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从x86服务器架构看虚拟化发展

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发表于 9-19-2008 10:25:10 | 显示全部楼层 |阅读模式

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随着全球服务器技术更新热潮的推进,服务器虚拟化作为一支极具潜力的“发展股”逐渐被越来越多的人所熟识;而它也正是凭着自身相对于传统服务器更高的资源利用率以及更透明的负载均衡等特点,逐渐吸引着越来越多的IT厂商加入到服务器虚拟化阵营当中。
     在传统的服务器模式下我们不得不面对这样的问题:随着业务的增长和IT基础设施的不断扩展,经常需要增加服务器以支持新的应用。而这会导致许多服务器无法得到充分利用,进而致使网络管理成本增加,灵活性和可靠性降低。虚拟化技术的初衷就是为了实现更高的设备利用率,使用户能够尽可能地利用系统资源。 越来越多的企业希望能够有效应对IT系统成本控制的日益精细化、服务器数量越来越胖大、服务器利用率低下等问题。相应的,能够显著带来成本节省、能够有效帮助服务器整合从而减少服务器数量、能够明显提升服务器资源利用率并且能够增强服务器可靠性的虚拟化技术,就成为了x86架构服务器平台的一种强烈需求。尤其是x86服务器走入了越来越多的关键行业和关键应用后,这个需求就更加突出了。不可否认,当今服务器虚拟化浪潮的兴起,是以虚拟化开始应用于X86服务器平台为契机的。
虚拟化技术的成长历程   
       通过将服务器资源分配到多个虚拟机,虚拟化支持不同的应用、甚至不同的操作系统在同一企业级服务器上同时运行。每个虚拟机就像一台独立的服务器,但实际上却又在同一虚拟服务器内运行。在一台服务器上运行多个应用能够提高服务器效率,并减少需要管理和维护的服务器数量。当工作负载提高时,可以迅速创建更多虚拟机,从而无需增加物理服务器即可灵活地响应不断变化的需求。而且,利用虚拟技术,IT 管理员可以在服务器之间移动正在运行的虚拟机,同时保持服务器持续可用。 虚拟化可以有效减少服务器数量的增加,简化服务器管理,同时明显提高服务器利用率、网络灵活性和可靠性。将多种应用整合到少量企业级服务器上即可实现这一目标。据来自Intel的数据,通过整合及虚拟化,数百台服务器可以减少至数十台。10% 甚至更低的服务器利用率将提高到 60% 或更高。IT 基础设施的灵活性、可靠性和效率也将得到改进。
  雏形   
1959年6月在国际信息处理大会上,克里斯托弗的一篇《计算机分时应用》的论文,被认为是虚拟化技术的最早论述。尽管目前的虚拟化技术热潮是由于该技术在x86服务器上的迅速普及引发的,但虚拟化技术的最初的兴起却不在x86架构上,而是大型主机。最早使用虚拟化技术的是IBM 7044计算机。IBM之后在上世纪60年代还开发了型号为Model 67的System/360主机。Model 67主机通过虚拟机监视器(Virtual Machine Monitor)虚拟所有的硬件接口。在早期的计算中, 操作系统被称做Supervisor,能够运行在其它操作系统之上的操作系统被称做hypervisor。其中,VMM直接运行在底层硬件上, 允许执行多个虚拟机(VM),每一个VM运行自己的操作系统实例(CMS,Conversational Monitor System)。随后,VM继续发展。今天,你能够在System z9主机上发现VM, 它甚至能够向后兼容到System/360。
      羽翼渐丰
  由于虚拟化技术在商业应用上的优势,RISC服务器与小型机成为了虚拟化技术第二波受益者。1999年,IBM公司在AS/400上提出了上"逻辑分区(LPAR)"技术和新的高可用性集群解决方案。在POWER管理程序上运行的AS/400 LPAR令单台服务器工作起来如同12个独立的服务器。而在2002年,IBM还更进一步,其AIX5L v5.2还首次包括了动态逻辑分区(DLPAR)。DLPAR允许在无需重启系统的情况下,将包括处理器、内存和其它组件在内的系统资源分配给独立的分区。这种在不中断运行的情况下进行资源分配的能力不仅令系统管理变得更加轻松,而且因为能够更好地使用资源而帮助降低总拥有成本。之后惠普、Sun公司也跟随IBM在自己的RISC服务器上提供了虚拟化技术,但由于真正使用大型机和小型机的用户还是少数,加上各家产品和技术之间并不兼容,虚拟化技术仍旧不太被公众所关注。   
      新生   
        虚拟化发展到现在,已经惠及到了x86架构。在此之前,虚拟化技术在x86架构上进展十分缓慢,究其原因主要可以归结为两点:x86架构本身不适合进行虚拟化,不过这个障碍已经由英特尔、AMD修改x86处理器的指令集得到解决;另一个原因则是x86处理器的性能不足,也由于x86多核乃至45nm处理器的出现而在性能上的飞速提高得到了解决。由于x86架构的广泛普及,x86架构上的虚拟化技术也得到了比以前多得多的关注。   
      虽然如此,与UNIX服务器、大型主机上发展多年并且相对已经很成熟的的虚拟化技术相比,x86服务器上的虚拟化仍旧处于早期阶段。根据英特尔的蓝图,服务器虚拟化进程可以分为三个阶段:   
       第一阶段——在处理器当中集成硬件辅助虚拟化指令。   
       第二阶段——实现I/O方面的虚拟化。  
    第三阶段——实现整个IA平台的虚拟化。   
      纵观x86平台虚拟化发展状况,我们不难发现,目前x86平台仅仅能够实现在处理器级别的虚拟化,在I/O以及其他方面的虚拟化还需要进一步的发展。不仅如此,x86架构上的虚拟化技术还无法完美实现虚拟分区之间动态迁移,而这些在UNIX平台、大型主机上早已不是问题。IBM公司的POWER6处理器甚至还提供了Live Partition Mobility功能,允许实现活动分区的在线迁移。目前,x86架构上的虚拟化技术的最高规划是支持8路SMP系统,可以实现对单个CPU资源的配置。   随着x86平台上虚拟化技术的逐步实现,首次向人们展示了虚拟化应用的广阔前景,因为x86平台可以提供便宜的、高性能和高可靠的服务器。更重要的是,一些用户已经开始配置虚拟化的生产环境,他们需要得到新的管理工具,从而随着虚拟化技术的发展而得到更大的收益。
      虚拟照进现实 梦想照耀x86  
 强大的整合性.
  从传统情况看,IT机构通常会将其70~80%的预算用做现有系统和应用管理开支。这与企业的规模关系不大。传统的IT机构总是倾向于使用一台服务器运行一个应用。在x86服务器平台这往往被看作是一种经济、高效的战略,因为一台服务器运行一个应用的方法,不仅可以简化服务器的部署工作,而且还可以减少潜在的软件冲突。 但是,随着企业IT应用环境日益复杂,运行在服务器平台 上的应用数量不断增加,这种单机运行单一平台的做法,带来了严重的后果——全球范围内的服务器数量在过去十年间增 加了150倍,过多的服务器带来了处理器应用率低下、维护困 难(服务器的升级、补丁,防病毒等)、维护成本高等多方面问题,而且,管理这些系统的相关成本也急剧增长。   与此同时发生的另一个现象是,服务器的平均性能在明显提高,例如,在运行不同类型应用时,双核平台较单核平台 性能有从30%~10 0%不等的提升,而四核平台又比双核平台 有平均60%的性能提升。   
         在这两种问题的共同作用下,IT技术供应商端促进了可以帮助用户整合物理服务器和应用的技术创新,而在用户端,则促进了通过将应用和操作系统整合到单一平台上的需求梦 想。在这种技术创新和需求梦想的碰撞、交织和沟通中,虚拟化技术被证明是一个可以帮助用户整合服务器、整合多个应用、整合多个操作系统的理想工具。
  高效的利用率   
  在今天,很多的IDC用户仍在抱怨他们的服务器利用率只有10%~30%,大量服务器处于严重的利用率低下状态。导致服务器利用率低下的原因有许多,例如每种工作负载都需要 使用单独的服务器、企业中的各个部门拥有“自己的”服务器(其中一部分也许处于闲置状态,但是其他部门的工作负载无法共享这些资源)、容量规划不科学(因为担心复杂、麻 烦、花费时间的系统迁移,大部分时候预计的容量要比实际 高,甚至高很多)等等。 传统的整合方式,就是在单个操作系统副本上运行多个应用,导致了许多技术障碍,如:文件系统命名空间冲突、网络端口冲突、进程间通信冲突、不一致的内核调整或补丁 级别等等。而虚拟化可以使系统轻松拥有在单一平台上运行 多个应用的能力,从而提高系统资源的利用率,有效打破资源利用率瓶颈。很多采用了虚拟化技术的用户都已经尝到了提升系统资源利用率的好处。
  较高的安全性   虚拟化可通过以下几个主要方式,提高数据中心的可靠性,保障业务连续性:   故障隔离——大多数应用故障均由软件故障引发。虚拟化可提供虚拟分区之间的逻辑隔离,这样一个分区中的软件 故障便不可能影响到另一个分区中的应用。逻辑隔离还能帮助遏制数字攻击,从而可有效增强整合环境中的安全性。故障切换灵活性—虚拟机通过配置可为一个或多个应用提供自动故障切换。鉴于基于英特尔至强处理器的服务器平台能够提供高度可用性,通过在相同平台上提供故障切换分区作为主要应用,通常可满足服务等级要求。如果要求更高 的可用性,可将故障切换分区托管到单独的服务器平台上。   不同的安全设置——每台虚拟机可以应用不同的安全设置,这样IT部门就能够保持对最终用户和管理员特权的高度控制。例如,基于虚拟机的灾备系统,就是一个低成本的高数据中心高可靠性保障方案。传统的容灾系统成本昂贵,硬件配置的一致性要求高,异构平台实现容灾的可能性很小,用户几乎不敢尝试,同时,配置及迁移的复杂性高,且维护复杂。而虚拟化技术支持的虚拟机的灾备技术,可以实现虚拟机到虚拟机、虚拟机到物理机、一对一、一对多等多种形式的灵活的 应用模式,能够帮助用户降低成本,而Virtual iron等迁移与配置技术可以 帮助用户方便地进行系统管理。有效的TCO控制   服务器虚拟化正在帮助客户降低总拥有成本(TCO),提供对共享基础架构进行访问的能力以及增加基础架构的灵活性。客户的拥有成本因为管理成本的减少、现有每一资产利用率的增加以及基础架构性能和业务目标之间更好的联系而得到改善。IBM内部进行的研究显示,通过使用虚拟和系统管理这样的技术,客户最多可将管理成本减少40%,将IT利用率提高25%。   分析人员认为,从管理的角度看,客户花在系统管理方面的时间将比花在硬件实际购买上的时间多三倍。虚拟已经不仅仅是一种新兴的技术,而是一个年销售额数十亿美元的市场。从整个行业的范围看,根据IDC的计算结果,今年售出的所有服务器中有45%拥有虚拟功能,而且IDC预测到2009年虚拟将成为一个年销售额150亿美元的行业。
         光芒背后的阴影   在服务器虚拟化无限风光的背后,这项在x86平台上稍显稚嫩的优势技术在现实的应用中也暴露出了一些问题:   1、并不是所有x86平台应用都适合虚拟化应用   首先,高性能计算就不适合采用虚拟化技术,因为高性能计算会将处理器当中的每一份潜力都压榨干净,其CPU利用率非常高。同样,Exchange、数据库这类大负载应用需要占用大量的I/O和内存资源,一般也不适合同其它应用程序共享服务器硬件。   2、业界还没有统一的虚拟化标准平台和开放协议,这会增加用户投资风险   目前国内提供虚拟化解决方案的厂商很多,市场没有统一客观标准,各大厂商摆在用户面前的解决方案,让企业感到无所适从。因为各厂家的产品很难在同一环境下整合,相互之间不能兼容,难于扩展升级,削弱了系统的灵活性,使用户面临了从“硬件包围”到“虚拟硬件包围”的窘况。而且因为很难和服务器进行一体化管理,也增加额外的管理开销。因此目前在虚拟化相关产品方面,相关标准还没有最终健全界定是一个重要的制肘因素。   3、x86平台下虚拟化还存在稳定性隐患   表面上看,将多个虚拟机放在同一台服务器上,服务器宕机所影响的不再是一个应用,而是这台服务器上的所有虚拟机上的所有应用。但是,这个问题可以从两个方面来解决:一个是制度上,另一个则是设备上。从制度上,关键应用与非关键应用不能放在同一台物理服务器上,或者说,生产应用与非生产应用不能放在同一台物理服务器上。而在设备上,对于重要的应用,仍然可以通过双机备份的形势来保障应用的可靠性。例如,IBM的集群软件已经可以与虚拟化软件完美配合,实现虚拟机之间的热迁移。4、虚拟化不能脱离实际应用   企业数据中心越来越普及,企业业务应用越来越复杂,对传统的资源固定分配模式的IT基础设施提出了严重挑战,许多按照传统模式建立起来的IT系统存在严重的瓶颈,这并不是硬件或软件的性能不够,而是适应变化的能力不够。产生所有这些问题的根源,就是在传统的资源固定分配模式下IT资源根据应用进行固定划分,资源利用效率较低,不同系统间资源难以相互调配,而运行和管理费用随着系统数量增加而提高,投资回报差,特别是固定的资源分配模式导致IT适应性差,难以跟上随时变化的业务需求,并且管理复杂容易出错,可用性和可管理性差。
          虚拟化技术的未来   服务器虚拟化技术可以提高服务器效率和可靠性,这种技术在不断的改进,并且这种已经被接受的平衡基础资源的方法将变得更加重要。在服务器领域,虚拟化可以带来更高的部件及系统级利 用率,带来具有透明负载均衡、动态迁移、故障自动隔离、系统 自动重构的高可靠服务器应用环境,以及更为简洁、统一的 服务器资源分配管理模式。   但是提到虚拟化技术的未来,我们不得不承认目前的虚拟化技术还有很多路要走。不论是服务器虚拟化,还是存储虚拟化,甚至网络虚拟化、数据虚拟化等等,都只是部件级的虚拟化。虚拟化技术的未来应当是将整个数据中心虚拟化,使用户能够获得一个随需应变数据中心。   有理由相信,随着以英特尔、AMD和vmware、Virtual Iron等为代表的软硬件厂商将虚拟化技术引入x86平台,越来越多的IT厂商随之参与进来,虚拟化技术所面临的问题都将会的到不同程度的解决,虚拟化技术凭借其自身的强大优势必将成为未来若干年服务器各个平台的发展焦点,一个崭新的时代即将到来。

[ 本帖最后由 janceliu 于 9-19-2008 10:36 编辑 ]
vmsky精彩虚拟化
发表于 9-22-2008 10:33:57 | 显示全部楼层

好文章

顶一下!
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