基于VMware技術(shù)的計算處理特性

王艷飛 冀中能源峰峰集團有限公司新聞傳媒通信中心

隨著科學技術(shù)的不斷更新發(fā)展，各個行業(yè)相關(guān)的業(yè)務系統(tǒng)越來越多，用戶對于數(shù)據(jù)管理、即時搜索、信息共享等功能的要求越來越高，傳統(tǒng)的服務器標準已滿足不了系統(tǒng)要求。目前轉(zhuǎn)向云計算是科學發(fā)展趨勢，它可將程序放在云里運行，也可使用云里提供的服務，或者兩者共有。目前峰峰集團公司現(xiàn)有內(nèi)部網(wǎng)站：內(nèi)容管理系統(tǒng)、煤質(zhì)管理系統(tǒng)、選煤管理系統(tǒng)等十幾個業(yè)務系統(tǒng),出于經(jīng)濟效益和管理安全性考慮，利用機房現(xiàn)有環(huán)境，對各個業(yè)務系統(tǒng)進行虛擬化整合，采用基于vSphere的虛擬數(shù)據(jù)中心基礎架構(gòu)，可加快現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心向云計算的轉(zhuǎn)變,同時還支持兼容的公有云服務,從而為業(yè)界唯一的混合云模式奠定了基礎。

目前傳統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)是每臺主機一個操作系統(tǒng)，軟件硬件緊密地結(jié)合，在同一主機上運行多個應用程序通常會遭遇沖突，系統(tǒng)的資源利用率低，硬件成本高昂而且不夠靈活。采用虛擬化技術(shù)之后，將各個服務器整合，靈活的資源調(diào)派，快速大量部署，降低維護工作，增加可用性與備份，降低管理成本，打破了操作系統(tǒng)和硬件的互相依賴。通過封裝到虛擬機的技術(shù), 管理操作系統(tǒng)和應用程序為單一的個體，實現(xiàn)重大的安全和故障隔離，虛擬機獨立于硬件的, 它們能在任何硬件上運行。

VMware通過CPU虛擬化技術(shù)解決了如何在一個操作系統(tǒng)實例中運行多個應用的難題。實現(xiàn)這一任務的困難之處在于每一個應用都與操作系統(tǒng)之間有著密切的依賴關(guān)系。一個應用通常只能運行于特定版本的操作系統(tǒng)和中間件之上。這就是Windows用戶常常提到的“DLL地獄”。因此，大多數(shù)用戶只能在一個Windows操作系統(tǒng)實例上運行一種應用，操作系統(tǒng)實例獨占一臺物理服務器。這種狀況會導致物理服務器的CPU資源被極大地浪費。能夠使多個操作系統(tǒng)實例同時運行在一臺物理服務器之上，是VMware所提供的CPU虛擬化技術(shù)的價值所在。通過整合服務器充分利用CPU資源，可以給用戶帶來極大的收益。

具體實現(xiàn)方式是為每個虛擬機提供一個或者多個虛擬CPU（vCPU）。多個vCPU分時復用物理CPU。VMM必須為多個vCPU合理分配時間片并維護所有vCPU的狀態(tài)，當一個虛擬機vCPU的時間片用完需要切換時，要保存當前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”的拓撲邏輯。“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vCPU需要運行時，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運行的硬件基礎。

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

在傳統(tǒng)的x86運行環(huán)境下，操作系統(tǒng)使用保護環(huán)提供保護級別以完成不同任務代碼的執(zhí)行。這些環(huán)以等級排列，從最有特權(quán)的（Ring 0）到最少特權(quán)的（Ring 3）。在未虛擬化的服務器上，操作系統(tǒng)擁有在Ring 0運行設備I/O等核心指令的權(quán)利，同時應用運行在Ring 3。在虛擬化系統(tǒng)上，Hypervisor和虛擬機監(jiān)控器（VMM）需要運行在Ring0，因此虛擬機子操作系統(tǒng)必須運行在Ring1。但由于多數(shù)操作系統(tǒng)的設備I/O等核心指令必須運行Ring 0，那么VMM工具通過捕獲特許指令和模擬Ring 0到子虛擬機，讓子操作系統(tǒng)以為它運行在Ring 0。這樣就產(chǎn)生了延時和開銷。

因此，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)和受保護的Ring-1位置來運行虛擬機監(jiān)控器(VMM)，因此VMM能運行在新的叫做Ring -1的環(huán)里，這允許GuestOS天生運行在Ring 0里。這種CPU架構(gòu)上的虛擬化支持擴展提升了性能。VMM不再讓GuestOS以為自己運行在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)化擴展的CPU，這可以更好地降低系統(tǒng)開銷、提升虛擬化效率。

綜上所述，對CPU的調(diào)度管理功能要求如下：

1.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；

2.支持處理器多核技術(shù)；

3.支持虛擬多路運算，每個虛擬機可以支持多達64個虛擬CPU（vSMP）以滿足高負載應用環(huán)境的要求；

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

5.對CPU的調(diào)度應能實現(xiàn)虛機按需使用，隨用隨取，不用即釋放，使得計算資源能被充分利用；

6.在虛擬機操作系統(tǒng)支持的前提下，應能支持虛擬機的CPU熱添加技術(shù)。

虛擬機有一個對應的硬件版本的概念，該硬件版本指示虛擬機支持的虛擬硬件特性，如 BIOS 或 EFI、虛擬插槽數(shù)、最多CPU 數(shù)、最大內(nèi)存配置和其他硬件特征。創(chuàng)建虛擬機所用的 vSphere 主機的版本決定了虛擬機的硬件版本。

最新版本支持的最大虛擬機能力為：64個虛擬CPU、1TB內(nèi)存、1000000 IOPS的磁盤讀取速度以及36Gbs以上的網(wǎng)絡吞吐量。遠遠大于典型應用的需求，足以滿足關(guān)鍵應用和甚至大數(shù)據(jù)的需求。這足以滿足每天處理 20 億次交易的大規(guī)模數(shù)據(jù)庫的需求，只需一臺虛擬機，即可存儲 NASDAQ每天 20 億筆交易的全部信息。