基于云計算的虛擬化平臺性能研究

摘要云計算是一種基于Internet的新興應(yīng)用計算機技術(shù)。其愿景是以互聯(lián)網(wǎng)為中心，提供可靠安全的數(shù)據(jù)存儲、方便快捷的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和強大的計算能力。在這個特殊的云計算環(huán)境下，如何創(chuàng)造基于云計算的虛擬化平臺，將是云計算面臨的一大問題。從云計算的特征及目前存在的問題出發(fā)，分析云計算在虛擬化平臺的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞云計算；虛擬化；底層技術(shù)；虛擬網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動；虛擬交換機

中圖分類號S126文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）04-01241-02

作者簡介余津浩（1990-），男，福建福州人，本科生，專業(yè)：網(wǎng)絡(luò)工程。

云計算的根本是計算資源虛擬化，在云計算蓬勃發(fā)展的今天，各廠商紛紛推出虛擬化平臺產(chǎn)品，如何衡量一款產(chǎn)品性能的好壞，也成為業(yè)內(nèi)新的技術(shù)挑戰(zhàn)。從技術(shù)層面分析，虛擬化平臺是在虛擬機操作系統(tǒng)與物理服務(wù)器硬件之間增加了一個調(diào)度層，勢必會對應(yīng)用程序操作硬件產(chǎn)生一定影響；同時其自身運行也需要耗費一定的計算資源，對整個物理服務(wù)器的資源使用會產(chǎn)生損耗，這些都是在性能測試設(shè)計中需要考慮的方面[1]。

根據(jù)云計算中最為關(guān)鍵的3個要素：計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲資源，虛擬化平臺性能測試也對應(yīng)地分為計算性能測試、網(wǎng)絡(luò)性能測試和存儲性能測試3個主要方面。

1 計算性能測試設(shè)計

計算資源是云計算的重中之重，所有業(yè)務(wù)的展開都是依托于計算資源的能力提供，因此計算性能也是衡量云計算性能的最重要指標。計算性能測試設(shè)計分為兩個方面：①對虛擬化平臺自身消耗硬件系統(tǒng)性能進行評估；②不同虛擬化平臺對虛擬機操作系統(tǒng)業(yè)務(wù)調(diào)度的影響進行比較。

1.1虛擬化平臺性能消耗測試設(shè)計不同廠家的虛擬化平臺采用了不同的底層技術(shù)，當前業(yè)內(nèi)主流的4大類虛擬化底層平臺為：VMware的ESX/ESXi、Microsoft的Hyper-V和開源的XEN與KVM。這些不同的底層平臺對CPU和內(nèi)存等計算資源的調(diào)度方式各不相同，很難找到一個通用的技術(shù)工具來統(tǒng)一衡量。如果變換角度，通過測試在同一硬件平臺下虛擬機操作系統(tǒng)和物理機操作系統(tǒng)對資源的使用性能，可以推算出虛擬化平臺自身的運行損耗。

第1步，選擇一款物理服務(wù)器平臺，然后在此服務(wù)器上安裝測試使用的操作系統(tǒng)，可以選擇Windows或Linux系統(tǒng)。接著安裝常用的計算性能測試軟件，如Windows Server系統(tǒng)自帶的評測工具或開源的Benchmarker等，測算當前系統(tǒng)計算性能得分。如果采用Linux Server系統(tǒng)，則可以安裝如lmbench和Geekbench等測試工具，進行評測。性能測試后得到測試結(jié)果TestResult1。

第2步，在物理服務(wù)器上安裝虛擬化平臺軟件，創(chuàng)建一個虛擬機，并將物理服務(wù)器的CPU和內(nèi)存等計算資源都分配給此虛擬服務(wù)器。然后在此虛擬服務(wù)器上安裝同樣的操作系統(tǒng)與測試工具，運行相同的測試項目，得到測試結(jié)果TestResult2。

比較兩個測試結(jié)果的差值，可以得到虛擬化平臺對物理資源的損耗估計值。如果希望得到更準確的損耗估計，需要測試同一款虛擬化平臺安裝在不同物理服務(wù)器上，部署多個操作系統(tǒng)和測試工具情況下的測試結(jié)果，并進行縱向比較，得到更多的參考數(shù)據(jù)。

1.2虛擬化平臺調(diào)度性能測試設(shè)計虛擬化平臺性能損耗測試是縱向測試，比較的對象為物理服務(wù)器和虛擬服務(wù)器環(huán)境下的測試結(jié)果。而虛擬化平臺調(diào)度性能測試則為橫向測試，比較的對象主要為相同物理服務(wù)器和軟件環(huán)境下不同虛擬化平臺的性能測試結(jié)果。兩者的測試方法區(qū)別不大，但環(huán)境設(shè)定存在差異。

第1步，選取相同的物理服務(wù)器硬件平臺，安裝虛擬化平臺軟件，并創(chuàng)建虛擬服務(wù)器，此時不需要安裝最大化部署計算資源，只需考慮業(yè)務(wù)環(huán)境需求創(chuàng)建對應(yīng)大小CPU和內(nèi)存資源的虛擬機即可。然后在虛擬機上安裝操作系統(tǒng)與測試工具，取得測試結(jié)果TestResult1。

第2步，更換虛擬化平臺軟件，創(chuàng)建同樣資源大小的虛擬服務(wù)器并安裝運行環(huán)境，取得測試結(jié)果TestResult2。

比較兩個測試結(jié)果，可以得到不同虛擬化平臺的調(diào)度運行性能。如果希望得到更準確的調(diào)度性能結(jié)果，建議將相同測試運行多次，取平均值再進行比較。

2 網(wǎng)絡(luò)性能測試設(shè)計

在虛擬化環(huán)境下，用戶關(guān)心的流量轉(zhuǎn)發(fā)已經(jīng)由物理節(jié)點鏈路延伸到服務(wù)器內(nèi)部，從測試設(shè)計考慮，網(wǎng)絡(luò)性能測試也相應(yīng)地增加了虛擬鏈路與虛擬交換機的轉(zhuǎn)發(fā)性能等相關(guān)內(nèi)容。虛擬鏈路（虛擬網(wǎng)卡）性能測試重點關(guān)注的是虛擬化平臺為虛擬服務(wù)器提供的虛擬網(wǎng)卡的轉(zhuǎn)發(fā)性能，即測試模型主要以單點到單點的轉(zhuǎn)發(fā)為主。虛擬交換機性能測試則關(guān)注的是在限定的物理服務(wù)器平臺下，虛擬交換機可以提供的最大全虛擬服務(wù)器節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)性能，即測試模型主要以多點到多點的轉(zhuǎn)發(fā)為主。

2.1虛擬鏈路性能測試設(shè)計虛擬鏈路性能測試結(jié)果主要與虛擬機采用的虛擬網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動類型有關(guān)，同時受限于虛擬化平臺的軟件轉(zhuǎn)發(fā)能力。測試過程重點關(guān)注同一物理機內(nèi)部的虛擬機之間的流量轉(zhuǎn)發(fā)能力。對跨物理交換機網(wǎng)絡(luò)的不同物理服務(wù)器之間的轉(zhuǎn)發(fā)能力，由于會受到物理網(wǎng)卡及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的影響，測試結(jié)果往往體現(xiàn)的是整個系統(tǒng)的性能，對單一虛擬化平臺性能衡量不夠精確。

測試虛擬鏈路性能常用的方法是在同一物理服務(wù)器內(nèi)部創(chuàng)建2臺虛擬機（圖1），在相同的操作系統(tǒng)和軟件環(huán)境下，使用相同的測試工具（如NetPerf和Iperf等）測試流量轉(zhuǎn)發(fā)性能。對于測試結(jié)果有兩點注意事項：①比較不同廠家虛擬化平臺產(chǎn)品的虛擬鏈路性能時，需要保證測試的物理平臺與虛擬機操作系統(tǒng)相同。②測試結(jié)果有時還會受到測試工具所在操作系統(tǒng)的影響，測試過程中需要對TCP滑動窗口大小和傳輸報文負載大小等參數(shù)進行調(diào)整，以取得虛擬化平臺能夠承載的最大值和最接近真實應(yīng)用數(shù)據(jù)模型情況下的測試結(jié)果。

2.2虛擬交換機性能測試設(shè)計虛擬化平臺上通常需要部署大量虛擬機，因此也需要測試在復雜環(huán)境下大量虛擬機轉(zhuǎn)發(fā)對虛擬交換機vswitch的影響，從而得到vswitch的最大轉(zhuǎn)發(fā)性能。同樣，此測試設(shè)計只對同一物理服務(wù)器內(nèi)部流量轉(zhuǎn)發(fā)模型有意義，對于跨物理服務(wù)器的流量模型，測試結(jié)果無法準確衡量虛擬交換機的性能。

虛擬交換機性能測試需要測試大量虛擬機同時進行流量轉(zhuǎn)發(fā)情況下的性能，假設(shè)建立虛擬機為a1，a2，…，am；b1，b2，…，bn，流量模型可以分為Backbone或Fullmesh兩類（圖2）。

圖2虛擬交換機性能測試模型Backbone模型是建立每個a節(jié)點到每個b節(jié)點的雙向流量，而a節(jié)點內(nèi)部和b節(jié)點內(nèi)部沒有流量交互，測試結(jié)果可以衡量兩組虛擬機之間的流量交互性能。

Fullmesh模型則是在所有節(jié)點之間都要建立流量交互，以測試虛擬交換機連接所有虛擬機均有多條流量轉(zhuǎn)發(fā)情況下的性能。

測試時，需要根據(jù)實際業(yè)務(wù)模型來選取測試的流量模型。如果虛擬機部署為應(yīng)用與數(shù)據(jù)庫兩類，只有互相訪問，而沒有內(nèi)部交互，則可以選擇Backbone模型進行測試；如果部署同一類型用于分布式計算的虛擬機，相互之間都會有流量產(chǎn)生，則選擇Fullmesh模型測試更加適合。

由于測試過程中需要大量虛擬機同時收發(fā)流量，則常規(guī)的單一開源測試軟件如NetPerf或Iperf等很難滿足需求，需要配合STAF等自動化測試平臺軟件才能完成任務(wù)的同步下發(fā)和管理。此類測試還有一些常用的專業(yè)測試工具，如Spirent的STCv、IXIA的IxVM等測試軟件。這類軟件的原理是根據(jù)模板建一個虛擬機，此虛擬機唯一的工作任務(wù)就是收發(fā)流量測試，不需要再安裝操作系統(tǒng)與額外的軟件工具。相對來說操作簡單，同時可以提供更加豐富的數(shù)據(jù)。缺點是開銷較大[2]。

虛擬交換機性能測試同樣完全受限于物理服務(wù)器硬件平臺和虛擬化平臺的能力，因此只有在相同物理平臺下，比較不同廠商的測試結(jié)果才有意義。

3 存儲性能測試設(shè)計

在云計算虛擬化平臺中，使用的存儲設(shè)備資源可以為FC SAN、iSCSI、NFS、Samba等網(wǎng)絡(luò)存儲方式，無論使用哪種存儲方式，虛擬化平臺都會將其進行轉(zhuǎn)化，最終以文件形式形成虛擬機的磁盤文件或直接以卷的形式供虛擬機使用。因此，測試設(shè)計時只需要考慮測試場景均采用同種存儲方式進行搭建下的測試即可。

關(guān)注的存儲性能測試結(jié)果主要是IOPS和吞吐率兩個指標。IOPS指每秒I/O吞吐數(shù)量，是存儲性能的常規(guī)測試指標，體現(xiàn)了虛擬化平臺對存儲I/O處理方面的能力。吞吐率指虛擬化平臺能夠處理的存儲流量大小，單位為Mbps，通常分為讀和寫兩個方向的結(jié)果，受限于磁盤的磁道寫入性能，通常讀速率性能要遠大于寫速率性能[3]。

測試時，為了比較不同廠家虛擬化平臺產(chǎn)品的存儲性能，需要在相同硬件環(huán)境下，采用相同的存儲介質(zhì)與存儲方式測試同一個指標，進而將得到的測試結(jié)果進行比較。測試工具可以選擇專用的存儲測試軟件，如IOmeter、IObench和IOzone等，也可以選用通用的測試平臺，如phoronix-test-suite的存儲相關(guān)性能測試套件等。安裝測試方法和前面的計算與網(wǎng)絡(luò)性能測試類似，都是先給虛擬機安裝Windows或Linux操作系統(tǒng)，然后再安裝測試工具軟件進行測試。

4小結(jié)和展望