云计算支撑技术：英特尔硬件虚拟化盘点

ZDNet至顶网服务器频道 12月12日 评论（文/Uma）：从上个世纪80年代开始，我们便为软件、硬件系统的可扩展性伤透了脑筋。数量繁多的硬件种类、软件平台，使得我们不得不进行多种系统之间的移植工作；而后来随着网络技术的发展和PC的发展，我们对本地计算处理速度和轻便性的要求也越来越高。在诸多可解决我们应用矛盾的技术中，云计算是目前最直接、最理想化的技术之一。云计算是虚拟化、公用计算、IaaS，PaaS、SaaS等概念混合演进并跃升的结果，而虚拟化则是云计算的技术基础。

虚拟化技术可以扩大硬件的容量，简化软件的重新配置过程。CPU的虚拟化技术可以单CPU模拟多CPU并行，允许一个平台同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。这项技术在传统的大型机和Unix系统上早已普及，但由于桌面CPU大都使用的是X86架构，决定了在其之上使用硬件级虚拟化技术的难度。英特尔公司可谓是创造先河，将该技术运用到了桌面级产品上，用以提高CPU的性能和降低系统组建开销，这也符合英特尔目前的策略，即不再一味追求CPU的速度，而将焦点集中在CPU的效率上。

英特尔自2005年末开始便在其处理器产品线中推广应用Intel Virtualization Technology(Intel VT)虚拟化技术。VT虚拟化技术，通过一系列对英特尔处理器、芯片组以及支持核心平台架构的硬件辅助虚拟化功能的I/O设备的升级，解决了不断增长的虚拟化需求。

具体来说，英特尔虚拟化技术Intel VT由VT-x、VT-d、VT-c三大部分组成，包括针对IA-32体系架构处理器的VT-x技术、针对芯片组的VT-d技术以及针对网络的VT-c技术，另还有面向安腾处理器的VT-i虚拟化技术。VT-x是公认最好的指令集，向Intel多个型号的处理器中增加了迁移、优先级和内存管理能力。相对而言，VT-d指令集改善了Intel芯片对虚拟化的支持能力，允许芯片组可以完成向特定虚拟机中分配某些特定的I/O设备资源。VT-c引入了对某些I/O设备，如网络交换机的虚拟化支持。内存的控制和管理在基于硬件的虚拟化过程中扮演了举足轻重的作用。Intel VT-x指令集消除了基于软件的资源分配方式时需要VMM干预所带来的影响。而且在Extended Page Tables中加入了内存管理功能，而这个功能是不同的虚拟机之间完成处理器资源控制权转移时所必须的。

VT-x：

VT-x技术可减少VMM（虚拟机监控程序）的干预，提高基于软件的虚拟化方案的灵活性与稳定性，在需要VMM干预时，实现更加快速、可靠和安全的切换。此外，英特尔VT-x还为VMM与客户操作系统之间的传输平台控制提供了有力的硬件平台支持。英特尔VT-x技术包括英特尔虚拟化灵活性迁移技术(Intel VT FlexMigration)、英特尔VT FlexPriority、英特尔VT扩展页表(Extended Page Tables)。

英特尔VT FlexPriority 可创建 TPR（专用寄存器）的一个虚拟副本，减少处理器不必要的中断次数，从而显著提升效率。此外，该虚拟副本还可由客户操作系统进行更改。

英特尔虚拟化灵活迁移技术(Intel VT FlexMigration)可实现基于英特尔处理器的当前服务器与未来服务器之间的无缝迁移，即使新的系统可能包括增强的指令集也不例外。从而使管理程序能够在迁移池内的所有服务器中建立一套一致的指令，实现工作负载的无缝迁移。生成可在多代硬件中无缝运行的灵活统一的服务器资源池。

众所周知，在线运营基础设施的维护与运营投入一直是运营商十分关心的问题。国内某知名信息技术有限公司在接受采访时表示，曾经由于硬件故障导致运营服务器宕机，从而使在线用户长时间无响应。而同一个应用系统中承载用户过多，也增大了可靠性的风险。

在采用了基于虚拟化2.0的英特尔虚拟化技术之后，该公司技术总监表示，失效转移全过程均可完全自动，无需人工干预。VT-x技术使得硬件失效后的切换时间大大缩短，仅为90~120秒，提升了响应速度并进而降低了整体投资成本。

VT-d：

英特尔VT-d 通过减少 VMM 参与管理I/O流量的需求，消除了大部分的性能开销，从而加速数据传输。

VT-d支持由两个主要类别的软件所组成的虚拟机架构：

• 虚拟机管理器（Virtual-Machine Monitor，VMM）：虚拟机管理器就像是一个主机，全面控制着处理器和其他平台硬件。虚拟机管理器体现为客户软件和一个虚拟处理器，允许直接在逻辑处理器上执行。虚拟机管理器能够保留对处理器资源、物理内存、中断管理和I/O的选择性控制。

• 客户软件：每个虚拟机就是一个客户软件环境，支持由一个操作系统和应用软件组成的栈。每个虚拟机独立于其他虚拟机运行，对物理平台所提供的处理器、内存、存储、线卡和I/O使用相同的界面。这个软件栈就好像运行在一个没有虚拟机管理器的平台上。运行在虚拟机中的软件必须以降低的权限运行，这样虚拟机管理器就可以保留对平台资源的控制权。

随着业务量的增长和有限IT预算压力的增大，企业都希望能找到合适的解决方案，以有效管理大量的硬件服务器并使其资源得到充分利用。上海盛大网络发展有限公司选择采用基于英特尔虚拟化技术的虚拟化解决方案，其服务器资源利用率得到大幅度提升，从而令传奇世界游戏服务器在虚拟化环境下可支持原有1.21倍的并发用户。虚拟化环境消耗功耗仅为传统环境的23.5%，还节约了大量的人工服务器维护成本。

盛大平台运营部技术保障中心相关人士在接受采访时表示：“基于英特尔至强处理器和英特尔虚拟化技术搭建的虚拟化解决方案，可以满足传奇世界一个独立游戏区的性能和功能的要求，不但比传统方式支持更高的同时在线用户数，而且能够大大减少服务器运营所需的电能消耗。”

VT-c：

在集群和数据中心环境中，每台服务器通常同时运行大量的虚拟机。由于服务器的网络设备数目有限，多个虚拟机不得不复用同一个网络设备，从而导致性能下降。VT-c 包括两项技术来优化网络性能：

虚拟机设备队列(Virtual Machine Device Queues，VMDq)。如果以太网控制器支持VMDq技术，VMM 可以为虚拟机使用不同的数据包队列，以太网控制器自动分类数据包并投放到相应的队列中，大大减轻VMM的负担，提高了I/O吞吐量。

虚拟机直接连接(Virtual Machine Direct Connect，VMDc)。通俗地说，支持该技术的网络设备能够对外展现出多个虚拟功能接口。每个功能接口相当于一个网络设备，VMM可将其直接分配给虚拟机，从而“避免”了网络设备的复用。

在虚拟化的使用中，虚拟机管理器是平台基础架构的一个关键组成部分。VT技术可以通过编程界面虚拟化处理器硬件来提高虚拟化基础架构软件的可靠性和可支持性，还为平台中其他硬件组件的额外虚拟化支持奠定了基础。

英特尔VT虚拟化技术给人们带来了惊喜，它让我们可在硬件级别上完成计算机的虚拟化工作，这让更多的用户都能涉足到新技术的应用，大大提高了用户使用CPU的效率。可以看出，硬件级别的虚拟化技术将是未来计算机发展的方向。