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1、IBM 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
2、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
3、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）
4、、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 Shar
5、ing） 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 Mobil
6、ity） 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
7、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
8、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
9、，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
10、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
11、 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
12、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
13、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
14、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
15、，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
16、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 Linux 环境PowerVM Lx86 支持在 Power 平台上直接运行
