基于VMware的服務(wù)器內(nèi)存與CPU虛擬化技術(shù)研究

馬鵬 杜小月 楊彥仙 孫超

[摘 要] 伴隨著IT技術(shù)高速發(fā)展與革新，傳統(tǒng)IT基礎(chǔ)架構(gòu)環(huán)境中，業(yè)務(wù)迅速發(fā)展給IT帶來很大壓力，服務(wù)器需求不斷增多，機(jī)房空間、電力成為瓶頸，導(dǎo)致應(yīng)用所需服務(wù)器資源緊張，正常項目開展受到限制。如果不斷購買新的服務(wù)器，又會增加采購成本和運(yùn)作成本，而且還會帶來更多供電和冷卻的開支，同時，目前的服務(wù)器還沒有得到充分的利用。通常情況下，企業(yè)的服務(wù)器工作負(fù)載只利用了 5%，這導(dǎo)致了大量的硬件、空間以及電力的浪費(fèi)。同時由于應(yīng)用程序兼容性的問題，IT人員只能通過在不同場所的不同服務(wù)器中分別運(yùn)行應(yīng)用的方式，將應(yīng)用程序隔離起來，而這又會導(dǎo)致服務(wù)器數(shù)量的增長。

云南電網(wǎng)公司作為大型企業(yè)，信息化建設(shè)不斷發(fā)展，目前信息化網(wǎng)絡(luò)以信息中心為運(yùn)營維護(hù)單位，覆蓋市場計費(fèi)、生產(chǎn)經(jīng)營等多套業(yè)務(wù)系統(tǒng)，服務(wù)器資源龐大。雖然云南電網(wǎng)公司已經(jīng)完成了對其數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器虛擬化改造，但是對其相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的認(rèn)識似乎不是很深，了解和研究先進(jìn)技術(shù)對于企業(yè)未來信息化的發(fā)展具有奠定基礎(chǔ)的意義。

[關(guān)鍵詞] 云南電網(wǎng)；虛擬化技術(shù)；服務(wù)器

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 05. 065

[中圖分類號] TP311 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）05- 0156- 04

0 引 言

本文借助VMware的相關(guān)應(yīng)用技術(shù)，旨在對服務(wù)器虛擬化的內(nèi)存與CPU虛擬化概念進(jìn)行闡述，從VCPU和內(nèi)存虛擬化方面的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行淺析。

1 CPU虛擬化應(yīng)用技術(shù)

1.1 vCPU技術(shù)

VMware通過CPU虛擬化技術(shù)解決了如何在一個操作系統(tǒng)實(shí)例中運(yùn)行多個應(yīng)用的難題。實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)的困難之處在于每一個應(yīng)用都與操作系統(tǒng)之間有著密切的依賴關(guān)系。

服務(wù)器整合的益處能夠得以實(shí)現(xiàn)的前提是工作負(fù)載并不需要知曉它們正在共享CPU，虛擬化層必須具備這種能力。這是CPU虛擬化與其他虛擬化形式所不同的地方。

具體實(shí)現(xiàn)方式是為每個虛擬機(jī)提供一個或者多個虛擬CPU（vCPU）。多個vCPU分時復(fù)用物理CPU。VMM必須為多個vCPU合理分配時間片并維護(hù)所有vCPU的狀態(tài)，當(dāng)一個虛擬機(jī)vCPU的時間片用完需要切換時，要保存當(dāng)前vCPU的狀態(tài)，將被調(diào)度的vCPU的狀態(tài)載入物理CPU。

VMkernel在調(diào)度vCPU的時候采用“插槽—核心—線程”的拓?fù)溥壿?。“插槽”指處理器單個封裝件，該封裝件可以具有一個或多個處理器內(nèi)核且每個內(nèi)核具有一個或多個邏輯處理器。

當(dāng)vCPU需要運(yùn)行時，VMkernel 會將一個vCPU映射到處理器調(diào)度一個執(zhí)行線程的能力，它對應(yīng)于一個 CPU 核心或一個超線程（如果 CPU 支持超線程）。超線程或多核 CPU 提供兩個或多個調(diào)度vCPU運(yùn)行的硬件基礎(chǔ)。

可以將虛擬機(jī)配置為最多具有 64個vCPU。主機(jī)上許可的 CPU 數(shù)量、客戶機(jī)操作系統(tǒng)支持的 CPU 數(shù)量和虛擬機(jī)硬件版本決定著您可以添加的vCPU 數(shù)量。

1.2 vCPU和管理vCPU技術(shù)概念

1.2.1 處理器管理

從客戶操作系統(tǒng)vCPU發(fā)往ESXi VMkernel的指令被VMM攔截。在固定時間間隔內(nèi)，VMKernel動態(tài)地在服務(wù)器和不同處理器（或多核處理器的內(nèi)核）中分配VM工作負(fù)載。因此，VM指令根據(jù)每個處理器的工作負(fù)載從一個處理器（或內(nèi)核）轉(zhuǎn)移到另一個處理器。

1.2.2 多內(nèi)核和虛擬化

多核處理器為執(zhí)行虛擬機(jī)多任務(wù)的主機(jī)提供了很多優(yōu)勢。

Intel 和 AMD 均已開發(fā)了將兩個或兩個以上處理器內(nèi)核組合到單個集成電路（通常稱為封裝件或插槽）的處理器。

同一處理器中的內(nèi)核通常配備由所有內(nèi)核使用的最低級別的共享緩存，這有可能會減少訪問較慢主內(nèi)存的必要性。如果運(yùn)行在邏輯處理器上的虛擬機(jī)正運(yùn)行爭用相同內(nèi)存總線資源且占用大量內(nèi)存的工作負(fù)載，則將物理處理器連接到主內(nèi)存的共享內(nèi)存總線可能會限制其邏輯處理器的性能。

VMware的研究顯示使用多核心可以導(dǎo)致可觀的耗電下降，并提供良好的性能。虛擬化是最好地利用多內(nèi)核提供的高性能的技術(shù)之一，因為，ESXi能夠像管理物理處理器一樣地管理核心。

1.2.3 對稱多處理器

vSphere 虛擬對稱多處理技術(shù)（Virtual SMP） 可以使單個虛擬機(jī)同時使用多個物理處理器，并能夠在處理器之間均衡負(fù)載。必須具有虛擬 SMP，才能打開多處理器虛擬機(jī)電源。一些關(guān)鍵業(yè)務(wù)，比如數(shù)據(jù)庫類應(yīng)用（Microsoft SQL、Oracle、IBM DB2、SAP）和商業(yè)、科研應(yīng)用，在開發(fā)的時候就考慮了并行執(zhí)行任務(wù)的需求，具有多個物理處理器的服務(wù)器就能利用SMP并從中獲益。

1.2.4 超線程

超線程是在一個物理處理器或者內(nèi)核上創(chuàng)建兩個邏輯內(nèi)核實(shí)例，從而在核心中并行執(zhí)行任務(wù)，提高效率。在vSphere虛擬機(jī)的處理器分配中，一個超線程可以對應(yīng)一個vCPU。

1.2.5 CPU虛擬化類型

從架構(gòu)上看，傳統(tǒng)的X86平臺并不是為支持多操作系統(tǒng)并行而設(shè)計的。因此CPU廠商如AMD和Intel都需要重新設(shè)計CPU，增加虛擬化特性，以解決上述問題。當(dāng)前X86 虛擬化平臺的主要廠商如VMware等，也已經(jīng)開始充分利用芯片廠商在處理器架構(gòu)中構(gòu)建的硬件輔助功能，以提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低Hypervisor帶來的系統(tǒng)開銷。

Intel和AMD等芯片廠商在CPU內(nèi)引入了一個新的、具有超級特權(quán)和受保護(hù)的Ring-1位置來運(yùn)行虛擬機(jī)監(jiān)控器（VMM），因此VMM能運(yùn)行在新的叫作Ring -1的環(huán)里，這允許GuestOS天生運(yùn)行在Ring 0里。這種CPU架構(gòu)上的虛擬化支持?jǐn)U展提升了性能。VMM不再讓GuestOS以為自己運(yùn)行在Ring 0里，因為GuestOS已經(jīng)能在此操作，并且不會與VMM沖突——VMM已經(jīng)移動到新的Ring 1級別。選擇支持這些虛擬化優(yōu)化擴(kuò)展的CPU，這可以更好地降低系統(tǒng)開銷、提升虛擬化效率。

基于以上設(shè)計，Intel和AMD分別推出了VT-x和 AMD-v這兩種主要的X86處理器架構(gòu)的虛擬化硬件輔助功能。

1.2.6 CPU負(fù)載均衡

CPU調(diào)度器可以讓多個虛擬機(jī)復(fù)用邏輯處理器（邏輯處理器的單位是一個 CPU 核心或一個超線程），提供給虛擬機(jī)類比于傳統(tǒng)對稱多處理器（SMP）的執(zhí)行能力，并使他們之間相互獨(dú)立。如果存在超線程，VMkernel盡量把相同虛擬機(jī)的vCPU負(fù)載分散到不同內(nèi)核的線程上來實(shí)現(xiàn)性能的優(yōu)化。

ESXi CPU 調(diào)度程序可以解釋處理器拓?fù)洌òú宀?、?nèi)核和邏輯處理器之間的關(guān)系）。調(diào)度程序使用拓?fù)湫畔?yōu)化虛擬 CPU 在不同插槽上的放置位置，以最大化總體的緩存利用率，并通過最小化虛擬 CPU 遷移來改善緩存關(guān)聯(lián)性。

1.3 CPU的調(diào)度管理功能

支持基于Intel/AMD X86指令集架構(gòu)的處理器，支持最新的處理器硬件輔助虛擬化功能；

支持處理器多核技術(shù)；

支持虛擬多路運(yùn)算，每個虛擬機(jī)可以支持多達(dá)64個虛擬CPU（vSMP）以滿足高負(fù)載應(yīng)用環(huán)境的要求；

可以靈活分配調(diào)度物理服務(wù)器上的CPU資源，如可按主頻赫茲分配給虛擬機(jī)計算時間片；

對CPU的調(diào)度應(yīng)能實(shí)現(xiàn)虛機(jī)按需使用，隨用隨取，不用即釋放，使得計算資源能被充分利用；

在虛擬機(jī)操作系統(tǒng)支持的前提下，應(yīng)能支持虛擬機(jī)的CPU熱添加技術(shù)。

2 內(nèi)存虛擬化應(yīng)用技術(shù)

2.1 內(nèi)存虛擬化技術(shù)

當(dāng)運(yùn)行一個虛擬機(jī)時，引入內(nèi)存虛擬化之后，同樣的內(nèi)存地址空間，允許VMkernel同時運(yùn)行多個虛擬機(jī)并保證它們之間使用內(nèi)存的獨(dú)立性。

VMware vSphere的三層內(nèi)存映射結(jié)構(gòu)如圖1所示。

ESXi 主機(jī)采用了幾種有效方法來支持安全的內(nèi)存過量分配。例如，過量分配率為 2∶1 時，通常只會對性能產(chǎn)生非常小的影響。

通過 VMware 設(shè)計的若干功能，vSphere 可支持實(shí)現(xiàn) RAM 的高效使用和更高的整合率，包括透明頁共享、客戶機(jī)內(nèi)存回收和內(nèi)存壓縮。

透明頁共享TPS（Transparent page sharing）

TPS 是 VMware 獨(dú)有的一種內(nèi)存優(yōu)化方法。VMkernel 可檢查虛擬機(jī)存儲的每個內(nèi)存頁面，以便識別相同的頁面，并僅存儲一個頁面副本。

氣球內(nèi)存回收：ESXi 主機(jī)使用一種隨 VMware Tools 提供的內(nèi)存釋放驅(qū)動程序，該程序安裝在每個虛擬機(jī)中。如果內(nèi)存不足，則 VMkernel 將選擇一個虛擬機(jī)并擴(kuò)充其內(nèi)存，也就是說，它會通知該虛擬機(jī)中的釋放驅(qū)動程序從客戶操作系統(tǒng)中要求更多的內(nèi)存。

內(nèi)存壓縮：當(dāng)內(nèi)存過量分配時，內(nèi)存壓縮可以幫助提高虛擬機(jī)性能。默認(rèn)情況下已啟用該功能。因此當(dāng)主機(jī)內(nèi)存過量分配時，ESXi 會在嘗試將該頁面交換到磁盤前壓縮虛擬頁面并將其存儲在內(nèi)存中。

主機(jī)級SSD交換文件：每個虛擬機(jī)都包含一個 VMkernel 交換文件。如果多個虛擬機(jī)需要完全使用分配給它們的內(nèi)存，則 ESXi 主機(jī)將根據(jù)為每個虛擬機(jī)指定的內(nèi)存資源設(shè)置，按比例將其內(nèi)存區(qū)域交換到本地或網(wǎng)絡(luò)固態(tài)驅(qū)動器 （SSD） 設(shè)備中。

將虛擬機(jī)內(nèi)存分頁移到磁盤中： 如非必要， 系統(tǒng)不會使用 VMkernel 交換空間， 因為這種方式的性能很差。

2.2 內(nèi)存的調(diào)度管理功能

單個虛擬機(jī)能夠支持?jǐn)U展到最大1TB的內(nèi)存；

可以靈活分配調(diào)度物理服務(wù)器上的內(nèi)存資源，如可按MB大小分配給虛擬機(jī)內(nèi)存資源；

對內(nèi)存的調(diào)度應(yīng)能實(shí)現(xiàn)虛機(jī)按需使用，隨用隨取，不用即釋放，使得計算資源能被充分利用；

具有合理的內(nèi)存調(diào)度機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)存的過量使用，支持不同虛擬機(jī)中內(nèi)存相同數(shù)據(jù)部分的頁面共享技術(shù)，保障內(nèi)存資源的充分利用；

在虛擬機(jī)操作系統(tǒng)支持的前提下，應(yīng)能支持虛擬機(jī)的內(nèi)存熱添加技術(shù)；

支持內(nèi)存壓縮技術(shù)，減少虛擬內(nèi)存在虛擬機(jī)高壓力內(nèi)存狀態(tài)下交換到磁盤上

3 結(jié) 語

VMware的服務(wù)器虛擬化vSphere是業(yè)界領(lǐng)先的用于構(gòu)建云計算基礎(chǔ)架構(gòu)的虛擬化平臺。它使得 IT 能以最低的總體擁有成本滿足要求最嚴(yán)格的關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用的SLA，云南電網(wǎng)公司屬于大型的企業(yè)，目前信息化網(wǎng)絡(luò)以信息中心為運(yùn)營維護(hù)單位，覆蓋出單、收付等多套業(yè)務(wù)系統(tǒng)，服務(wù)器資源龐大。出于經(jīng)濟(jì)效益和管理安全性考慮，針對基礎(chǔ)架構(gòu)的虛擬化技術(shù)研究已勢在必行。

主要參考文獻(xiàn)

[1]王春海.VMware vSphere企業(yè)運(yùn)維實(shí)戰(zhàn)[M].北京：人民郵電出版社，2014.

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