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云計算4種主流虛擬技術架構對比分析

2012/02/29

　　云計算離不開底層的虛擬化技術支持。維基百科列舉的虛擬化技術有超過60種，基于X86(CISC)體系的超過50種，也有基于RISC體系的，其中有4種虛擬化技術是當前最為成熟而且應用最為廣泛的，分別是：VMWARE的ESX、微軟的Hyper-V、開源的XEN和KVM。云計算平臺選用何種虛擬化技術將是云計算建設所要面臨的問題，文章就4種主流虛擬化技術的架構層面進行了對比分析。

1.前言

　　云計算平臺需要有資源池為其提供能力輸出，這種能力包括計算能力、存儲能力和網絡能力，為了將這些能力調度到其所需要的地方，云計算平臺還需要對能力進行調度管理，這些能力均是由虛擬化資源池提供的。

　　在本文中，我們重點討論虛擬化資源池的技術。形成資源池計算能力的物理設備，可能有兩種，一種是基于RISC的大/小型機，另一種是基于CISC的X86服務器。大/小型機通常意味著高性能、高可靠性和高價格，而X86服務器與之相比有些差距，但隨著Inter和AMD等處理器廠商技術的不斷發(fā)展，原本只在小型機上才有的技術已經出現在了X86處理器上，如64位技術、虛擬化技術、多核心技術等等，使得X86服務器在性能上突飛猛進。通過TPC組織在2011年3月份所公布的單機計算機性能排名中可以看出，4路32核的X86服務器性能已經位列前10名，更重要的是X86服務器的性價比相對小型機有約5倍的優(yōu)勢。因此，選擇X86服務器作為云計算資源池，更能凸顯出云計算的低成本優(yōu)勢。

　　由于單機計算機的處理能力越來越大，以單機資源為調度單位的顆粒度就太大了，因此需要有一種技術讓資源的調度顆粒更細小，使資源得到更有效和充分的利用，這就引入了虛擬化技術。當前虛擬化技術中主流和成熟的有4種：VMWARE的ESX、微軟的Hyper-V、開源的XEN和KVM，下面將針對這4種虛擬化技術的架構進行分析。

2.虛擬化架構分析

　　從虛擬化的實現方式來看，虛擬化架構主要有兩種形式：宿主架構和裸金屬架構。在宿主架構中的虛擬機作為主機操作系統(tǒng)的一個進程來調度和管理，裸金屬架構下則不存在主機操作系統(tǒng)，它是以Hypervisor直接運行在物理硬件之上，即使是有類似主機操作系統(tǒng)的父分區(qū)或Domain 0，也是作為裸金屬架構下的虛擬機存在的。宿主架構通常用于個人PC上的虛擬化，如WindowsVirtual PC，VMware Workstation，VirtualBox，Qemu等，而裸金屬架構通常用于服務器的虛擬化，如文中提及的4種虛擬化技術。

　　(1) ESX的虛擬化架構(如圖1)

Esx虛擬化架構示意圖

圖1：Esx虛擬化架構示意圖
　　ESX是VMware的企業(yè)級虛擬化產品，2001年開始發(fā)布ESX 1.0，到2011年2月發(fā)布ESX 4.1 Update 1。

　　ESX服務器啟動時，首先啟動Linux Kernel，通過這個操作系統(tǒng)加載虛擬化組件，最重要的是ESX的Hypervisor組件，稱之為VMkernel，VMkernel會從LinuxKernel完全接管對硬件的控制權，而該Linux Kernel作為VMkernel的首個虛擬機，用于承載ESX的serviceConsole，實現本地的一些管理功能。

　　VMkernel負責為所承載的虛擬機調度所有的硬件資源，但不同類型的硬件會有些區(qū)別。

　　虛擬機對于CPU和內存資源是通過VMkernel直接訪問，最大程度地減少了開銷，CPU的直接訪問得益于CPU硬件輔助虛擬化(Intel VT-x和AMD AMD-V，第一代虛擬化技術)，內存的直接訪問得益于MMU(內存管理單元，屬于CPU中的一項特征)硬件輔助虛擬化(Intel EPT和AMD RVI/NPT，第二代虛擬化技術)。

　　虛擬機對于I/O設備的訪問則有多種方式，以網卡為例，有兩種方式可供選擇：一是利用I/O MMU硬件輔助虛擬化(Intel VT-d和AMD-Vi)的VMDirectPath I/O，使得虛擬機可以直接訪問硬件設備，從而減少對CPU的開銷；二是利用半虛擬化的設備VMXNETx，網卡的物理驅動在VMkernel中，在虛擬機中裝載網卡的虛擬驅動，通過這二者的配對來訪問網卡，與仿真式網卡(IntelE1000)相比有著較高的效率。半虛擬化設備的安裝是由虛擬機中VMware tool來實現的，可以在Windows虛擬機的右下角找到它。網卡的這兩種方式，前者有著顯著的先進性，但后者用得更為普遍，因為VMDirectPath I/O與VMware虛擬化的一些核心功能不兼容，如：熱遷移、快照、容錯、內存過量使用等。

　　ESX的物理驅動是內置在Hypervisor中，所有設備驅動均是由VMware預植入的。因此，ESX對硬件有嚴格的兼容性列表，不在列表中的硬件，ESX將拒絕在其上面安裝。

　　(2) Hyper-V的虛擬化架構(如圖2)

Hyper-V虛擬化架構示意圖

圖2：Hyper-V虛擬化架構示意圖
　　Hyper-V是微軟新一代的服務器虛擬化技術，首個版本于2008年7月發(fā)布，目前最新版本是2011年4月發(fā)布R2 SP1版，Hyper-V有兩種發(fā)布版本：一是獨立版，如Hyper-V Server 2008，以命令行界面實現操作控制，是一個免費的版本；二是內嵌版，如Windows Server 2008，Hyper-V作為一個可選開啟的角色。

　　對于一臺沒有開啟Hyper-V角色的Windows Server 2008來說，這個操作系統(tǒng)將直接操作硬件設備，一旦在其中開啟了Hyper-V角色，系統(tǒng)會要求重新啟動服務器。雖然重啟后的系統(tǒng)在表面看來沒什么區(qū)別，但從體系架構上看則與之前的完全不同了。在這次重啟動過程中，Hyper-V的Hypervisor接管了硬件設備的控制權，先前的Windows Server 2008則成為Hyper-V的首個虛擬機，稱之為父分區(qū)，負責其他虛擬機(稱為子分區(qū))以及I/O設備的管理。Hyper-V要求CPU必須具備硬件輔助虛擬化，但對MMU硬件輔助虛擬化則是一個增強選項。

　　其實Hypervisor僅實現了CPU的調度和內存的分配，而父分區(qū)控制著I/O設備，它通過物理驅動直接訪問網卡、存儲等。子分區(qū)要訪問I/O設備需要通過子分區(qū)操作系統(tǒng)內的VSC(虛擬化服務客戶端)，對VSC的請求由VMBUS(虛擬機總線)傳遞到父分區(qū)操作系統(tǒng)內的VSP(虛擬化服務提供者)，再由VSP重定向到父分區(qū)內的物理驅動，每種I/O設備均有各自的VSC和VSP配對，如存儲、網絡、視頻和輸入設備等，整個I/O設備訪問過程對于子分區(qū)的操作系統(tǒng)是透明的。其實在子分區(qū)操作系統(tǒng)內，VSC和VMBUS就是作為I/O設備的虛擬驅動，它是子分區(qū)操作系統(tǒng)首次啟動時由Hyper-V提供的集成服務包安裝，這也算是一種半虛擬化的設備，使得虛擬機與物理I/O設備無關。如果子分區(qū)的操作系統(tǒng)沒有安裝Hyper-V集成服務包或者不支持Hyper-V集成服務包(對于這種操作系統(tǒng)，微軟稱之為Unenlightened OS，如未經認證支持的Linux版本和舊的Windows版本)，則這個子分區(qū)只能運行在仿真狀態(tài)。其實微軟所宣稱的啟蒙式(Enlightenment)操作系統(tǒng)，就是支持半虛擬化驅動的操作系統(tǒng)。

　　Hyper-V的Hypervisor是一個非常精簡的軟件層，不包含任何物理驅動，物理服務器的設備驅動均是駐留在父分區(qū)的Windows Server 2008中，驅動程序的安裝和加載方式與傳統(tǒng)Windows系統(tǒng)沒有任何區(qū)別。因此，只要是Windows支持的硬件，也都能被Hyper-V所兼容。

　　(3) XEN的虛擬化架構(如圖3)

XEN的虛擬化架構示意圖

圖3：XEN的虛擬化架構示意圖
　　XEN最初是劍橋大學Xensource的一個開源研究項目，2003年9月發(fā)布了首個版本XEN 1.0，2007年Xensource被Citrix公司收購，開源XEN轉由www.xen.org繼續(xù)推進，該組織成員包括個人和公司(如Citrix、Oracle等)。目前該組織在2011年3月發(fā)布了最新版本XEN 4.1。

　　相對于ESX和Hyper-V來說，XEN支持更廣泛的CPU架構，前兩者只支持CISC的X86/X86_64 CPU架構，XEN除此之外還支持RISC CPU架構，如IA64、ARM等。

　　XEN的Hypervisor是服務器經過BIOS啟動之后載入的首個程序，然后啟動一個具有特定權限的虛擬機，稱之為Domain 0(簡稱Dom 0)。Dom 0的操作系統(tǒng)可以是Linux或Unix，它實現對Hypervisor控制和管理功能。在所承載的虛擬機中，Dom 0是唯一可以直接訪問物理硬件(如存儲和網卡)的虛擬機，它通過本身加載的物理驅動，為其它虛擬機(Domain U，簡稱DomU)提供訪問存儲和網卡的橋梁。

　　XEN支持兩種類型的虛擬機，一類是半虛擬化(PV，Paravirtualization)，另一類是全虛擬化(XEN稱其為HVM，Hardware Virtual Machine)。半虛擬化需要特定內核的操作系統(tǒng)，如基于Linux paravirt_ops(Linux內核的一套編譯選項)框架的Linux內核，而Windows操作系統(tǒng)由于其封閉性則不能被XEN的半虛擬化所支持，XEN的半虛擬化有個特別之處就是不要求CPU具備硬件輔助虛擬化，這非常適用于2007年之前的舊服務器虛擬化改造。全虛擬化支持原生的操作系統(tǒng)，特別是針對Windows這類操作系統(tǒng)，XEN的全虛擬化要求CPU具備硬件輔助虛擬化，它修改的Qemu仿真所有硬件，包括：BIOS、IDE控制器、VGA顯示卡、USB控制器和網卡等。為了提升I/O性能，全虛擬化特別針對磁盤和網卡采用半虛擬化設備來代替仿真設備，這些設備驅動稱之為PV on HVM，為了使PV on HVM有最佳性能。CPU應具備MMU硬件輔助虛擬化。

　　XEN的Hypervisor層非常薄，少于15萬行的代碼量，不包含任何物理設備驅動，這一點與Hyper-V是非常類似的，物理設備的驅動均是駐留在Dom 0中，可以重用現有的Linux設備驅動程序。因此，XEN對硬件兼容性也是非常廣泛的，Linux支持的，它就支持。

　　(4) KVM的虛擬化架構(如圖4)

KVM的虛擬化架構示意圖

圖4：KVM的虛擬化架構示意圖
　　KVM的全稱是Kernel-based Virtual Machine，字面意思是基于內核虛擬機。其最初是由Qumranet公司開發(fā)的一個開源項目，2007年1月首次被整合到Linux 2.6.20核心中；2008年，Qumranet被RedHat所收購，但KVM本身仍是一個開源項目，由RedHat、IBM等廠商支持。KVM作為Linux內核中的一個模塊，與Linux內核一起發(fā)布，至2011年1月的最新版本是kvm-kmod 2.6.37。

　　與XEN類似，KVM支持廣泛的CPU架構，除了X86/X86_64 CPU架構之外，還將會支持大型機(S/390)、小型機(PowerPC、IA64)及ARM等。

　　KVM充分利用了CPU的硬件輔助虛擬化能力，并重用了Linux內核的諸多功能，使得KVM本身是非常瘦小的，KVM的創(chuàng)始者Avi Kivity聲稱KVM模塊僅有約10000行代碼，但我們不能認為KVM的Hypervisor就是這個代碼量，因為從嚴格意義來說，KVM本身并不是Hypervisor，它僅是Linux內核中的一個可裝載模塊，其功能是將Linux內核轉換成一個裸金屬的Hypervisor。這相對于其它裸金屬架構來說，它是非常特別的，有些類似于宿主架構，業(yè)界甚至有人稱其是半裸金屬架構。

　　通過KVM模塊的加載將Linux內核轉變成Hypervisor，KVM在Linux內核的用戶(User)模式和內核(Kernel)模式基礎上增加了客戶(Guest)模式。Linux本身運行于內核模式，主機進程運行于用戶模式，虛擬機則運行于客戶模式，使得轉變后的Linux內核可以將主機進程和虛擬機進行統(tǒng)一的管理和調度，這也是KVM名稱的由來。

　　KVM利用修改的QEMU提供BIOS、顯卡、網絡、磁盤控制器等的仿真，但對于I/O設備(主要指網卡和磁盤控制器)來說，則必然帶來性能低下的問題。因此，KVM也引入了半虛擬化的設備驅動，通過虛擬機操作系統(tǒng)中的虛擬驅動與主機Linux內核中的物理驅動相配合，提供近似原生設備的性能。從此可以看出，KVM支持的物理設備也即是Linux所支持的物理設備。

　　本文所討論的4種虛擬化技術都用到了半虛擬化驅動，若要在不同虛擬化架構之間遷移虛擬機，這些半虛擬化驅動將必然帶來兼容性問題。因此，RedHat和IBM聯合Linux社區(qū)推出VirtIO半虛擬化驅動開發(fā)標準，基于VirtIO的半虛擬化驅動獨立于Hypervisor，跨平臺遷移時半虛擬化驅動仍可重用，使得不同虛擬化架構之間更容易實現互操作。

3.結束語

　　目前，傳統(tǒng)概念下的半虛擬化和全虛擬化的界線越來越模糊了，而且半虛擬化和全虛擬化得到了有機的整合，如半虛擬化的設備驅動和全虛擬化的虛擬機在上述四種虛擬化架構中得到了統(tǒng)一，很多虛擬化廠商也不再明確自己的虛擬化產品歸類(如VMware和微軟)。

　　隨著CPU硬件輔助虛擬化技術發(fā)展到了二代，而且新版的操作系統(tǒng)對虛擬化技術的原生支持(如Windows7的Natively Enlightened，Linux的paravirt_ops內核選項)，以及Hypervisor對虛擬機的CPU調度和內存管理越來越少的干預。則軟件做得越少而硬件做得越多，如虛擬機之間內存管理所需用到的地址翻譯由軟件的影式分頁(Shadow Paging)轉變?yōu)橛蒀PU硬件加速的嵌套分頁(Nested Paging)，各種虛擬化技術既有全虛擬化技術對操作系統(tǒng)的兼容性，又有半虛擬化技術所帶來的性能優(yōu)勢。

　　從架構上來看，各種虛擬化技術沒有明顯的性能差距，穩(wěn)定性也在逐漸逼近中，各自有著自身的優(yōu)勢場景和市場群體。因此，我們在進行虛擬化技術選型時，不應局限于某一種虛擬化技術，而應該有一套綜合管理平臺實現對各種虛擬化技術的兼容并蓄，實現不同技術架構的統(tǒng)一管理及跨技術架構的資源調度，最終達到云計算可運營的目標。

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