雲計算支撐技術：英特爾硬體虛擬化盤點

從上個世紀80年代開始，我們便為軟體、硬體系統的可擴充性傷透了腦筋。 數量繁多的硬體種類、軟體平臺，使得我們不得不進行多種系統之間的移植工作；而後來隨著網路技術的發展和PC的發展，我們對本地計算處理速度和輕便性的要求也越來越高。 在諸多可解決我們應用矛盾的技術中，雲計算是目前最直接、最理想化的技術之一。 雲計算是虛擬化、公用計算、IaaS，PaaS、SaaS等概念混合演進並躍升的結果，而虛擬化則是雲計算的技術基礎。

虛擬化技術可以擴大硬體的容量，簡化軟體的重新配置過程。 CPU的虛擬化技術可以單CPU類比多CPU並行，允許一個平臺同時運行多個作業系統，並且應用程式都可以在相互獨立的空間內運行而互不影響，從而顯著提高電腦的工作效率。 這項技術在傳統的大型機和Unix系統上早已普及，但由於桌面CPU大都使用的是X86架構，決定了在其之上使用硬體級虛擬化技術的難度。 英特爾公司可謂是創造先河，將該技術運用到了桌面級產品上，用以提高CPU的性能和降低系統組建開銷，這也符合英特爾目前的策略，即不再一味追求CPU的速度，而將焦點集中在CPU的效率上。

英特爾自2005年末開始便在其處理器產品線中推廣應用Intel Virtualization Technology(Intel VT)虛擬化技術。 VT虛擬化技術，通過一系列對英特爾處理器、晶片組以及支援核心平臺架構的硬體輔助虛擬化功能的I/O設備的升級，解決了不斷增長的虛擬化需求。

具體來說，英特爾虛擬化技術Intel VT由VT-x、VT-d、VT-c三大部分組成，包括針對IA-32體系架構處理器的VT-x技術、針對晶片組的VT-d技術以及針對網路的VT-c技術， 另還有面向安騰處理器的VT-i虛擬化技術。 VT-x是公認最好的指令集，向Intel多個型號的處理器中增加了遷移、優先順序和記憶體管理能力。 相對而言，VT-d指令集改善了Intel晶片對虛擬化的支援能力，允許晶片組可以完成向特定虛擬機器中分配某些特定的I/O設備資源。 VT-c引入了對某些I/O設備，如網路交換器的虛擬化支援。 記憶體的控制和管理在基於硬體的虛擬化過程中扮演了舉足輕重的作用。 Intel VT-x指令集消除了基於軟體的資源配置方式時需要VMM干預所帶來的影響。 而且在Extended Page Tables中加入了記憶體管理功能，而這個功能是不同的虛擬機器之間完成處理器資源控制權轉移時所必須的。

VT-x：

VT-x技術可減少VMM（虛擬機器監控程式）的干預，提高基於軟體的虛擬化方案的靈活性與穩定性，在需要VMM干預時，實現更加快速、可靠和安全的切換。 此外，英特爾VT-x還為VMM與客戶作業系統之間的傳輸平臺控制提供了有力的硬體平臺支援。 英特爾VT-x技術包括英特爾虛擬化靈活性遷移技術(Intel VT FlexMigration)、英特爾VT FlexPriority、英特爾VT擴展頁表(Extended Page Tables)。

英特爾VT FlexPriority 可創建 TPR（專用寄存器）的一個虛擬副本，減少處理器不必要的中斷次數，從而顯著提升效率。 此外，該虛擬副本還可由客戶作業系統進行更改。

英特爾虛擬化靈活遷移技術(Intel VT FlexMigration)可實現基於英特爾處理器的當前伺服器與未來伺服器之間的無縫遷移，即使新的系統可能包括增強的指令集也不例外。 從而使管理程式能夠在遷移池內的所有伺服器中建立一套一致的指令，實現工作負載的無縫遷移。 生成可在多代硬體中無縫運行的靈活統一的伺服器資源池。

眾所周知，線上運營基礎設施的維護與運營投入一直是運營商十分關心的問題。 國內某知名資訊技術有限公司在接受採訪時表示，曾經由於硬體故障導致運營伺服器宕機，從而使線上使用者長時間無回應。 而同一個應用系統中承載使用者過多，也增大了可靠性的風險。

在採用了基於虛擬化2.0的英特爾虛擬化技術之後，該公司技術總監表示，失效轉移全過程均可完全自動，無需人工干預。 VT-x技術使得硬體失效後的切換時間大大縮短，僅為90~120秒，提升了回應速度並進而降低了整體投資成本。

VT-d：

英特爾VT-d 通過減少 VMM 參與管理I/O流量的需求，消除了大部分的性能開銷，從而加速資料傳輸。

VT-d支援由兩個主要類別的軟體所組成的虛擬機器架構：

• 虛擬機器管理器（Virtual-Machine Monitor，VMM）：虛擬機器管理器就像是一個主機，全面控制著處理器和其他平臺硬體。 虛擬機器管理器體現為客戶軟體和一個虛擬處理器，允許直接在邏輯處理器上執行。 虛擬機器管理器能夠保留對處理器資源、實體記憶體、中斷管理和I/O的選擇性控制。

• 客戶軟體：每個虛擬機器就是一個客戶軟體環境，支援由一個作業系統和應用軟體組成的棧。 每個虛擬機器獨立于其他虛擬機器運行，對物理平臺所提供的處理器、記憶體、存儲、線卡和I/O使用相同的介面。 這個軟體棧就好像運行在一個沒有虛擬機器管理器的平臺上。 運行在虛擬機器中的軟體必須以降低的許可權運行，這樣虛擬機器管理器就可以保留對平臺資源的控制權。

隨著業務量的增長和有限IT預算壓力的增大，企業都希望能找到合適的解決方案，以有效管理大量的硬體伺服器並使其資源得到充分利用。 上海盛大網路發展有限公司選擇採用基於英特爾虛擬化技術的虛擬化解決方案，其伺服器資源利用率得到大幅度提升，從而令傳奇世界遊戲伺服器在虛擬化環境下可支援原有1.21倍的併發使用者。 虛擬化環境消耗功耗僅為傳統環境的23.5%，還節約了大量的人工伺服器維護成本。

盛大平臺運營部技術保證中心相關人士在接受採訪時表示：「基於英特爾至強處理器和英特爾虛擬化技術搭建的虛擬化解決方案，可以滿足傳奇世界一個獨立遊戲區的性能和功能的要求，不但比傳統方式支援更高的同時線上使用者數， 而且能夠大大減少伺服器運營所需的電能消耗。 」

VT-c：

在集群和資料中心環境中，每台伺服器通常同時運行大量的虛擬機器。 由於伺服器的網路設備數目有限，多個虛擬機器不得不復用同一個網路設備，從而導致性能下降。 VT-c 包括兩項技術來優化網路性能：

虛擬機器設備佇列(Virtual Machine Device Queues，VMDq)。 如果乙太網控制器支援VMDq技術，VMM 可以為虛擬機器使用不同的資料包佇列，乙太網控制器自動分類資料包並投放到相應的佇列中，大大減輕VMM的負擔，提高了I/O輸送量。

虛擬機器直接連接(Virtual Machine Direct Connect，VMDc)。 通俗地說，支援該技術的網路設備能夠對外展現出多個虛擬功能介面。 每個功能介面相當於一個網路設備，VMM可將其直接分配給虛擬機器，從而「避免」了網路設備的複用。

在虛擬化的使用中，虛擬機器管理器是平臺基礎架構的一個關鍵組成部分。 VT技術可以通過程式設計介面虛擬化處理器硬體來提高虛擬化基礎架構軟體的可靠性和可支援性，還為平臺中其他硬體元件的額外虛擬化支援奠定了基礎。

英特爾VT虛擬化技術給人們帶來了驚喜，它讓我們可在硬體級別上完成電腦的虛擬化工作，這讓更多的使用者都能涉足到新技術的應用，大大提高了使用者使用CPU的效率。 可以看出，硬體級別的虛擬化技術將是未來電腦發展的方向。