Luca Bert,LSI公司知名存儲技術專家

什么是服務器虛擬化，我們為什么要采用服務器虛擬化技術？

虛擬化技術旨在降低總擁有成本 (TCO) 的同時提高服務器部署與管理效率。從整體角度上看，服務器虛擬化分兩個階段進行，首先是整合服務器，其次是提高使用效率。

在整合階段，該技術主要解決服務器利用率普遍偏低的問題（2007 年初，IDC 研究發現，一般可接受的平均利用率僅為7%）。但我們卻要支付服務器的全部費用，整體加以部署，而且服務器整體要消耗大量電力。解決上述問題首先也是最簡單的方法就是將運行在不同服務器上的各種操作系統與應用整合在單個平臺上，這樣做的主要好處是能夠大幅降低采購成本（即資本支出），同時還有助于降低功耗。

在第二階段，我們更注重的是提高服務器的使用效率。利用多個虛擬化服務器來動態管理資源，在服務器之間移動虛擬機，并對停機時間、升級和維護工作進行透明化的計劃安排，以及自動實現故障轉移。本階段主要側重于降低平臺的管理成本與運營支出。目前，軟硬件也正在向虛擬化這一發展方向上齊頭并進：首先，根據標準硬件進行實施，通過二進制補丁等軟件技術創建虛擬層。隨后,硬件通過添加 Intel VT-x 與 VT-i以及AMD-V 等虛擬技術，有助于從每個客操作系統 (Guest OS) 中抽象出(abstract) CPU 和存儲器。

接下來，我們還是先通過軟件方式將系統管理程序基礎架構從二進制補丁轉移到仿真和半虛擬化中來提高系統管理程序的效率，并降低系統開銷。

最后，就是將虛擬環境從GB級降到數十MB的水平，從而減小軟件對資源的開銷。

被遺忘的 I/O

由于最初側重點主要放在軟件基礎架構上，因此所有努力都是為了解決 CPU 和存儲器領域常見的軟件瓶頸問題。

一直以來，我們把 I/O 作為大眾產品資源，系統管理程序從操作系統（客操作系統 (GOS)）中抽象出 I/O，好像每個客操作系統都擁有全部 I/O 一樣。事實上，這種解決方案現在仍能正常工作，尤其是在最近仿真和半虛擬化技術取得長足發展的情況下，上述解決方案依然適用。

不過，這種解決方案的問題在于，I/O 硬件仍然是單一的元素，有著其內在的局限性，受系統管理程序的影響，只能為單個操作系統服務，而不能滿足一系列虛擬 GOS 的要求。由于 I/O 和 GOS 之間缺乏相互了解，因此簡化了部署工作（OS 和 I/O 彼此不了解，毋需對其進行修改），但這會影響效率，且存在安全隱患問題。

系統管理程序是最基本的管理機制，GOS 的每個 I/O 請求都要經系統管理程序處理。系統管理程序可提供抽象服務 (abstraction service)、處理 GOS 隊列、中斷服務并處理異常情況等。

從積極方面來說，目前這種模型為改進 I/O 和存儲功能提供了新的機遇。最直接、最簡單的例子就是，系統管理程序可通過作為集合點的內部文件系統（例如 VMware 中的 VMFS）來虛擬化軟件層上的所有存儲空間，然后根據需要將軟件重新分配給各個客操作系統。

這種方法提供了一些此前只有 SAN 才具備的特性：我們可以對存儲空間進行精簡配置，創建快照，并通過存儲池或其他技術抽象存儲空間。我們不需要將一系列服務器連接到 SAN，而是從系統管理程序文件系統連接到 GOS 存儲系統，而且存儲系統位于物理盒子內。

不過，這種方法也存在一些局限性：

• 性能：如今不能用非虛擬化服務器的常規指標（如MB/秒或 IO/秒）來衡量虛擬化服務器的性能。這是因為系統管理程序同時用系統 CPU 來處理抽象工作（這樣減少了生產力應用的 CPU 資源占用），且數據在提交給發出請求的 GOS 之前必須進行轉換。這就導致每個 GOS 都會面臨較長的時延，從而降低 GOS 的工作效率。對通過快速反應時間來提高效率的事務處理型應用而言，這種影響尤其突出。
• 安全性：由于所有數據都整合到了系統管理程序中，因此數據安全性完全取決于系統管理程序。一旦系統管理程序出現故障，或者操作人員管理失誤，抑或遭到病毒攻擊等，運行在該平臺上的所有數據和 OS／應用，無一幸免都會受到影響。系統管理程序只能通過系統管理程序軟件來確保其安全性。盡管一些應用可以接受這種安全級別，但很多應用仍然需要更高的安全機制。
• 服務質量 (QoS)：服務質量也取決于系統管理程序，也就是說，需要運行更多代碼來確保 QoS（從而占用系統資源），而且代碼的功能也僅限于系統管理程序的功能。由于 I/O 不了解虛擬化，因此在 I/O 控制器層調解虛擬化 QoS 是不可能的，這就遠不能實現最佳實施技術。

此外，虛擬化技術還能為 DAS RAID 控制器提供類似于 SAN 的優勢，盡管這些控制器并不了解虛擬層。其中最明顯的優勢就是存儲整合，這也是先前基于 SAN 的 RAID 技術最為顯著的優勢之一。出于對性能和可靠性方面的考慮，用戶往往不得不對非虛擬化服務器的配置過量存儲空間，而這通常會導致資源浪費及部署成本的提高。虛擬化服務器的配置與 SAN 一樣，可以根據需要將存儲空間整合起來，然后通過創建 LUN 并將其分配給每個 GOS（或分配至系統管理程序自己的文件系統），最后并利用各種常見的 SAN 技術來實現配置。

最后要提的一點是，I/O（尤其是 DAS 存儲 I/O）具有平臺本地化特性。雖然可將存儲空間抽象至運行在本服務器上的 GOS，但卻不能將其抽象至另一個服務器上的 GOS，因為找不到有效的通信路徑，而且如果服務器發生故障時所有本地存儲設備都會發生故障，不能再滿足其他服務器的要求。因此，VM 移動技術的當前實施方案要求存儲設備必須與 SAN 相連。

不過，產生這種不足的原因在于，我們在服務器虛擬化的第一階段完全致力于 CPU 和存儲器的管理問題，而要讓系統管理程序在沒有硬件的支持下來解決抽象問題。

附注：隨著虛擬化技術的不斷普及，I/O 虛擬化的重要性也不斷提高。在此情況下，新技術開始涌現，有望打破虛擬系統中I/O的局限性，同時保留所有技術優勢。本領域最有前景的技術就是 Single-Root IO 虛擬化 (SrIOV) 和 Multi-Root IO 虛擬化 (MrIOV) 技術。我們將在下篇文章中對其加以探討。