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主流虚拟化技术基础知识及进展趋势.docx
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一、背景知识
云计算平台需要有资源池为其提供能力输出,这种能力包括计算能力、存储能力和网络能力,
为了将这些能力调度到其所需要的地址,云计算平台还需要对能力进行调度治理,这些能力均是由
虚拟化资源池提供的。
云计算离不开底层的虚拟化技术支持。维基百科列举的虚拟化技术有超过
60 种,基于
X86(CISC)体系的超过 50 种,也有基于 RISC 体系的,其中有 4 种虚拟化技术是当前最为成熟而
且应用最为普遍的,别离是:VMWARE 的 ESX、微软的 Hyper-V、开源的 XEN 和 KVM。云计算
平台选用何种虚拟化 技术将是云计算建设所要面临的问题,文章就 4 种主流虚拟化技术的架构层
面进行了对照分析。
形成资源池计算能力的物理设备,可能有两种,一种是基于 RISC 的大/小型机,另一种是基于
CISC 的 X86 效劳器。大/小型机通常意味着高性能、高靠得住性和高价钱,而X86 效劳器与之相
较有些差距,但随着 Inter 和 AMD 等处置器厂商技术的不断进展, 本来只在小型机上才有的技
术已经出此刻了 X86 处置器上,如 64 位技术、虚拟化技术、多核心技术等等,使得 X86 效劳器
在性能上突飞猛进。通过 TPC 组织 在 2020 年 3 月份所发布的单机运算机性能排名中能够看出,
4 路 32 核的 X86 效劳器性能已经位列前 10 名,更重要的是 X86 效劳器的性价比相对小型机有约
5 倍的优势。因此,选择 X86 效劳器作为云计算资源池,更能凸显出云计算的低本钱优势。
由于单机运算机的处置能力愈来愈大,以单机资源为调度单位的颗粒度就太大了,因此需要有
一种技术让资源的调度颗粒更细小,使资源取得更有效和充分
的利 用,这就引入了虚拟化技术。当前虚拟化技术中主流和成熟的有 4 种:
VMWARE 的 ESX、微软的 Hyper-V、开源的 XEN 和 KVM。
二、虚拟化架构分析
从虚拟化的实现方式来看,虚拟化架构要紧有两种形式:宿主架构和裸金属
架构。在宿主架构中的虚拟机作为主机操作系统的一个进程来调度和治理,裸金
属架构下 那么不存在主机操作系统,它是以 Hypervisor 直接运行在物理硬件
之上,即便是有类似主机操作系统的父分区或 Domain 0,也是作为裸金属架构
下 的 虚 拟 机 存 在 的 。 宿 主 架 构 通 经 常 使 用 于 个 人 PC 上 的 虚 拟 化 , 如
WindowsVirtual PC,VMware Workstation,Virtual Box,Qemu 等,而裸
金属架构通经常使用于效劳器的虚拟化,如文中提及的 4 种虚拟化技术。
ESX 的虚拟化架构
VMWare (Virtual Machine ware)是一个“虚拟 PC”软件公司。它的产品能
够使你在一台机械上同时运行二个或更多 Windows、DOS、LINUX 系统。与
“多启动”系统相较,VMWare 采纳了完全不同的概念。多启动系统在一个时
刻只能运行一个系统,在系统切换时需要从头启动机械。VMWare 是真正“同
时”运行,多个操作系统在主系统的平台上,就象标准Windows 应用程序那样
切换。而且每一个操作系统你都能够进行虚拟的分区、配置而不阻碍真实硬盘的
数据,你乃至能够通过网卡将几台虚拟机用网卡连接为一个局域网,极为方便。
安装在 VMware 操作系统性能上比直接安装在硬盘上的系统低很多,因此,比
较适合学习和测试。
ESXI 效劳器启动时,第一启动 Linux Kernel,通过那个操作系统加载虚拟
化组件,最重要的是 ESX 的 Hypervisor 组件,称之为 VMkernel,VMkernel
会从 LinuxKernel 完全接管对硬件的操纵权,而该 Linux Kernel 作为 VMkernel
的首个虚拟机,用于承载 ESX 的 serviceConsole,实现本地的一些治理功能。
VMkernel 负责为所承载的虚拟机调度所有的硬件资源,但不同类型的硬件会有
些区别。
虚拟机关于 CPU 和内存资源是通过 VMkernel 直接访问,最大程度地减少
了开销,CPU 的直接访问得益于 CPU 硬件辅助虚拟化(Intel VT-x 和 AMD AMD-
V,第一代虚拟化技术),内存的直接访问得益于 MMU(内存治理单元,属于 CPU
中的一项特点)硬件辅助虚拟化(Intel EPT 和 AMD RVI/NPT,第二代虚拟化技
术)。
虚拟机关于 I/O 设备的访问那么有多种方式,以网卡为例,有两种方式可供
选 择 : 一 是 利 用 I/O MMU 硬件辅助虚拟化(Intel VT-d 和 AMD-Vi) 的
VMDirectPath I/O,使得虚拟性能够直接访问硬件设备,从而减少对 CPU 的开
销;二是利用半虚拟化的设备 VMXNETx,网卡的物理驱动在 VMkernel 中,在
虚拟 机中装载网卡的虚拟驱动,通过这二者的配对来访问网卡,与仿真式网卡
(IntelE1000)相较有着较高的效率。半虚拟化设备的安装是由虚拟机中 VMware
tool 来实现的,能够在 Windows 虚拟机的右下角找到它。网卡的这两种方式,
前者有着显著的先进性,但后者用得更为普遍,因为 VMDirectPath I/O 与
VMware 虚拟化的一些核心功能不兼容,如:热迁移、快照、容错、内存过量利
用等。
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