基于VMware的服務器內存與CPU虛擬化技術研究

馬鵬 杜小月 楊彥仙 孫超

[摘 要] 伴隨著IT技術高速發展與革新，傳統IT基礎架構環境中，業務迅速發展給IT帶來很大壓力，服務器需求不斷增多，機房空間、電力成為瓶頸，導致應用所需服務器資源緊張，正常項目開展受到限制。如果不斷購買新的服務器，又會增加采購成本和運作成本，而且還會帶來更多供電和冷卻的開支，同時，目前的服務器還沒有得到充分的利用。通常情況下，企業的服務器工作負載只利用了 5%，這導致了大量的硬件、空間以及電力的浪費。同時由于應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器中分別運行應用的方式，將應用程序隔離起來，而這又會導致服務器數量的增長。

云南電網公司作為大型企業，信息化建設不斷發展，目前信息化網絡以信息中心為運營維護單位，覆蓋市場計費、生產經營等多套業務系統，服務器資源龐大。雖然云南電網公司已經完成了對其數據中心的服務器虛擬化改造，但是對其相關應用技術的認識似乎不是很深，了解和研究先進技術對于企業未來信息化的發展具有奠定基礎的意義。

[關鍵詞] 云南電網；虛擬化技術；服務器

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

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

0 引 言

本文借助VMware的相關應用技術，旨在對服務器虛擬化的內存與CPU虛擬化概念進行闡述，從VCPU和內存虛擬化方面的應用技術進行淺析。

1 CPU虛擬化應用技術

1.1 vCPU技術

VMware通過CPU虛擬化技術解決了如何在一個操作系統實例中運行多個應用的難題。實現這一任務的困難之處在于每一個應用都與操作系統之間有著密切的依賴關系。

服務器整合的益處能夠得以實現的前提是工作負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。

具體實現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，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，將被調度的vCPU的狀態載入物理CPU。

VMkernel在調度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核且每個內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映射到處理器調度一個執行線程的能力，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 數量、客戶機操作系統支持的 CPU 數量和虛擬機硬件版本決定著您可以添加的vCPU 數量。

1.2 vCPU和管理vCPU技術概念

1.2.1 處理器管理

從客戶操作系統vCPU發往ESXi VMkernel的指令被VMM攔截。在固定時間間隔內，VMKernel動態地在服務器和不同處理器（或多核處理器的內核）中分配VM工作負載。因此，VM指令根據每個處理器的工作負載從一個處理器（或內核）轉移到另一個處理器。

1.2.2 多內核和虛擬化

多核處理器為執行虛擬機多任務的主機提供了很多優勢。

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

同一處理器中的內核通常配備由所有內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存的必要性。如果運行在邏輯處理器上的虛擬機正運行爭用相同內存總線資源且占用大量內存的工作負載，則將物理處理器連接到主內存的共享內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核提供的高性能的技術之一，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（Virtual SMP） 可以使單個虛擬機同時使用多個物理處理器，并能夠在處理器之間均衡負載。必須具有虛擬 SMP，才能打開多處理器虛擬機電源。一些關鍵業務，比如數據庫類應用（Microsoft SQL、Oracle、IBM DB2、SAP）和商業、科研應用，在開發的時候就考慮了并行執行任務的需求，具有多個物理處理器的服務器就能利用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核上創建兩個邏輯內核實例，從而在核心中并行執行任務，提高效率。在vSphere虛擬機的處理器分配中，一個超線程可以對應一個vCPU。

1.2.5 CPU虛擬化類型

從架構上看，傳統的X86平臺并不是為支持多操作系統并行而設計的。因此CPU廠商如AMD和Intel都需要重新設計CPU，增加虛擬化特性，以解決上述問題。當前X86 虛擬化平臺的主要廠商如VMware等，也已經開始充分利用芯片廠商在處理器架構中構建的硬件輔助功能，以提高系統運行效率，降低Hypervisor帶來的系統開銷。

Intel和AMD等芯片廠商在CPU內引入了一個新的、具有超級特權和受保護的Ring-1位置來運行虛擬機監控器（VMM），因此VMM能運行在新的叫作Ring -1的環里，這允許GuestOS天生運行在Ring 0里。這種CPU架構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已經能在此操作，并且不會與VMM沖突——VMM已經移動到新的Ring 1級別。選擇支持這些虛擬化優化擴展的CPU，這可以更好地降低系統開銷、提升虛擬化效率。

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

1.2.6 CPU負載均衡

CPU調度器可以讓多個虛擬機復用邏輯處理器（邏輯處理器的單位是一個 CPU 核心或一個超線程），提供給虛擬機類比于傳統對稱多處理器（SMP）的執行能力，并使他們之間相互獨立。如果存在超線程，VMkernel盡量把相同虛擬機的vCPU負載分散到不同內核的線程上來實現性能的優化。

ESXi CPU 調度程序可以解釋處理器拓撲（包括插槽、內核和邏輯處理器之間的關系）。調度程序使用拓撲信息優化虛擬 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 遷移來改善緩存關聯性。

1.3 CPU的調度管理功能

支持基于Intel/AMD X86指令集架構的處理器，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；

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境的要求；

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

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

在虛擬機操作系統支持的前提下，應能支持虛擬機的CPU熱添加技術。

2 內存虛擬化應用技術

2.1 內存虛擬化技術

當運行一個虛擬機時，引入內存虛擬化之后，同樣的內存地址空間，允許VMkernel同時運行多個虛擬機并保證它們之間使用內存的獨立性。

VMware vSphere的三層內存映射結構如圖1所示。

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

通過 VMware 設計的若干功能，vSphere 可支持實現 RAM 的高效使用和更高的整合率，包括透明頁共享、客戶機內存回收和內存壓縮。

透明頁共享TPS（Transparent page sharing）

TPS 是 VMware 獨有的一種內存優化方法。VMkernel 可檢查虛擬機存儲的每個內存頁面，以便識別相同的頁面，并僅存儲一個頁面副本。

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

內存壓縮：當內存過量分配時，內存壓縮可以幫助提高虛擬機性能。默認情況下已啟用該功能。因此當主機內存過量分配時，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存中。

主機級SSD交換文件：每個虛擬機都包含一個 VMkernel 交換文件。如果多個虛擬機需要完全使用分配給它們的內存，則 ESXi 主機將根據為每個虛擬機指定的內存資源設置，按比例將其內存區域交換到本地或網絡固態驅動器 （SSD） 設備中。

將虛擬機內存分頁移到磁盤中： 如非必要， 系統不會使用 VMkernel 交換空間， 因為這種方式的性能很差。

2.2 內存的調度管理功能

單個虛擬機能夠支持擴展到最大1TB的內存；

可以靈活分配調度物理服務器上的內存資源，如可按MB大小分配給虛擬機內存資源；

對內存的調度應能實現虛機按需使用，隨用隨取，不用即釋放，使得計算資源能被充分利用；

具有合理的內存調度機制，能夠實現內存的過量使用，支持不同虛擬機中內存相同數據部分的頁面共享技術，保障內存資源的充分利用；

在虛擬機操作系統支持的前提下，應能支持虛擬機的內存熱添加技術；

支持內存壓縮技術，減少虛擬內存在虛擬機高壓力內存狀態下交換到磁盤上

3 結 語

VMware的服務器虛擬化vSphere是業界領先的用于構建云計算基礎架構的虛擬化平臺。它使得 IT 能以最低的總體擁有成本滿足要求最嚴格的關鍵業務應用的SLA，云南電網公司屬于大型的企業，目前信息化網絡以信息中心為運營維護單位，覆蓋出單、收付等多套業務系統，服務器資源龐大。出于經濟效益和管理安全性考慮，針對基礎架構的虛擬化技術研究已勢在必行。

主要參考文獻

[1]王春海.VMware vSphere企業運維實戰[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[2]張巍.企業虛擬化實戰：VMware篇[M].北京：機械工業出版社，2009.