虛擬化性能損耗研究

杜雅紅，張 棟，黃 鑫

（中鐵信弘遠（北京）軟件科技有限責任公司，北京100089）

在計算機技術中，虛擬化技術可以幫助有效地管理計算機中的各種實體資源[1-2]，比如：CPU、內存、網絡和存儲等，它通過將計算機資源抽象出來并實現轉換，讓資源可以有效地動態分配和跨域共享，突破了實體資源不可拆分以及受地域限制的這一技術難點，讓用戶可以更加靈活、有效地使用這些資源[3-4]。虛擬化資源通常是指擁有計算能力和存儲能力的資源[5]。

很多企業或者組織在是生產環境中使用虛擬化之前，都會對虛擬化技術的性能損耗進行測試，以確保虛擬化技術可以滿足生產需要，但是，由于基礎硬件及應用系統的不同，虛擬化的性能測試結果也不盡相同。鑒于此，本文進行了基于鐵路標準硬件設施的虛擬化性能測試，為應用系統選擇物理機或者虛擬化技術提供參考。

1 虛擬化技術介紹

1.1 VMware介紹

VMwarevSphere是一款商用的服務器虛擬化平臺，組件包括vCenter Server、ESXi、vSphereWeb Client、vSphereClient 和vSphereHost Client。虛擬機的管理程序ESXi是vSphere所有產品套件的核心，是其他產品所依賴的基礎。vCenter 可以集中管理VmwarevSphere環境，從而提高管理員對虛擬環境的控制[6]。

VMware 的系統架構，如圖1所示。

圖1 VMware系統架構

VMwarevSphere 主要組件及功能如下：

（1）VMwarevCenterServer：配置及管理虛擬化IT 環境的中樞節點。

（2）VMwarevSphereClient：用戶可以使用此Client 從WindowsPC連接到vCenter server 或者

ESXi。

（3）VMwarevSphereWebAccess：用戶可以通過此Web界面對虛擬機進行管理、對遠程控制臺進行訪問。

（4）VMware虛擬機文件系統（VMFS）：ESXi虛擬機使用的高性能集群文件系統。

（5）VMwareVirtual SMP：允許單一的虛擬機同時使用多個物理處理器。

（6）VMwarevMotion和StoragevMotion：VMwarevMotion 可以將運行態的虛擬機從一個主機動態遷移到另一個主機，且遷移期間虛擬機不需要關機，業務不受影響。

（7）VMwareHighAvailability（HA）：可為虛擬機提供高可用性的功能。如果服務器出現故障，會在其他空閑主機上重新啟動故障主機上的虛擬機。

（8）VMwareDistributedResourceScheduler（DRS）：通過收集硬件資源，實現虛擬機的動態分配，同時平衡計算容量。

（9）VMwarevSphereSDK：用戶可以通過調用此接口來訪問VMwarevShpere的功能。

（10）VMware容錯：為虛擬機啟動容錯后，會為此虛擬機創建副本虛擬機。主虛擬機上的所有操作都會同步到副本虛擬機上。如果主虛擬機出現故障，則副本虛擬機將成為主活動虛擬機，保證業務連續可用性。

（11）vNetwork分布式交換機（vDS）：實現了分布式的虛擬交換機功能，使得虛擬交換機可以跨多個ESXi主機，簡化網絡運維工作量，并提高網絡容量。同時，虛擬機在跨主機遷移時，保證網絡配置不變。

1.2 KVM介紹

基于內核的虛擬機（KVM，Kernel-basedVirtual Machine）是一個Linux 的內核模塊，支持X86（32 bit 和64bit）、s390、Powerpc等CPU。KVM 的虛擬化需要硬件支持（如IntelVT 技術或者AMD 技術），是基于硬件的完全虛擬化[7-8]。

在KVM中，虛擬機被實現為普通的Linux進程，由標準的Linux 調度程序進行調度。但是，KVM 本身不執行任何硬件模擬，需要QEMU 提供硬件I/O虛擬化。

KVM系統架構，如圖2所示。

KVM支持的功能包括：

（1）支持CPU 和內存超分（Overcommit）。

（2）支持半虛擬化I/O（virtio）。

（3）支持熱插拔（CPU、塊設備、網絡設備等）。

（4）支持對稱多處理（SMP，SymmetricMulti-Processing）。

（5）支持實時遷移（LiveMigration）。

（6）支持PCI 設備直接分配和單根I/O 虛擬化（SR-IOV）。

圖2 KVM系統架構

（7）支持內核同頁合并（KSM）。

（8）支持非一致存儲訪問結構（NUMA，Non-Uniform Memory Access）。

2 虛擬化性能對比測試

2.1 測試環境

測試環境說明，如表1所示。

表1 測試環境說明

2.2 CPU對比測試

使用sysbench 測試框架，運行尋找質數的程序，指定上限值，尋找該值范圍內的質數。上限分別取10000和100000000。上限是10000時，對比單位時間內（1s）程序的執行次數。上限是100000000 時，對比程序的運行時間。測試結果，如圖3、圖4 所示。

通過測試結果可以看出，不論是單位時間內程序的運行次數還是限定上限時程序的運行時間，物理機和兩個虛擬機的表現都不相上下。也就是說兩種虛擬化對于單進程的程序在CPU性能方面與物理機幾乎沒有差別。

2.3 內存對比測試

RAMspeed 是一個用來測試計算機系統緩存和內存性能的開源的命令行工具。使用RAMspeed 分別對3類主機進行不同塊大小的整型和浮點型內存讀

圖3 上限是10000的測試結果

圖4 上限是100000000的測試結果

寫測試，結果如圖5～圖8。

圖5 整型寫內存測試

圖6 整型讀內存測試

圖7 浮點型寫內存測試

圖8 浮點型讀內存測試

由圖5～圖8可知，在數據塊小于64 KB時，VMware對于內存的讀寫速度要明顯高于KVM 和物理機；當數據塊大于64KB時，兩種虛擬化和物理機的表現相差不大。所以對那些需要頻繁讀寫內存里的小塊數據的應用，VMware 可以提供更高的性能。

2.3 磁盤IO對比測試

使用fio進行測試，fio是一個非常靈活的I/O測試工具，用來對硬件進行壓力測試和驗證，它可以通過多線程或進程模擬各種I/O操作，支持13種不同的I/O引擎。本次測試分別對硬盤驅動器（HDD）和固態驅動器（SSD）做了壓力測試，測試結果如圖9～圖12所示。

通過以上測試結果可以看出，兩種虛擬化在HDD盤的隨機讀時會有10%的性能損耗，其他情況下，可以提供和物理機同樣的性能。

2.4 網絡對比測試

圖9 HDD盤4KB隨機讀寫測試結果（隊列深度32）

圖10 HDD盤512KB順序讀寫測試結果（隊列深度32）

圖11 SSD盤4KB隨機讀寫測試結果（隊列深度32）

圖12 SSD盤512KB順序讀寫測試結果（隊列深度32）

使用iperf 進行測試，iperf 是一個網絡性能測試工具，用來測試最大傳輸控制協議（TCP）和用戶數據報協議（UDP）帶寬性能。iperf 支持傳入多種參數，還支持UDP 特性，可以根據需要調整。同時，iperf 還可以測試帶寬，延遲抖動和數據包丟失。3種類型主機分別作為客戶端與服務器端，進行TCP 和UDP 帶寬測試。其中，UDP 測試指定單線程帶寬為1Gbps，用10個線程同時發送數據占滿帶寬[9-10]。測試結果如圖13～圖14所示。

圖13 TCP測試結果

圖14 UDP測試結果

通過以上測試結果可以看出，VMware虛擬機作為TCP 客戶端時，能提供的帶寬會比物理機和KVM 虛擬機少10%左右；而作為UDP 服務器端時，KVM虛擬機提供的總帶寬都要比物理機低60%，VMware虛擬機比物理機低10%左右；作為UDP 客戶端時，KVM虛擬機提供的總帶寬要比物理機低20%左右。所以如果應用系統以UDP 業務為主，選擇物理機或者VMware 虛擬機可以獲得比KVM 虛擬機更高的帶寬。

3 結束語

本文分別就CPU、內存、磁盤I/O，以及網絡帶寬對物理機、KVM虛擬機和VMware虛擬機進行了對比測試。通過測試發現，兩種虛擬化和物理機在CPU 性能方面并沒有很大差異；在內存方面，頻繁讀寫內存里的小塊數據時，VMware 的表現更加突出；在磁盤I/O方面，兩種虛擬化在HDD的隨機讀寫上表現稍差；在網絡帶寬方面，如果應用系統以UDP業務為主，KVM虛擬機提供的帶寬相對較小。

本文每項測試都是針對單項指標的測試，應用系統的運行經常需要同時使用這幾項指標，所以應用系統在選擇運行載體時需要綜合考慮這幾項指標的影響，根據應用特點選擇合適的運行載體。當然，為了保證應用系統的穩定性，建議在不影響性能的情況下，使用多種運行載體。