Unix虚拟化研究报告.docx

Unix虚拟化研究报告1959年，在国际信息处理大会上，克里斯托弗(Christopher Strachey)发表大型高速计算机中的时间共享(Time Sharing in Large Fast Computers) 的学术报告，提出虚拟化的概念。虚拟化技术由此萌芽。1963年秋，麻省理工的MAC项目，产生出了Multics技术。Multics（MULTiplexed Information and Computing System）技术，由贝尔实验室、麻省理工学院及美国通用电气公司所共同参与研发的，是一套安装在大型主机上多人多任务的操作系统，以Compatible Time-Sharing System（CTSS）做基础，建置在美国通用电力公司的大型机GE-645。目的是连接1000部终端机，支持300用户同时上线。1964年，科学家 L.W. Comeau和R.J. Creasy于创造性地设计出了一种名为CP-40的新型操作系统，该操作专为 System/360 Mainframe 量身订造的操作系统，实现了虚拟内存和虚拟机。1965年，约克镇IBM研究中心获得一台IBM7044机器。他们为系统的每一部分建立一个7044镜像。每个镜像叫做7044/44X。允许用户在同一台主机上运行多个操作系统，让用户尽可能的充分利用昂贵的大型机资源。这是为了使IBM更好地理解多编程(multiprogrammed)操作系统。这是IBM虚拟机概念的开端。他们认为，虚拟机就是真实机器的副本，只是内存减少了。这也是最早在商业系统上实现的虚拟化。虚拟化技术是伴随着计算机技术的产生发展而出现的，从20世纪50年代虚拟化概念的提出，到虚拟内存、Java虚拟机，直到20世纪60年代IBM在其著名的System 360系统里，第一次将虚拟化平台（Hypervisor）作为一个商业套件出售。从此标志着虚拟化技术发展拉开大幕。虚拟化技术的定义：在计算机中，虚拟化（Virtualization）是一种资源管理技术，是将计算机的各种实体资源，如服务器、网络、内存及存储等，给予抽象、转换后呈现出来，打破实体结构间的不可切割的障碍，使用户可以原有的组态更好的方式来应用这些资源。这些资源的新虚拟部分是不受现有资源的架设方式，地域或物理组态所限制。一般指的虚拟化资源包括计算能力和资料存储。在实际的生产环境中，虚拟化技术主要是用来解决高性能的物理硬件产能过剩和老的旧的硬件产能过低的重组重用，透明化底层物理硬件，从而最大化利用物理硬件。虚拟化技术与多任务以及超线程技术是完全不同的。多任务是指在一个操作系统中多个程序同时一起运行，而在虚拟化技术中，则可以同时运行多个操作系统，而且每一个操作系统中多个程序运行，每一个操作系统都运行在一个虚拟的CPU或者是虚拟主机上；而超线程技术只是单CPU模拟双CPU来平衡程序运行性能，这两个模拟出来的CPU是不能分离的，只能协同工作。、随着硬件技术的不断发展，个人电脑正逐渐普及，曾经为了充分利用昂贵的计算机硬件资源而出现的虚拟化技术一度被人们慢慢地淡忘。直到1970年UNIX系统正式诞生，它的RISC技术的出现使得小型机逐渐发展了起来。随着技术的发展和市场竞争的需要，大型机的技术开始向小型机或者UNIX服务器上移植。尤其是UNIX的诞生，使得虚拟化和分区技术有了新的发展。虚拟化的历史就是从大型机的分区技术、虚拟机和虚拟内存开始的，目的是为了满足人们像提升大型主机利用率需求，将一个大型服务器资源分别提供给生产部门、测试部门、研发部门以及其他部门。UNIX的出现，让很多人看到了它的前途，也让RSIC服务器和小型机成为虚拟化的第二代受益者。有三个厂商在UNIX领域占据优势：HP（HP-UX）、Sun（Solaris，已被Oracle收购）和IBM（AIX）。大多数UNIX用户实际上不太关心BSN还是System V命令等次要因素，而是更关心RAS（可靠性、可用性和可伸缩性）因素、性能、虚拟化和硬件集成。由于在这戏方面比较出色，IBM近几年在UNIX领域很成功。1983年SunOS version1.0发布，支持Sun-1和Sun-2系统。1985年SunOS Version2.0发布，它提供虚拟文件系统（Virtual File System，VFS）和NFS。1987年，AT&T和Sun宣布他们将合作把System V 和 BSD合并为一个基于System V release 4 的版本。SunOS 最初是在1983年基于 BSD 版本开发的。1993年，它改名为Solaris（从 version 5 开始），基于AT&T System V release IV。HP UNIX（HP-UX）的第一版发布与1984年，最初是基于System V release 3，只能在RISC-PA-RISC HP 9000平台上运行。2001年8月，HP发布了HP-UX Virtual Partitions（VPARs），这是要给独立的操作系统实例，在nPartition或物理服务器上运行。真正的虚拟化是在2005年的Integrity虚拟机中引入的，这种技术支持分区拥有操作系统的完整副本和共享资源。1986年IBM首次把AIX移植到RS/6000平台之上，这是业内第一个能够支持商用RISC系统的UNIX操作系统。1999年，IBM在AS/400（现在被称为System i）上第一次推出了新的“逻辑分区”技术和新的高可用性集群解决方案，该技术和方案令平台服务器工作起来如同12个独立的服务器。2001年，IBM发布了AIX 5L，并推出基于POWER处理器的p690服务器系统。这种新型UNIX系统是借助微处理器技术领域的突破成果，有机结合虚拟化这样的大型主机技术而成。特别是，在解决最为复杂的难题时，可以将多台p690服务器连接在一起，构成拥有超过1000个处理器的超级计算机。2002年10月，IBM发布了动态逻辑分区（DLPAR）和AIX 5.2。DLPAR允许在无需重启系统的情况下，将包括处理器、内存和其它组件在内的系统资源分配给独立的分区。这种在不中断运行的情况下进行资源分配的能力不仅令系统管理变得更加轻松，而且因为能够更好地使用资源而帮助降低总拥有成本。之后惠普、Sun公司也跟随IBM在自己的RISC服务器上提供了虚拟化技术，但由于真正使用大型机和小型机的用户还是少数，加上各家产品和技术之间并不兼容，虚拟化技术仍旧不太被公众所关注。为什么要虚拟化？ 虚拟化可以使我们硬件的使用率更高，可以实现一台主机上运行多个操作系统。的确这点不容忽视，但是在虚拟化技术中，这仅仅就是九牛一毛。那么虚拟化就能能为我们解决什么以前解决不了的技术？1、 服务器整合技术：这个技术在没有虚拟化技术之前是很难完成的。因为什么东西都是实际存在的，想把两个工作相对较少的服务器整合到一起是很困难的。然而当有了虚拟化技术之后使这种服务器整合技术变得非常容易。2、 负载均衡技术：负载均衡技术是只在每台服务器上安装一个负载均衡器，然后设置很多的调度算法及临界值。来判断此时此刻服务器的压力是轻还是重。然后根据轻重来完成服务器的合并。3、 动态迁移技术：这个技术是前两个技术的根基，但是去不是仅仅限于前两个技术。它的目的是可以在服务器开启的状态下，把起上面的虚拟机迁移到其他的服务器上面。工作原理大体是先将目标服务器上模拟出此服务器的硬件状态，然后迁移数据，最后释放此服务器的信息。4、 克隆技术：这个技术说起来和上面那个技术很像，但是却不一样。克隆技术是把一台服务器的环境配置好了后可以通过克隆技术是其他的机子都达到和这台机子一样的效果，加入要配置100台甚至1000台服务器的话这种克隆技术是非常可观的。它和动态迁移的区别是在服务器不停机的状态下，动态迁移要求迁移的彼此必须是共享内存的，但是克隆并没有这个限制。5、 灾难恢复技术：灾难恢复是所有大型公司必须考虑的问题，因为当一些意外发生时，比如：突然断电，硬件损坏，洪水，地震，等一系列情况是，如何把才难所造成的数据损失降到最低甚至是不损失。6、 虚拟快照技术：虚拟快照技术是将虚拟机此时的状态像照片一样保存下来，当然我说的很容易，其实现原理需要非常复杂，包括cpu运行状态，内存中的数据等等。这样保存下这些虚拟技术当发生灾难或者某些失误导致虚拟机出问题时，可以很快恢复。7、 改善系统可用性：这里的可用性只得是零down机，在这种情况下我们才可以使得效率最大化。而零down机的前提是每台服务器必须要有一个镜像，在主虚拟机和次虚拟机之间有一条心跳线来维持两者之间的关系，当心跳线停止时，次虚拟机马上立即启动，代替主虚拟机。8、 安全性：我们直到虚拟化在硬件层上都已一层VMM来时时刻刻侦测每台虚拟机的动向，包括捕获异常，解决门事件，完成调度等等。所以当一些危险因素来临时由于VMM的存在使得我们可以非常快的侦测到这个问题并解决它。这能比以前的硬件层上面直接是操作系统快速很多。然而由于大型机价格过于昂贵，相对廉价的X86平台虚拟化技术也就应运而生，就像我们所熟悉的VMware vSphere、Microsoft Hyper-v等。当我们要选用一种虚拟化技术的时候，首先应该选择平台，比如是基于UNIX平台的IBMPowerVM、HP的Virtual Server Environment（VSE）、Sun的xVM等，还是X86平台的VMware Microsoft、Citrix、IBM System x。选定平台之后，我们再去对比同平台下不同虚拟化实现的优劣。由于普通用户缺乏对大型机应用领域如电信、金融和数据中心等领域的了解，导致在选择虚拟化技术的时候常常忽略这些UNIX平台下虚拟化技术的优势，本文就UNIX平台的IBM PowerVM与X86平台下的VMware vSphere做以简单对比分析，是用户从平台开始明确自己选择虚拟化技术依据，从而选择符合自身需求的虚拟化技术。一、 两种平台的虚拟化技术的设计基础PowerVM基于IBM POWER处理器的系统，实现AIX、IBM i、和Linux 环境工业级虚拟化。Power Hypervisor 基于单一系统支持多种操作环境，并继承为系统固件的一部分。相对应的X86平台的虚拟化技术，则是在标准X86硬件架构下开发的虚拟化技术，实现与UNIX平台下虚拟化类似的功能。两种平台虚拟化技术的设计基础不同，VMware vSphere 是只能安装在X86硬件上的第三方软件，利用硬件醋组虚拟化优化。对比之下，Power Systems服务器采用硬件内置组件、固件和操作系统软件来部署虚拟化架构。这种集合式虚拟化架构具有显著不同的能力，并且在许多方面更加先进。二、 IBM PowerVM与VMware vSphere功能与特性比较不同厂商所提供的虚拟化功能大同小异，对于初级虚拟化用户而言，不必在意这些功能的技术细节，而是应该关注评估虚拟化方法的投资回报率（ROT）、整体拥有成本（TCO）、业务的平滑过渡、可持续发展的绿色IT等发面。但对于较为深入的高级虚拟化用户而言，则需要深入了解不同平台下的虚拟化实现技术，充分发挥不同的平台特点。因此本文通过对IBM公司居于UNIX平台的虚拟化技术PowerVM和WMware公司X86平台的vSphere4的特性和性能比较，给这些用户一定的参考价值。1、 单机资源虚拟化能力我们发现，由于PowerVM都有的逻辑分区（LPAR）使得允许每个逻辑分区可以拥有专用或共享的处理器资源。通过共享资源，PowerVM可自动在多个运行系统之间调整处理器池资源，实现了“基于固件”分区，分区隔离度高于基于软件的虚拟化技术。基于固件的逻辑分区（或VM）减少了基于软件虚拟化可能存在的性能瓶颈，便于提高可用性和安全性，而且有助于提高线性扩展能力。而X86平台下的vSphere4为了保持对标准X86平台兼容性，没有对CPU进行“基于固件”的逻辑划分，采取对CPU资源动态调配的方式进行虚拟化。另外PowerVM通过虚拟I/O服务为客户分区提供共享的I/O资源，具有江桥的灵活性和访问效率。2、 虚拟化平台管理工具单一的虚拟化工具比不能给企业带来很高收益，还需要一个实现虚拟化资源统一的管理、虚拟化服务的快速交付、实现IT环境的灵活性可扩展性的统一的虚拟化管理平台。目前主流的管理平台有VMware vCenter、Microsoft的SCVMM、IBM的Systems Director VMControl。首先我们介绍一下IBM的Systems Director VMConrtol，VMControl是一个与IBM SystemsDirector和VMControl Image Manager结合使用的跨平台解决方案，现在可以在POWER7服务器上用它管理虚拟化。可以在共享的存储库中创建随时可以运行的虚拟影像；可以按照惯例LPAR的方式运行这些影像。可以使用一个知识板作为整体管理数据中心资源。VMControl可以自动执行虚拟基础设施管理、提高工作负载弹性（高可用性）和减少虚拟服务器的部署时间。VMControl提供全企业范围的服务器、存储、网络和软件管理平台。对应的VMware vCenter同样是一款跨平台的虚拟化管理平台，支持虚拟资源管理、镜像制作分发、虚拟机动态迁移等等。我们现在重点介绍一下两者的不同。2.1、跨平台性虽然两者都是跨平台型产品，但是VMControl不但支持自家的PowerVM、z/VM还支持VMware ESX Server、XEN Server、Hyper-V，然而VMware vCenter却不支持IBM的虚拟化产品PowerVM。2.2、能源优化功能Active Energy Manager是IBM Systems Director的扩展，可以通过IBM或非IBM（Raritan、Eaton、APC、Rittal和Acocent）电源分配单元（Power Distribution Unit，PDU）支持来监控IBM存储系统和非IBM平台。Active Energy Manager 可以从选定设备供应商处收集信息，包括来自Emerson Network Power的Liebert SiteScan、Schneider Electric、Easton Corporation 和Emerson Network Power。通过测量、监控和管理IBM Systems中内置的能源组件，实现跨平台管理解决方案。Active Energy Manager扩展能源管理的范围，将非IBM服务器和设备提供商半酣在内从而提供数据中心内能耗的更完整视图。总结，从管理平台角度分析，Systems