IBM PowerVM 虚拟化架构大局观与绿色 ITIBM PowerVM 虚拟化架构大局观与绿色 IT 当今世界，“绿色”已成共识。绿色食品、绿色建筑、绿色设计、绿色经济，人 类社会吹起了阵阵“绿色”旋风。IT 界自然不甘落后，绿色计算应运而生。它 致力于实现高效的 IT 架构，降低能耗，促进信息技术的可持续性发展。在企业 的 IT 支出中，能源消耗所占的比重日益增大，制约着投资回报率，节约成本成 为绿色计算的首要驱动因素。 Gartner 预测， 绿色计算在未来数年内将成为最热 门的技术发展趋势之一。IDC 认为，中国企业在未来 35 年的时间里将迎来绿 色计算和节能建设的新高潮。 IBM 是绿色计算的倡导者和先行者，拥有悠久的环境保护传统，于 2007 年启动 的绿色创新工程 （Project Big Green）， 并提出了改善数据中心能效的五个步骤 ： 诊断（评估现有的能力）、构建（计划和构建高能效的数据中心）、虚拟化（虚 拟化 IT 基础架构）、管理（进行能效控制）和冷却（使用液体冷却资源）。虚 拟化在资源的整合、共享和灵活性方面具有独特的优势，是实现绿色计算的重要 途径。 它包括 服务器虚拟化、 网络虚拟化、 存储虚拟化和软件虚拟化等方面。 IBM 在 POWER 平台上实现了一种企业级的虚拟化架构 PowerVM，它是 IBM UNIX 服务器取得成功的重要因素， 在绿色计算的浪潮中也必将发挥重要的作用。 本文将介绍 IBM PowerVM 的总体架构及其完善的虚拟化特性，并讨论 PowerVM 如何助力绿色计算。 PowerVM 的总体架构 逻 辑分区（LPAR: Logical Partition）是 PowerVM 最基本的概念。Power Hypervisor 直接管理硬件，根据需求将系统划分成若干逻辑分区。每个逻辑分 区相当于一立的机器，不同分区独立运行，互不干扰。PowerVM 实现了如 下完善的虚拟化特性，为各种资源提供了专用和共享模式，实现了性能、资源共 享和灵活性的统一。这些特性可以用于 Power 服务器的各种机型，降低了学习和 管理的成本。PowerVM 可以通过硬件管理控制台（HMC: Hardware Management Console）、集成虚拟化管理器（IVM: Integrated Virtualization Manager）或 者更加高级的 VMControl 进行管理。VMControl 是 IBM Systems Director 中的 插件，可以帮助用户方便地创建需要部署的安装映像，同时便捷地进行部署、调 整以及管理，从而极大地降低了相应的工作量和需要的时间。 处理器虚拟化特性 ： 专用处理器、微分区（Micro-partitioning）、共享处 理器池和同时多线程（SMT: Simultaneous Multi-threading） 内存虚拟化特性：专用内存和动态内存共享（AMS: Active Memory Sharing） 网络设备虚拟化特性：专用网卡、虚拟以太网和主机以太网适配器（HEA: Host Ethernet Adapter） 存储设备虚拟化特性：专用 SCSI 适配器、虚拟 SCSI 适配器和虚拟光纤通 道适配器（NPIV: N_Port ID Virtualization） 动态虚拟化特性 ： 动态逻辑分区（DLPAR: Dynamic Logical Partitioning） 和 动态分区迁移（LPM: Live Partition Mobility） AIX 专有的特性 ： 工作负载分区（WPAR: Workload Partition）和动态应用迁 移（Live Application Mobility） Linux 专有的特性：Lx86，实现了 POWER 架构对 x86 体系下的 Linux 应用程 序的二进制兼容 处理器虚拟化 专 用模式下，处理器必须以个为单位进行分配。即使工作负载只需要 1.1 个处 理器的计算能力，也必须分配 2 个处理器，造成了资源的浪费。微分区，即共享 模式允许将 POWER 处理器的时间片最多分成 100 份来使用， 从而可以用最少的处 理器资源满足上述要求。共享处理器池和微分区配合使用，允许使用微分区在负 载增大时暂时借用其它分区过剩的计算能力。这种特 性对于负载峰值不重叠的 业务非常有效，分区只需要分配正常负载而不是峰值所需要的计算能力。微分区 提高了资源的利用率，却带来的一定的开销，在一定程度上 影响了业务的性能。 对于需要保证稳定性能的应用，建议使用专用处理器模式。两种不同类型的处理 器模式可以同时在一台服务器上的不同分区上使用，用户可以根 据业务负载的 特点选择最佳的组合。 处理器的流水线由于 Cache 不命中等原因一般处于不饱和的状态， 当某个指令流 的执行停滞时， 可以调度执行另外一个指令流， 从而增强整个处理器的处理能力。 POWER 芯片实现了同时多线程 SMT， 每个线程都是操作系统可用于进程调度的独 立单位，即逻辑处理器。 内存虚拟化 动 态内存共享允许多个逻辑分区共享相同的内存，这使得它们所能看到分区内 存总和大于物理内存。由于一段时间内分区的活跃内存仅占总量的一部分，不活 跃的内存 被 Hypervisor 交换到外部存储，从而实现了内存的动态共享。由于增 加了交换的开销， 动态内存共享比较适用于峰值错开， 内存争抢不太频繁的情况。 对于要求稳定性能的应用， 建议使用专用内存。然而，动态内存共享并非性能 差的代名词，当不活跃内存增多且持续较长时间时，某些分区可以获得更多的内 存来提高性能。 因此， 性能和节能 并非鱼和熊掌不可兼得， 微分区技术也是如此。 网络设备虚拟化 PowerVM 的虚拟网络特性包括虚拟以太网、 虚拟以太网适配器和共享以太网适配 器。虚拟以太网基于 IEEE 802.1Q 标准，是由 Hypervisor 实现的。逻辑分区通 过虚拟以太网适配器连接到虚拟网络， 同一机器的不同分区之间可以通过虚拟网 络进行高速安全的通信。如果要跟外部网络进行通信，还需要共 享以太网适配 器。共享以太网适配器是虚拟 I/O 服务器（VIOS: Virtual I/O Server）上的链 路层网桥，将该分区的虚拟以太网适配器 ent1 和物理网卡 ent0 桥接在一起， 把 虚拟以太网和外部以太网连接成一个更大的网络。VIOS 是 Power 服务器上的一 种特殊的逻辑分区，运行定制的 AIX，用于为其它分区提供虚拟的 I/O 资源，是 PowerVM 的一个重要组成部分。 虚拟网络允许用少量的物理网卡满足分区的网 络通信需求，节约硬件成本，但 是不适用于需要跟外部网络进行大量通信的应用。 在这种情况下可以使用专用网 卡或者主机以太网适配器，也称为集成虚拟以太网 （IVE: Integrated Virtual Ethernet）。HEA 是一种高速度和易共享的网络设备，被虚拟成若干逻辑设备， 每个逻辑设备有各自的 MAC 地址，可以分配给任意分区；分区直接通过 HEA 进 行网络通信，从而减少了跟 VIOS 交互所带来的开销。逻辑设备共享网络带宽， 当 某些逻辑设备网络吞吐量较小时，剩余的带宽可供其他逻辑设备使用。和虚拟网 络一样，HEA 也支持逻辑分区之间的直接通信，无需通过外部网络。 存储设备虚拟化 在 专用 SCSI 模式下， 适配器和所连接的所有磁盘必须同时分配给同一个分区。 虚拟 SCSI 技术允许重新分割磁盘资源，以更小的粒度进行存储分配，用少量的 存储资源满足分区的需求，或者用相同存储资源划分出更多的分区。虚拟 SCSI 采用 client/server 模式，包含服务器端和客户端虚拟 SCSI 适配器。服务器端 虚拟 SCSI 适配器由 VIOS 提供，VIOS 上的存储资源被映射到该适配器，可以是 整个物理磁盘、逻辑卷或者文件等等。Power 服务器使用 LRDMA（Logical Remote Direct Memory Access）协议在客户端虚拟 SCSI 适配器缓冲区和 VIOS 的物理适配器之间直接传输数据，提高数据传送的速度。 由于需要通过 VIOS 进行存储映射，因此虚拟 SCSI 存在性能损耗。为了提高 I/O 吞吐量，除了专用的物理 SCSI 适配器外，还可以使用虚拟光纤通道适配器 NPIV。 它是 PowerVM 对 ANSI T11 光纤信道协议的一种实现， 基本架构主要包括 ： NPIV 物理光纤通道适配器、VIOS pass-through 模块、服务器端虚拟光纤通道适 配器和客户端虚拟光纤通道适配器。 和 HEA 类似， NPIV 也是一种硬件实现， 可以 虚拟成多个逻辑设备，每个设备有各自的 WWPN（World Wide Port Name），逻辑 分区通过逻辑设备跟 SAN 进行通信。与虚拟 SCSI 相比，VIOS 只转发 I/O 读写， 不需要复杂的磁盘映射，因此 NPIV 能够提供更高的 I/O 吞吐量。在企业级应 用中，存储局域网络是一种典型的存储系统，NPIV 为这种高端的存储系统提供 了良好的虚拟化。 动态虚拟化 动 态逻辑分区可以在同一台 Power 服务器内部以对物理处理器、虚拟处理器、 内 存、物理/虚拟以太网适配器/SCSI 适配器进行动态添加、删除和分区之间的移 动等操作。这种动态调整在分区运行的时候进行，无需重启系统即可生效。用户 可以根据分区的需求对资源的分配进行动 态调节，使得系统资源得到更加充分 的利用，并且不影响应用或者服务的正常运行，从而更加有效的利用硬件资源来 满足不断变化的业务需求。 动 态分区迁移是 Power 服务器之间的动态资源调整操作， 能够在短短的几秒钟内 把运行中的逻辑分区从一台服务器迁移到另外一台， 同时保证操作系统和各种应 用程序的连续运行，不影响 用户的正常使用。它使得管理员能够把更多数量的 服务器作为流动的资源来考虑， 而不是将每一台服务器看作是完成某一项具体任 务的单一实体，能够提高系统的可 用性，并起到整合和节能的效果。目前该特 性是其它 UNIX 服务器厂商所没有提供的，是 IBM 针对 UNIX 服务器市场的一项 重要举措。 工作负载分区和动态应用迁移 工 作负载分区 WPAR 是 AIX 6.1 的新特性， 允许在单个 AIX 映像中创建多个分区， 运行各自的应用程序。与上述固件级别的虚拟化特性不同，它是在操作系统级别 实现的纯软件形式的虚拟化特性，填补了 PowerVM 在操作系统级别虚拟化技术 的空白。既然有了逻辑分区，为何还需要工作负载分区呢？首先，它是一种粒度 更细的资源控制方式，能够更加充分的划分和利用逻辑分 区的资源；其次，它 需要更少的操作系统映像，降低了资源的占用和维护的成本；还有，它的建立更 加便捷，管理更为简单；最后，它不依赖于硬件，而前述特性则 需要特定硬件 和固件的支持，在老的机器上不能使用，使用 WPAR 有利于保障客户的硬件投资。 当然，工作负载分区也有自身的局限。首先，它所在的机器或者逻辑分区以及 AIX 都是单一故障点，而逻辑分区提供了更好的故障隔离能力 ； 其次，它对资源 分配的控制精度不如逻辑分区；最后，它的安全性和性能也存在缺陷。因此它不 会替代逻 辑分区，而是一种有益的补充。WPAR 适合为特定的工作负载，特别是 临时工作负载，比如测试和开发环境，提供一个快速有效的整合环境。 动 态应用迁移是 WPAR 的一项重要特性，可以将 WPAR 及其应用程序从一个系统 在线地迁移到另一个系统，无需停止该 WPAR。与动态分区迁移类似，动态应用 迁移可以提高应用的不间断服务水平和系统的灵活性，实现负载均衡。动态应用 迁移和动态分区迁移有各自的局限性和应 用场景，在实际应用中，可以结合在 一起使用，取长补短。 Lx86 虚拟 x86