主流的四大虛擬化架構(gòu)對比分析

1、主流四大虛擬化架構(gòu)對比分析云計(jì)算平臺需要有資源池為其提供能力輸出，這種能力包括計(jì)算能力、存儲 能力和網(wǎng)絡(luò)能力，為了將這些能力調(diào)度到其所需要的地方， 云計(jì)算平臺還需要對 能力進(jìn)行調(diào)度管理，這些能力均是由虛擬化資源池提供的。云計(jì)算離不開底層的虛擬化技術(shù)支持。維基百科列舉的虛擬化技術(shù)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(shù)是當(dāng)前最為成熟而且應(yīng)用最為廣泛的， 分別是：VMWARE ESX 微軟 的Hyper-V、開源的 XEN 和 KVM 云計(jì)算平臺選用何種虛擬化 技術(shù)將是云計(jì)算建 設(shè)所要面臨的問題，文章就 4 種主流虛擬化技

2、術(shù)的架構(gòu)層面進(jìn)行了對比分析。形成資源池計(jì)算能力的物理設(shè)備，可能有兩種，一種是基于 RISC 的大/小型 機(jī)，另一種是基于 CISC 的 X86 服務(wù)器。大/小型機(jī)通常意味著高性能、高可靠 性和高價(jià)格，而 X86 服務(wù)器與之相比有些差距，但隨著 Inter 和 AM 熒處理器廠 商技術(shù)的不斷發(fā)展，原本只在小型機(jī)上才有的技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)在了 X86 處理器上， 如 64 位技術(shù)、虛擬化技術(shù)、多核心技術(shù)等等，使得 X86 服務(wù)器在性能上突飛猛 進(jìn)。通過 TPC 組織 在2011 年 3 月份所公布的單機(jī)計(jì)算機(jī)性能排名中可以看出，4 路 32 核的 X86 服務(wù)器性能已經(jīng)位列前 10 名，更重要的是 X8

3、6 服務(wù)器的性價(jià)比 相對小型機(jī)有 約 5 倍的優(yōu)勢。因此，選擇 X86 服務(wù)器作為云計(jì)算資源池，更能 凸顯出云計(jì)算的低成本優(yōu)勢。由于單機(jī)計(jì)算機(jī)的處理能力越來越大，以單機(jī)資源為調(diào)度單位的顆粒度就太 大了， 因此需要有一種技術(shù)讓資源的調(diào)度顆粒更細(xì)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(shù)。當(dāng)前虛擬化技術(shù)中主流和成熟的有4 種：VMWARE 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(shù)的架構(gòu)進(jìn)行分析1 虛擬化架構(gòu)分析從虛擬化的實(shí)現(xiàn)方式來看， 虛擬化架構(gòu)主要有兩種形式： 宿主架構(gòu)和裸金屬 架構(gòu)。在宿主架構(gòu)中的虛擬機(jī)作為主機(jī)操作系統(tǒng)的一個(gè)進(jìn)

4、程來調(diào)度和管理，裸金屬架構(gòu)下則不存在主機(jī)操作系統(tǒng)，它是以 Hypervisor 直接運(yùn)行在物理硬件之 上，即使是有類似主機(jī)操作系統(tǒng)的父分區(qū)或Domain 0,也是作為裸金屬架構(gòu)下的虛擬機(jī)存在的。宿主架構(gòu)通常用于個(gè)人 PC 上的虛擬化，如 WindowsVirtual PC，VMware Workstation，Virtual Box ， Qemi 等，而裸金屬架構(gòu)通常用于服務(wù)器的 虛擬化，如文中提及的 4 種虛擬化技術(shù)。（一）ESX 的虛擬化架構(gòu)Unix. KernelVMJwnfL 團(tuán)1 :優(yōu)架枸示竜團(tuán)ESX 是 VMware 的企業(yè)級虛擬化產(chǎn)品，2001 年開始發(fā)布 ESX1.0，至 U

5、2011 年2 月發(fā)布 ESX 4.1 Update 1。ESX 服務(wù)器啟動(dòng)時(shí)， 首先啟動(dòng) Linux Kernel， 通過這個(gè)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(quán)，而該 Linux Kernel 作為 VMkernel 的首 個(gè)虛擬機(jī)，用于承載 ESX 的 serviceConsole，實(shí)現(xiàn)本地的一些管理功能。VMkernel 負(fù)責(zé)為所承載的虛擬機(jī)調(diào)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(jī)對于 CPU 和內(nèi)存資源是通過 VMkernel 直接訪

6、問，最大程度地減少了 開銷，CPU 勺直接訪問得益于 CPU 硬件輔助虛擬化（Intel VT-x 和 AMD AMD-， 第一代虛擬化技術(shù)），內(nèi)存的直接訪問得益于 MMU 內(nèi)存管理單元，屬于 CPU 中的 一項(xiàng)特征）硬件輔助虛擬化（Intel EPT 和 AMD RVI/NPT 第二代虛擬化技術(shù)）。虛擬機(jī)對于 I/O 設(shè)備的訪問則有多種方式，以網(wǎng)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(jī)可以直接訪問硬件設(shè)備，從而減少對CPU 的開銷；二是利用半虛擬化的設(shè)備 VMXNETx 網(wǎng)

7、卡的物理驅(qū)動(dòng)在 VMkernel 中，在虛擬 機(jī)中裝載網(wǎng)卡 的虛擬驅(qū)動(dòng)，通過這二者的配對來訪問網(wǎng)卡，與仿真式網(wǎng)卡（IntelE1OOO）相比有 著較高的效率。半虛擬化設(shè)備的安裝是由虛擬機(jī)中VMware tool 來實(shí)現(xiàn)的，可以在 Windows 虛擬機(jī)的右下角找到它。網(wǎng)卡的這兩種方式，前者有著顯著的先進(jìn) 性，但后者用得更為普遍，因?yàn)?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(cuò)、內(nèi)存過量使用等。ESX 的物理驅(qū)動(dòng)是內(nèi)置在 Hypervisor 中，所有設(shè)備驅(qū)動(dòng)均是由 VMware 預(yù)植 入的。因此，ESX 對硬件有嚴(yán)格的兼容性列表，不

8、在列表中的硬件， ESX 將拒絕 在其上面安裝。（二）Hyper-V 的虛擬化架構(gòu)Hyper- V(Microsoft亠一.團(tuán)2 : HypeV虛擬化架枸示意圖HardwareHyper-V 是微軟新一代的服務(wù)器虛擬化技術(shù)， 首個(gè)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(dú) 立版，如 Hyper-V Server 2008，以命令行界面實(shí)現(xiàn)操作控制，是一個(gè)免費(fèi)的版 本；二是內(nèi)嵌版，如 WindowsServer 2008, Hyper-V 作為一個(gè)可選開啟的角色。對于一臺沒有開啟 Hyper-V 角色的

9、WindowsServer 2008 來說，這個(gè)操作系 統(tǒng)將直接操作硬件設(shè)備，一旦在其中開啟了 Hyper-V 角色，系統(tǒng)會要求重新啟動(dòng) 服務(wù)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(gòu)上看則與之前的完全不同了。在這次重啟動(dòng)過程中，Hyper-V 的 Hypervisor 接管了硬件設(shè)備的控制權(quán)，先前的 WindowsServer 2008 則成為 Hyper-V 的首個(gè)虛擬機(jī)，稱之 為父分區(qū)，負(fù)責(zé)其他虛擬機(jī)（稱為子分區(qū)）以及 I/O 設(shè)備的管理 o Hyper-V 要求 CPU 必須具備硬件輔助虛擬化，但對 MM 硬件輔助虛擬化則是一個(gè)增強(qiáng)選項(xiàng)。其實(shí) Hypervisor 僅實(shí)現(xiàn)了

10、 CPU 的調(diào)度和內(nèi)存的分配，而父分區(qū)控制著 I/O 設(shè)備，它通過物理驅(qū)動(dòng)直接訪問網(wǎng)卡、存儲 等。子分區(qū)要訪問 I/O 設(shè) 備需要通 過子分區(qū)操作系統(tǒng)內(nèi)的 VSC 虛擬化服務(wù)客戶端），對 VSC 的請求由 VMBUS 虛擬機(jī) 總線）傳遞到父分區(qū)操作系統(tǒng)內(nèi)的 VSP 虛擬化服務(wù)提供者），再由 VSP 重定向到 父分區(qū)內(nèi)的物理驅(qū)動(dòng)，每種 I/O 設(shè)備均有各自的 VSC 和 VSP 配對，如存儲、網(wǎng)絡(luò)、視頻和輸入設(shè)備等，整個(gè) I/O 設(shè)備訪問過程對 于子分區(qū)的操作系統(tǒng)是透明的。 其實(shí)在子分區(qū)操作系統(tǒng)內(nèi)，VSC 和 VMBU 就是作為 I/O 設(shè)備的虛擬驅(qū)動(dòng)，它是子 分區(qū)操作系統(tǒng)首次啟動(dòng)時(shí)由Hyper

11、-V 提供的集成 服務(wù)包安裝，這也算是一種半 虛擬化的設(shè)備，使得虛擬機(jī)與物理I/O 設(shè)備無關(guān)。如果子分區(qū)的操作系統(tǒng)沒有安 裝 Hyper-V 集成服務(wù)包或者不支持Hyper-V 集成服務(wù)包（對于這種操作系統(tǒng)，微 軟稱之為 Unenlightened OS，如未經(jīng)認(rèn)證支持的 Linux 版本和舊的 Windows 版 本），則這個(gè)子分區(qū)只能運(yùn)行在仿真狀態(tài)。其實(shí)微軟所宣稱的啟蒙式 （E nl ighte nment）操作系統(tǒng)，就是支持半虛擬化驅(qū)動(dòng)的操作系統(tǒng)。Hyper-V 的 Hypervisor 是一個(gè)非常精簡的軟件層，不包含任何物理驅(qū)動(dòng)， 物理服務(wù)器的設(shè)備驅(qū)動(dòng)均是駐留在父分區(qū)的WindowsS

12、erver 2008 中，驅(qū)動(dòng)程序的安裝和加載方式與傳統(tǒng) Win dows 系統(tǒng)沒有任何區(qū)別。因此，只要是 Win dows 支持的硬件，也都能被 Hyper-V 所兼容。（三）XEN 的虛擬化架構(gòu)_DwnUDomUOwO 19)gm團(tuán)3： XEN的虛擬化架構(gòu)示倉團(tuán)XEN 最初是劍橋大學(xué) Xensource 的一個(gè)開源研究項(xiàng)目，2003 年 9 月發(fā)布了首 個(gè)版本 XEN 1.0，2007 年 Xensource 被 Citrix 公司收購，開源 XEN 專由 繼續(xù)推進(jìn)，該組織成員包括個(gè)人和公司（如 Citrix 、Oracle 等）。目前該組織在 2011年 3 月發(fā)布

13、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(gòu)，前兩者只支持 CISC的 X86/X86_64 CPL 架構(gòu)，XEN 除此之外還支持 RISCCPL 架構(gòu)，女口 IA64、ARM等。XEN 的 Hypervisor 是服務(wù)器經(jīng)過 BIOS 啟動(dòng)之后載入的首個(gè)程序，然后啟動(dòng) 一個(gè)具有特定權(quán)限的虛擬機(jī)，稱之為Domain 0（簡稱 Dom 0）。Dom 0 的操作系統(tǒng)可以是 Linux 或 Unix，Domain0 實(shí)現(xiàn)對 Hypervisor 控制和管理功能。在所承載 的虛擬機(jī)中，Dom0 是唯一可以直接訪問物理硬件（如存儲和網(wǎng)卡）的虛擬

14、機(jī)，它 通過本身加載的物理驅(qū)動(dòng)，為其它虛擬機(jī)（Domain U，簡稱 DomU 提供訪問存儲 和網(wǎng)卡的橋梁。XEN 支持兩種類型的虛擬機(jī)，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(nèi)核的操作系統(tǒng)，如基于 Li nux paravirt_ops（L in ux內(nèi)核的一套編譯選項(xiàng)）框架的 Linux 內(nèi)核， 而 Windows 操作系統(tǒng)由于其圭寸閉性則不能被 XEN 的半虛 擬化所支持，XEN 的半虛擬化有個(gè)特別之處就是不要求 CPU 具備硬件輔助虛擬 化，這非

15、常適用于 2007 年之前的舊服務(wù)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 Qemi 仿真所有硬件，包括：BIOS IDE 控制器、VGA顯示卡、usB 空制器和網(wǎng)卡等。為了提升 I/O 性能，全虛擬化特別針對磁盤和網(wǎng) 卡采用半虛擬化設(shè)備來代替仿真設(shè)備，這些設(shè)備驅(qū)動(dòng)稱之為PV on HVM 為了使PV on HVM 有最佳性能。CPU 應(yīng)具備 MM 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(shè)備驅(qū)動(dòng)，這一點(diǎn)與 Hyper-V 是非

16、常類似的，物理設(shè)備的驅(qū)動(dòng)均是駐留在Dom 0 中,可以重用現(xiàn)有的 Linux 設(shè)備驅(qū)動(dòng)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。(四)KVM 的虛擬化架構(gòu)rwviKVM 的全稱是 Kernel-based Virtual Machine,字面意思是基于內(nèi)核虛擬機(jī)。 其最初是由 Qumranet 公司開發(fā)的一個(gè)開源項(xiàng)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(gè)開 源項(xiàng)目，由 RedHat、IBM 等廠商支持。KVM 乍為 Linux 內(nèi)核中的一個(gè)模塊，

17、與 Linux 內(nèi)核一起發(fā)布，至 2011 年 1 月的最新版本是 kvm-kmod 2.6.37。團(tuán)4： KE的虛摳化架構(gòu)示意團(tuán)與 XEN 類似，KVM 支持廣泛的 CPU 架構(gòu)，除了 X86/X86_64 CPU 架構(gòu)之外，還將會支持大型機(jī)(S/390)、小型機(jī)(PowerPC IA64)及 ARM 等。KVM 充分利用了 CPU 勺硬件輔助虛擬化能力，并重用了 Linux 內(nèi)核的諸多功 能，使得 KVM 本身是非常瘦小的，KVM 勺創(chuàng)始者 Avi Kivity 聲稱 KVM 莫塊僅有 約 10000行代碼，但我們不能認(rèn)為 KVM 的 Hypervisor 就是這個(gè)代碼量，因?yàn)閺?嚴(yán)格意義

18、來說，KVM本身并不是Hypervisor， 它僅是Linux內(nèi)核中的一個(gè)可裝 載模塊， 其功能是將Linux內(nèi)核轉(zhuǎn)換成一個(gè)裸金屬的 Hypervisor。這相對于其 它裸金屬架構(gòu)來說，它是非常特別的，有些類似于宿主架構(gòu)，業(yè)界甚至有人稱其 是半裸金屬架構(gòu)。通過 KVM 模塊的加載將 Linux 內(nèi)核轉(zhuǎn)變成 Hypervisor ，KVM 在 Linux 內(nèi)核的 用戶(User)模式和內(nèi)核(Kernel)模式基礎(chǔ)上 增加了客戶(Guest)模式。Linux 本 身運(yùn)行于內(nèi)核模式，主機(jī)進(jìn)程運(yùn)行于用戶模式，虛擬機(jī)則運(yùn)行于客戶模式，使得 轉(zhuǎn)變后的 Linux內(nèi)核可以將主機(jī) 進(jìn)程和虛擬機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一的管理和

19、調(diào)度，這也是 KVM 名稱的由來。KVM 利用修改的 QEM 提供 BIOS 顯卡、網(wǎng)絡(luò)、磁盤控制器等的仿真，但對 于 I/O設(shè)備(主要指網(wǎng)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(shè)備驅(qū)動(dòng)，通過虛擬機(jī)操作系統(tǒng)中的虛擬驅(qū)動(dòng)與主 機(jī) Linux 內(nèi)核中的物理驅(qū)動(dòng)相配合，提供近似原生設(shè)備的性能。從此可 以看出， KVM 支持的物理設(shè)備也即是 Linux 所支持的物理設(shè)備。本文所討論的 4 種虛擬化技術(shù)都用到了半虛擬化驅(qū)動(dòng)，若要在不同虛擬化架 構(gòu)之間遷移虛擬機(jī)，這些半虛擬化驅(qū)動(dòng)將必然帶來兼容性問題。因此，RedHat 和IBM 聯(lián)合 Linux 社區(qū)推出 VirtIO 半虛擬化驅(qū)動(dòng)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，