計(jì)算虛擬化技術(shù)詳解

1、計(jì)算虛擬化技術(shù)詳解技術(shù)創(chuàng)新，變革未來隨著CPU、內(nèi)存等技術(shù)的發(fā)展，如今X86服務(wù)器的單臺(tái)性能已經(jīng)超過了許多應(yīng)用的需求。資源的復(fù)用能夠大大節(jié)約企業(yè)投資，而其中虛擬化就是一種非常成熟的技術(shù)。本章節(jié)介紹華為的計(jì)算虛擬化的原理與特性。學(xué)完本課程后，您將能夠：描述計(jì)算虛擬化概念描述CPU虛擬化描述內(nèi)存虛擬化區(qū)分FusionCompute關(guān)鍵特性計(jì)算虛擬化基礎(chǔ)概念CPU虛擬化內(nèi)存虛擬化FusionCompute關(guān)鍵特性虛擬化本質(zhì)相對(duì)于硬件獨(dú)立無需修改即可在任何服務(wù)器上運(yùn)行虛擬機(jī)分區(qū)在單一物理服務(wù)器上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)隔離在同一服務(wù)器上的虛擬機(jī)之間相互隔離封裝整個(gè)虛擬機(jī)都保存在文件中，而且可以通過移動(dòng)和復(fù)制

2、這些文件的方式來移動(dòng)和復(fù)制該虛擬機(jī)虛擬化中幾個(gè)重要概念 (1/2)硬件Host Machine操作系統(tǒng)Host OS硬件Host Machine虛擬機(jī)監(jiān)控器VMM操作系統(tǒng)Guest OS虛擬機(jī)Guest Machine操作系統(tǒng)Guest OS虛擬機(jī)Guest Machine寄居虛擬化宿主操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)應(yīng)用應(yīng)用虛擬化層虛擬化層應(yīng)用操作系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)控制臺(tái)應(yīng)用操作系統(tǒng)混合虛擬化應(yīng)用操作系統(tǒng)應(yīng)用操作系統(tǒng)應(yīng)用操作系統(tǒng)宿主操作系統(tǒng)虛擬硬件管理寄居虛擬化裸金屬虛擬化混合虛擬化優(yōu)點(diǎn) 簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn) 虛擬機(jī)支持多種操作系統(tǒng)和應(yīng)用性能高 相對(duì)于寄居虛擬化架構(gòu)，沒有冗余，性能高 可支持多種操作系統(tǒng)缺點(diǎn) 管理開銷較

3、大，性能損耗大 虛擬層內(nèi)核開發(fā)難度大 需底層硬件支持虛擬化擴(kuò)展功能廠家VMware WorkstationVMware vSphere微軟 Hyper-VCitrix XenServer華為 FusionSphereRedhat KVM虛擬化中幾個(gè)重要概念 (2/2)裸金屬虛擬化I/O虛擬化虛擬機(jī)復(fù)用有限的外設(shè)資源VMM截獲客戶OS對(duì)設(shè)備的訪問請(qǐng)求，然后通過軟件的方式來模擬真實(shí)設(shè)備的效果。前端設(shè)備驅(qū)動(dòng)將數(shù)據(jù)通過VMM提供的接口轉(zhuǎn)發(fā)到后端驅(qū)動(dòng)。后端驅(qū)動(dòng)VM的數(shù)據(jù)進(jìn)行分時(shí)分通道進(jìn)行處理。Domain 0物理硬件（處理器，內(nèi)存，1/O設(shè)備）虛擬機(jī)監(jiān)控器VMM內(nèi)核用戶態(tài)控制面板后端驅(qū)動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)Doma

4、in U內(nèi)核用戶態(tài)前端驅(qū)動(dòng)DomU: 運(yùn)行在Xen Hypervisor上的普通虛擬機(jī)。Dom0: 運(yùn)行在Xen Hypervisor之上的特權(quán)虛擬機(jī)。它擁有訪問物理I/O資源的權(quán)限，同時(shí)和系統(tǒng)上運(yùn)行的其他虛擬機(jī)進(jìn)行交互。Dom0需要在其他Domain啟動(dòng)之前啟動(dòng)。硬件輔助虛擬化運(yùn)行FusionCompute,從而統(tǒng)一的服務(wù)器使用的CPU需支持硬件輔助虛擬化功能。VT-x是intel運(yùn)用Virtualization虛擬化技術(shù)中的一個(gè)指令集，是CPU的硬件虛擬化技術(shù)，VT可以同時(shí)提升虛擬化效率和虛擬機(jī)的安全性，在x86平臺(tái)上的VT技術(shù)，一般稱之為VT-x。AMD處理器上的類似功能為AMD-V。計(jì)

5、算虛擬化基礎(chǔ)概念CPU虛擬化內(nèi)存虛擬化FusionCompute關(guān)鍵特性CPU資源虛擬化CPU資源虛擬化這臺(tái)服務(wù)器可用的CPU資源為多少？CPU QoS (1/2)CPU資源限額控制虛擬機(jī)占用物理資源的上限。CPU資源份額CPU份額定義多個(gè)虛擬機(jī)在競(jìng)爭(zhēng)物理CPU資源的時(shí)候按比例分配計(jì)算資源。CPU資源預(yù)留CPU預(yù)留定義了多個(gè)虛擬機(jī)競(jìng)爭(zhēng)物理CPU資源的時(shí)候分配的最低計(jì)算資源。CPU QoS (2/2)單核CPU主頻為3GHz，該資源供VM1和VM2使用。場(chǎng)景一：VM1資源限額為2GHz，VM1可用的CPU資源最多為2GHz。場(chǎng)景二：VM1和VM2的資源份額分別是1000和2000，競(jìng)爭(zhēng)時(shí)VM1獲

6、得1GHz，VM2獲得2GHz。場(chǎng)景三：VM1資源預(yù)留2GHz，VM2資源預(yù)留為0，競(jìng)爭(zhēng)時(shí)VM獲得2GHz，VM2獲得1GHz（3-2=1）。計(jì)算虛擬化基礎(chǔ)概念CPU虛擬化內(nèi)存虛擬化FusionCompute關(guān)鍵特性虛擬機(jī)內(nèi)存分配Host physical memory 指虛擬機(jī)管理程序可用的內(nèi)存。Guest physical memory 指的是運(yùn)行在VM上的Guest OS可用的內(nèi)存。Guest virtual memory 指Guest OS向應(yīng)用程序提交的一個(gè)連續(xù)的虛擬地址空間。它是在虛擬機(jī)中運(yùn)行的應(yīng)用程序的內(nèi)存。主機(jī)內(nèi)存超分配Host Memory和Guest Memory之間并不是

7、一一對(duì)應(yīng)?？梢猿~分配內(nèi)存給VM。通過內(nèi)存復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)超分配功能。例如，物理內(nèi)存共4G，但上層三個(gè)GuestOS的分配的總內(nèi)存達(dá)到了6G。內(nèi)存復(fù)用技術(shù)華為虛擬化平臺(tái)，通過智能復(fù)用以上三種技術(shù)可將內(nèi)存復(fù)用比提升至150%。內(nèi)存共享，寫時(shí)復(fù)制內(nèi)存置換內(nèi)存氣泡VM1VM2VM3物理內(nèi)存DiskVMVMVM1VM2 內(nèi)存 氣泡空閑已用已用空閑內(nèi)存共享虛擬機(jī)之間共享同一物理內(nèi)存空間（藍(lán)色），此時(shí)虛擬機(jī)僅對(duì)內(nèi)存做只讀操作。寫時(shí)復(fù)制當(dāng)虛擬機(jī)需要對(duì)內(nèi)存進(jìn)行寫操作時(shí)（紅色），開辟另一內(nèi)存空間，并修改映射。內(nèi)存置換虛擬機(jī)長(zhǎng)時(shí)間未訪問的內(nèi)存內(nèi)容被置換到存儲(chǔ)中，并建立映射，當(dāng)虛擬機(jī)再次訪問該內(nèi)存內(nèi)容時(shí)再置換回來。內(nèi)存

8、氣泡Hypervisor通過內(nèi)存氣泡將較為空閑的虛擬機(jī)內(nèi)存釋放給內(nèi)存使用率較高的虛擬機(jī)，從而提升內(nèi)存利用率。虛擬機(jī)內(nèi)存 QoS內(nèi)存預(yù)留：虛擬機(jī)預(yù)留的最低物理內(nèi)存。預(yù)留的內(nèi)存被會(huì)虛擬機(jī)獨(dú)占。即，一旦內(nèi)存被某個(gè)虛擬機(jī)預(yù)留，即使虛擬機(jī)實(shí)際內(nèi)存使用量不超過預(yù)留量，其他虛擬機(jī)也無法搶占該虛擬機(jī)的空閑內(nèi)存資源。內(nèi)存份額：適用資源復(fù)用場(chǎng)景，按比例分配內(nèi)存資源。如VM1和VM2的內(nèi)存份額分別是20480,40960，物理資源總共為3G內(nèi)存，那么在競(jìng)爭(zhēng)情況下VM1使用的內(nèi)存為1G，VM2使用的內(nèi)存為2G。計(jì)算虛擬化基礎(chǔ)概念CPU虛擬化內(nèi)存虛擬化FusionCompute關(guān)鍵特性虛擬機(jī)生命周期管理虛擬機(jī)基本的生命

9、周期管理動(dòng)作，包括創(chuàng)建、刪除、啟動(dòng)、關(guān)閉、重啟、休眠、喚醒、分組管理等。虛擬機(jī)熱遷移技術(shù)特點(diǎn)基于內(nèi)存壓縮傳輸技術(shù)，虛擬機(jī)熱遷移效率提升1倍。虛擬機(jī)磁盤數(shù)據(jù)位置不變，只更改映射關(guān)系。 適用場(chǎng)景可容忍短時(shí)間中斷，但必須要快速恢復(fù)業(yè)務(wù)。比如輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫業(yè)務(wù)，桌面云業(yè)務(wù)。 FusionComputeFusionCompute VM DataOSAPPVM存儲(chǔ)熱遷移技術(shù)特點(diǎn)熱遷移可以使客戶可以在業(yè)務(wù)無損的情況下動(dòng)態(tài)調(diào)整虛擬機(jī)存儲(chǔ)資源，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備維護(hù)，存儲(chǔ)DRS資源調(diào)整等操作。FusionCompute VM DataOSAPPVM無共享熱遷移技術(shù)特點(diǎn)將源物理機(jī)上指定的處于運(yùn)行狀態(tài)的非共享存儲(chǔ)虛擬機(jī)遷移到

10、另一臺(tái)物理機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)不同存儲(chǔ)介質(zhì)上的虛擬機(jī)在不同節(jié)點(diǎn)之間無縫在線遷移。FusionComputeFusionCompute VM DataOSAPPVM熱遷移應(yīng)用場(chǎng)景業(yè)務(wù)不中斷本地虛擬機(jī)遷移性能優(yōu)化服務(wù)器補(bǔ)丁升級(jí)服務(wù)器下電維護(hù)新老硬件切換數(shù)據(jù)遷移異構(gòu)熱遷移跨代處理器使用不同的處理器架構(gòu)， CPU特性不兼容，因此不能直接進(jìn)行虛擬機(jī)熱遷移。新架構(gòu)CPU調(diào)整為舊架構(gòu)CPU運(yùn)行模式，使集群內(nèi)所有主機(jī)運(yùn)行在相同的CPU模式。集群內(nèi)一臺(tái)主機(jī)CPU版本較低，則集群需要運(yùn)行在較低的模式，導(dǎo)致整體性能降低，資源浪費(fèi)。支持的最高CPU指令集。異構(gòu)遷移功能特性配置在集群資源控制IMC配置中開啟IMC模式。支持六種

11、IMC模式，由低到高分別是：克隆虛擬機(jī)克隆后的虛擬機(jī)與被克隆的虛擬機(jī)在克隆的時(shí)間點(diǎn)有同樣的配置和數(shù)據(jù)。支持批量克隆虛擬機(jī)。虛擬機(jī)克隆時(shí)可變更硬件配置?？梢詫⑻摂M機(jī)克隆為模板。虛擬機(jī)分組管理使用虛擬機(jī)文件夾管理虛擬機(jī)，便于對(duì)不同業(yè)務(wù)需求的虛擬機(jī)進(jìn)行分類管理。使用拖拽方式直接將虛擬機(jī)拖拽到指定文件夾。支持多級(jí)子文件夾。生產(chǎn)虛擬機(jī)生產(chǎn)站點(diǎn)A生產(chǎn)站點(diǎn)B CPU0 DRAM CPU1 DRAMIntel QPI本地訪問Node0Node1NUMA技術(shù)介紹NUMA非一致性內(nèi)存架構(gòu)(Non-uniform Memory Architecture)解決了多處理器系統(tǒng)中的可擴(kuò)展性問題。NUMA技術(shù)將CPU劃分成

12、不同的組（Node)，每個(gè)Node由一個(gè)或多個(gè)CPU組成，并且有獨(dú)立的本地內(nèi)存、I/O等資源。CPU訪問同Node中內(nèi)存速度最快，訪問其他Node中內(nèi)存性能較差。CPU內(nèi)存Node0Node1Node2Node3HostVM 1VCPU內(nèi)存vNode0vNode1VM 2vNode0vNode1虛擬NUMA技術(shù)CPU內(nèi)存CPU內(nèi)存CPU內(nèi)存VCPU內(nèi)存VCPU內(nèi)存VCPU內(nèi)存DRS動(dòng)態(tài)資源調(diào)度FusionComputeFusionComputeOSAPPVMOSAPPVMOSAPPVMOSAPPVMOSAPPVMOSAPPVMFusionComputeOSAPPVMFusionComputeO

13、SAPPVM技術(shù)特點(diǎn)同一集群內(nèi)，VM由系統(tǒng)根據(jù)策略自動(dòng)負(fù)載均衡。負(fù)載均衡算法優(yōu)化，避免VM無效遷移。適用場(chǎng)景 負(fù)載均衡確保業(yè)務(wù)性能。 削峰填谷，避免高峰期的擁塞。DPM分布式電源管理FusionComputeFusionComputeOSAPPVMOSAPPVMOSAPPVMOSAPPVMFusionComputeOSAPPVMFusionComputeOSAPPVM技術(shù)特點(diǎn)系統(tǒng)自動(dòng)選擇合適的物理機(jī)上下電，減小遷移VM數(shù)量。保證小部分物理機(jī)處理休眠態(tài)，以快速滿足新增業(yè)務(wù)所需資源。適用場(chǎng)景夜間低負(fù)載，自動(dòng)遷移虛擬機(jī)，下電空閑主機(jī)。日間業(yè)務(wù)需求上升，自動(dòng)上電主機(jī)，遷移虛擬機(jī)到新上電主機(jī)。計(jì)算資源調(diào)度DRS和DPM分別設(shè)定自定義調(diào)度策略。按照小時(shí)為級(jí)別設(shè)定遷移閾值。虛擬機(jī)規(guī)則組聚集虛擬機(jī)列出的虛擬機(jī)必須在同一主機(jī)上運(yùn)行?；コ馓摂M機(jī)列出的虛擬機(jī)必須在不同主機(jī)上運(yùn)行。虛