Luca Bert,LSI公司知名存儲(chǔ)技術(shù)專家

什么是服務(wù)器虛擬化，我們?yōu)槭裁匆捎梅?wù)器虛擬化技術(shù)？

虛擬化技術(shù)旨在降低總擁有成本 (TCO) 的同時(shí)提高服務(wù)器部署與管理效率。從整體角度上看，服務(wù)器虛擬化分兩個(gè)階段進(jìn)行，首先是整合服務(wù)器，其次是提高使用效率。

在整合階段，該技術(shù)主要解決服務(wù)器利用率普遍偏低的問(wèn)題（2007 年初，IDC 研究發(fā)現(xiàn)，一般可接受的平均利用率僅為7%）。但我們卻要支付服務(wù)器的全部費(fèi)用，整體加以部署，而且服務(wù)器整體要消耗大量電力。解決上述問(wèn)題首先也是最簡(jiǎn)單的方法就是將運(yùn)行在不同服務(wù)器上的各種操作系統(tǒng)與應(yīng)用整合在單個(gè)平臺(tái)上，這樣做的主要好處是能夠大幅降低采購(gòu)成本（即資本支出），同時(shí)還有助于降低功耗。

在第二階段，我們更注重的是提高服務(wù)器的使用效率。利用多個(gè)虛擬化服務(wù)器來(lái)動(dòng)態(tài)管理資源，在服務(wù)器之間移動(dòng)虛擬機(jī)，并對(duì)停機(jī)時(shí)間、升級(jí)和維護(hù)工作進(jìn)行透明化的計(jì)劃安排，以及自動(dòng)實(shí)現(xiàn)故障轉(zhuǎn)移。本階段主要側(cè)重于降低平臺(tái)的管理成本與運(yùn)營(yíng)支出。目前，軟硬件也正在向虛擬化這一發(fā)展方向上齊頭并進(jìn)：首先，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)硬件進(jìn)行實(shí)施，通過(guò)二進(jìn)制補(bǔ)丁等軟件技術(shù)創(chuàng)建虛擬層。隨后,硬件通過(guò)添加 Intel VT-x 與 VT-i以及AMD-V 等虛擬技術(shù)，有助于從每個(gè)客操作系統(tǒng) (Guest OS) 中抽象出(abstract) CPU 和存儲(chǔ)器。

接下來(lái)，我們還是先通過(guò)軟件方式將系統(tǒng)管理程序基礎(chǔ)架構(gòu)從二進(jìn)制補(bǔ)丁轉(zhuǎn)移到仿真和半虛擬化中來(lái)提高系統(tǒng)管理程序的效率，并降低系統(tǒng)開銷。

最后，就是將虛擬環(huán)境從GB級(jí)降到數(shù)十MB的水平，從而減小軟件對(duì)資源的開銷。

被遺忘的 I/O

由于最初側(cè)重點(diǎn)主要放在軟件基礎(chǔ)架構(gòu)上，因此所有努力都是為了解決 CPU 和存儲(chǔ)器領(lǐng)域常見的軟件瓶頸問(wèn)題。

一直以來(lái)，我們把 I/O 作為大眾產(chǎn)品資源，系統(tǒng)管理程序從操作系統(tǒng)（客操作系統(tǒng) (GOS)）中抽象出 I/O，好像每個(gè)客操作系統(tǒng)都擁有全部 I/O 一樣。事實(shí)上，這種解決方案現(xiàn)在仍能正常工作，尤其是在最近仿真和半虛擬化技術(shù)取得長(zhǎng)足發(fā)展的情況下，上述解決方案依然適用。

不過(guò)，這種解決方案的問(wèn)題在于，I/O 硬件仍然是單一的元素，有著其內(nèi)在的局限性，受系統(tǒng)管理程序的影響，只能為單個(gè)操作系統(tǒng)服務(wù)，而不能滿足一系列虛擬 GOS 的要求。由于 I/O 和 GOS 之間缺乏相互了解，因此簡(jiǎn)化了部署工作（OS 和 I/O 彼此不了解，毋需對(duì)其進(jìn)行修改），但這會(huì)影響效率，且存在安全隱患問(wèn)題。

系統(tǒng)管理程序是最基本的管理機(jī)制，GOS 的每個(gè) I/O 請(qǐng)求都要經(jīng)系統(tǒng)管理程序處理。系統(tǒng)管理程序可提供抽象服務(wù) (abstraction service)、處理 GOS 隊(duì)列、中斷服務(wù)并處理異常情況等。

從積極方面來(lái)說(shuō)，目前這種模型為改進(jìn) I/O 和存儲(chǔ)功能提供了新的機(jī)遇。最直接、最簡(jiǎn)單的例子就是，系統(tǒng)管理程序可通過(guò)作為集合點(diǎn)的內(nèi)部文件系統(tǒng)（例如 VMware 中的 VMFS）來(lái)虛擬化軟件層上的所有存儲(chǔ)空間，然后根據(jù)需要將軟件重新分配給各個(gè)客操作系統(tǒng)。

這種方法提供了一些此前只有 SAN 才具備的特性：我們可以對(duì)存儲(chǔ)空間進(jìn)行精簡(jiǎn)配置，創(chuàng)建快照，并通過(guò)存儲(chǔ)池或其他技術(shù)抽象存儲(chǔ)空間。我們不需要將一系列服務(wù)器連接到 SAN，而是從系統(tǒng)管理程序文件系統(tǒng)連接到 GOS 存儲(chǔ)系統(tǒng)，而且存儲(chǔ)系統(tǒng)位于物理盒子內(nèi)。

不過(guò)，這種方法也存在一些局限性：

• 性能：如今不能用非虛擬化服務(wù)器的常規(guī)指標(biāo)（如MB/秒或 IO/秒）來(lái)衡量虛擬化服務(wù)器的性能。這是因?yàn)橄到y(tǒng)管理程序同時(shí)用系統(tǒng) CPU 來(lái)處理抽象工作（這樣減少了生產(chǎn)力應(yīng)用的 CPU 資源占用），且數(shù)據(jù)在提交給發(fā)出請(qǐng)求的 GOS 之前必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這就導(dǎo)致每個(gè) GOS 都會(huì)面臨較長(zhǎng)的時(shí)延，從而降低 GOS 的工作效率。對(duì)通過(guò)快速反應(yīng)時(shí)間來(lái)提高效率的事務(wù)處理型應(yīng)用而言，這種影響尤其突出。
• 安全性：由于所有數(shù)據(jù)都整合到了系統(tǒng)管理程序中，因此數(shù)據(jù)安全性完全取決于系統(tǒng)管理程序。一旦系統(tǒng)管理程序出現(xiàn)故障，或者操作人員管理失誤，抑或遭到病毒攻擊等，運(yùn)行在該平臺(tái)上的所有數(shù)據(jù)和 OS／應(yīng)用，無(wú)一幸免都會(huì)受到影響。系統(tǒng)管理程序只能通過(guò)系統(tǒng)管理程序軟件來(lái)確保其安全性。盡管一些應(yīng)用可以接受這種安全級(jí)別，但很多應(yīng)用仍然需要更高的安全機(jī)制。
• 服務(wù)質(zhì)量 (QoS)：服務(wù)質(zhì)量也取決于系統(tǒng)管理程序，也就是說(shuō)，需要運(yùn)行更多代碼來(lái)確保 QoS（從而占用系統(tǒng)資源），而且代碼的功能也僅限于系統(tǒng)管理程序的功能。由于 I/O 不了解虛擬化，因此在 I/O 控制器層調(diào)解虛擬化 QoS 是不可能的，這就遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)最佳實(shí)施技術(shù)。

此外，虛擬化技術(shù)還能為 DAS RAID 控制器提供類似于 SAN 的優(yōu)勢(shì)，盡管這些控制器并不了解虛擬層。其中最明顯的優(yōu)勢(shì)就是存儲(chǔ)整合，這也是先前基于 SAN 的 RAID 技術(shù)最為顯著的優(yōu)勢(shì)之一。出于對(duì)性能和可靠性方面的考慮，用戶往往不得不對(duì)非虛擬化服務(wù)器的配置過(guò)量存儲(chǔ)空間，而這通常會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)及部署成本的提高。虛擬化服務(wù)器的配置與 SAN 一樣，可以根據(jù)需要將存儲(chǔ)空間整合起來(lái)，然后通過(guò)創(chuàng)建 LUN 并將其分配給每個(gè) GOS（或分配至系統(tǒng)管理程序自己的文件系統(tǒng)），最后并利用各種常見的 SAN 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)配置。

最后要提的一點(diǎn)是，I/O（尤其是 DAS 存儲(chǔ) I/O）具有平臺(tái)本地化特性。雖然可將存儲(chǔ)空間抽象至運(yùn)行在本服務(wù)器上的 GOS，但卻不能將其抽象至另一個(gè)服務(wù)器上的 GOS，因?yàn)檎也坏接行У耐ㄐ怕窂剑胰绻?wù)器發(fā)生故障時(shí)所有本地存儲(chǔ)設(shè)備都會(huì)發(fā)生故障，不能再滿足其他服務(wù)器的要求。因此，VM 移動(dòng)技術(shù)的當(dāng)前實(shí)施方案要求存儲(chǔ)設(shè)備必須與 SAN 相連。

不過(guò)，產(chǎn)生這種不足的原因在于，我們?cè)诜?wù)器虛擬化的第一階段完全致力于 CPU 和存儲(chǔ)器的管理問(wèn)題，而要讓系統(tǒng)管理程序在沒有硬件的支持下來(lái)解決抽象問(wèn)題。

附注：隨著虛擬化技術(shù)的不斷普及，I/O 虛擬化的重要性也不斷提高。在此情況下，新技術(shù)開始涌現(xiàn)，有望打破虛擬系統(tǒng)中I/O的局限性，同時(shí)保留所有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。本領(lǐng)域最有前景的技術(shù)就是 Single-Root IO 虛擬化 (SrIOV) 和 Multi-Root IO 虛擬化 (MrIOV) 技術(shù)。我們將在下篇文章中對(duì)其加以探討。

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