shù)使得系統(tǒng)虛擬化的設(shè)計和實現(xiàn)更加簡化，完全虛擬化的性能瓶頸也得到打破，其兼容性好，性能提高，可靠性得到強化，系統(tǒng)設(shè)計得以簡化是主要的優(yōu)點，為系統(tǒng)的運行營造成了更大的擴(kuò)展空間，軟件運行環(huán)境的靈活性不斷提高，為業(yè)務(wù)的連續(xù)性需求提高了可靠保障，對于控制潛在漏洞和風(fēng)險至關(guān)重要。但是硬件輔助虛擬化技術(shù)并不是十全十美的，其中，部分虛擬化語義尚未完全覆蓋，虛擬化擴(kuò)展性能的普適性還需要加強等都是其顯著缺點。

與前兩者相比，準(zhǔn)虛擬化技術(shù)具有兩大優(yōu)勢：其一表現(xiàn)在純軟件虛擬化的層面上，虛擬化技術(shù)的成本控制能夠得到最優(yōu)的解決方案，比如消除冗余代碼、減少地址空間切換、控制內(nèi)存復(fù)印等；其二表現(xiàn)在虛擬層和上層操作系統(tǒng)之間的語義鴻溝（Semantic Gap）得以消除，有效地提高了整個系統(tǒng)的管理效率。所謂的語義鴻溝（Semantic Gap），是指VMM不能獲取虛擬系統(tǒng)內(nèi)部運行狀態(tài)，不能進(jìn)行資源最優(yōu)調(diào)配的一種現(xiàn)象。但是在準(zhǔn)虛擬化技術(shù)的實際開發(fā)和應(yīng)用過程中，修改VMM是最核心手段，也是最大的問題所在。

2 Xen虛擬化平臺

如下圖1所示，Xen虛擬化平臺的核心組件包括VMM和特權(quán)虛擬機。VMM直接在硬件之上運行，負(fù)責(zé)各種虛擬化資源的管理，下層虛擬機的運行接口也由VMM來負(fù)責(zé)。在Xen虛擬化平臺上，運行的虛擬機既可以是PVM（PVM是準(zhǔn)虛擬化虛擬機Paravirtualized Virtual Machine的英文縮寫），也可能是HVM（HVM是指硬件輔助虛擬化虛擬機Hardware-assisted Virtual Machine的英文縮寫）。雖然PVM的內(nèi)部運行經(jīng)過虛擬化修改，而HVM未經(jīng)修改，但是在使用過程中，用戶控件程序都無需作出變動。在實際使用過程中，Xen支持的硬件平臺有很多，x86-32、x86-64、IA64等都是主要的官方的版本支持。另外，Embedded XEN on ARM platforms這一非官方架構(gòu)也得到了Xen的支持。由此可見，Xen軟件具有很強的可移植性，同時支持硬件輔助虛擬技術(shù)和準(zhǔn)虛擬化技術(shù)，應(yīng)用群體十分廣泛，開源社區(qū)的支持力量強大等特點。

圖1 Xen虛擬化架構(gòu)

3 基于混合虛擬化技術(shù)的虛擬機性能優(yōu)化

3.1 混合虛擬化的總體設(shè)計

運用混合虛擬化方案對虛擬機的性能進(jìn)行優(yōu)化，是現(xiàn)階段的重要研究課題。在實踐中，其核心設(shè)計思想為，在硬件輔助虛擬機容器中運行準(zhǔn)虛擬化操作系統(tǒng)，將準(zhǔn)虛擬化和硬件輔助虛擬化相互結(jié)合，實現(xiàn)二者的優(yōu)勢互補，不斷對虛擬機的性能進(jìn)行優(yōu)化，提高總體性能。在實現(xiàn)過程中，CPU和內(nèi)存的虛擬化，有賴于硬件輔助虛擬化技術(shù)來實現(xiàn)，對于I/O的虛擬化，需要在硬件輔助虛擬化技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入準(zhǔn)虛擬化技術(shù)來處理，從而有效降低I/O在事件處理過程中“陷入—模擬執(zhí)行”發(fā)生就幾率，減少不必要的成本投入。在實際中，Hybrid PVM和Hybrid HVM是混合虛擬化技術(shù)比較可行的方案，雖然目標(biāo)相同，但是實現(xiàn)細(xì)節(jié)、實際的可操作性都具有明顯的差異性。

3.2 Xen虛擬化平臺下混合虛擬化方案的實現(xiàn)

關(guān)于Hybrid PVM和Hybrid HVM，二者的共同目標(biāo)是在HVM容器中運行已經(jīng)優(yōu)化過的準(zhǔn)虛擬化操作系統(tǒng)，讓硬件輔助虛擬化技術(shù)和準(zhǔn)虛擬化技術(shù)實現(xiàn)優(yōu)勢互補，優(yōu)化虛擬機的性能。從工程角度講，Hybrid HVM的可行性更高，在Xen虛擬化平臺下，借由此方案進(jìn)行混合虛擬系統(tǒng)的開發(fā)，能夠為方案的可操作性提供保障。為了保證其能夠順利實施，應(yīng)該在VMM中添加混合虛擬化功能，和混合虛擬化功能發(fā)揮作用的接口。其中，主要的技術(shù)點在于硬件輔助頁表、中斷處理路徑以及設(shè)備驅(qū)動。

4 結(jié)束語

隨著計算機技術(shù)的不斷進(jìn)步，虛擬化技術(shù)應(yīng)運而生，對于計算機技術(shù)的發(fā)展起到了重要推動作用。而所謂的系統(tǒng)虛擬化，即System Virtualization，則是虛擬化技術(shù)中的重要一支，它以整個計算機為抽象粒度，對于提高資源的利用效率，減少能耗有著重要意義?，F(xiàn)階段，全新的數(shù)據(jù)中心部署和管理方式對于系統(tǒng)虛擬化技術(shù)提出了更高的要求，對于提高管理工作的高效和便捷意義重大，筆者根據(jù)現(xiàn)階段的新形勢，對混合虛擬化技術(shù)的虛擬機性能優(yōu)化方案進(jìn)行了探討，現(xiàn)實意義十分深遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 臺遠(yuǎn)方. MIPS架構(gòu)混合虛擬化系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)與性能優(yōu)化[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué)，2014.

[2] 朱良偉.面向性能優(yōu)化的虛擬機熱遷移技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2014.