虚拟技术：种子源于主机 “开花”却在X86

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虚拟技术：种子源于主机 “开花”却在X86

发表时间：2007-11-22 16:32:42.0 作者：郭雪梅

在目前的x86服务器上，虚拟化技术已经成为或者即将成为潮流。但从整个IT业界的发展来看，虚拟化技术的历史远远超过了x86虚拟化技术的9年。早在上世纪60年代，美国的计算机学术界就开始了虚拟技术的萌芽。1959年6月在国际信息处理大会上，克里斯托弗的一篇《计算机分时应用》的论文，被认为是虚拟化技术的最早论述。

今天，虚拟化技术已经出现在了很多首席信息官（CIO）的预定任务中。在一次第三方调查当中，75％的CIO都同意虚拟化技术是目前的一项投资重点，因为他们已经开始注重减少他们的服务器的数量以减少能源使用、降低成本。甚至于，虚拟化技术目前正在走向主流技术市场并且已经逐步成为数据中心环境的标准组成部分。

为什么需要虚拟化
实际上，虚拟化技术的初衷就是为了实现更高的设备利用率，使用户能够尽可能地利用系统资源。也就是说，如果你能够在单个服务器上虚拟多个系统，就能够以少数几台计算机完成所有工作，这显然能够节省耗电、空间、冷却和管理开支。考虑到确定服务器利用状况的困难，虚拟化技术需要支持动态迁移(Live Migration)。动态迁移允许操作系统能够迁移到另一台全新的服务器上，从而减少当前主机的负载。

有这样一句话，叫做“更多虚拟，更少管理（Virtualize more, manage less）”。IBM将虚拟定义为不受物理限制的资源逻辑表达。更简单地说，IBM将虚拟诠释为可以将一个物理设备作为很多虚拟资源（分区）来使用，或者令多个异构资源的行为看起来就如同是一个大的资产（集合）。

正是由于虚拟化技术能够降低TCO（总拥有成本），提高资源的利用率和应用上的灵活性，虚拟化技术后来也在UNIX服务器、小型机上得到了应用。可以说，经过多年的发展，虚拟化技术在高端产品上的应用日臻成熟。不过，由于真正使用大型机和小型机的用户毕竟还是少数，加上各家产品和技术之间并不兼容，致使虚拟化曲高和寡。

服务器虚拟化溯源
尽管目前的虚拟化技术热潮是由于该技术在x86服务器上的迅速普及引发的，但虚拟化技术的最初来源却不在x86架构上，而是大型主机。最早使用虚拟化技术的是IBM 7044计算机，IBM之后在上世纪60年代还开发了型号为Model 67的System/360主机。Model 67主机通过虚拟机监视器(Virtual Machine Monitor)虚拟所有的硬件接口。在早期的计算中, 操作系统被称做Supervisor，能够运行在其它操作系统之上的操作系统被称做hypervisor。其中，VMM直接运行在底层硬件上, 允许执行多个虚拟机(VM)，每一个VM运行自己的操作系统实例（CMS，Conversational Monitor System)。随后，VM继续发展。今天，你能够在System z9主机上发现VM, 它甚至能够向后兼容到System/360。

由于虚拟化技术技术在商业应用上的优势，RISC服务器与小型机成为了虚拟化技术第二波受益者。1999年，IBM公司在AS/400上提出了上“逻辑分区（LPAR）”技术和新的高可用性集群解决方案。在POWER管理程序上运行的AS/400 LPAR令单台服务器工作起来如同12个独立的服务器。而在2002年，IBM还更进一步，其AIX5L v5.2还首次包括了IBM实现的动态逻辑分区（DLPAR）。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。

不过，尽管惠普、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。目前，主要的UNIX厂商均支持64路SMP的虚拟。并且普遍能实现1/X量级CPU的微调，例如IBM宣称可以实现1/100 CPU量级的调整，惠普则可以实现1/20量级的调整。在应用上，UNIX上的虚拟化也非常成熟，IBM的客户订购的System i5 595中有82%具备逻辑分区功能，IBM客户管理的分区总数超过45000个。在中国，甚至有用户在一台System p系列服务器上运行了9个逻辑分区。

而现在，虚拟化技术的发展已经惠及到了x86架构。此前，虚拟化技术在x86架构上进展缓慢的主要原因有二：x86架构本身不适合进行虚拟化，这个障碍已经由英特尔、AMD修改x86处理器的指令集得到解决；另一个原因则是x86处理器的性能不足，也由于x86处理器在性能上的飞速提高得到了解决。由于x86架构的广泛普及，x86架构上的虚拟化技术也得到了比以前多得多的关注。

不过，与已经有多年历史的UNIX服务器、大型主机上的虚拟化技术相比，x86服务器上的虚拟化仍旧处于早期阶段--根据英特尔的蓝图，在处理器当中集成硬件辅助虚拟化指令只是IA平台上的第一步，而在第二步则要实现I/O方面的虚拟化，直到最后实现整个IA平台的虚拟化。也就是说，目起的x86平台上，目前仅仅能够实现在处理器级别的虚拟化，在I/O以及其他方面的虚拟化还需要进一步的发展。不仅如此，x86架构上的虚拟化技术还无法完美实现虚拟分区之间动态迁移，而这些在UNIX平台、大型主机上早已不是问题。IBM公司最近发布的POWER6处理器甚至还提供了Live Partition Mobility功能，允许实现活动分区的在线迁移。目前，x86架构上的虚拟化技术的最高规划是支持8路SMP系统，可以实现对单个CPU资源的配置。

浅析存储虚拟化
相对于在服务器虚拟化技术在规范上的相对成熟，存储虚拟化技术在这方面的进展相对缓慢。按照定义，存储虚拟化可以分为三种层次：在主机层面进行存储虚拟化；在网络层次进行存储虚拟化；在设备层面进行存储虚拟化。三种技术都有相应的厂商的支持，也都有不少的用户。比较而言，IBM在存储虚拟化方面所占据的市场份额更大，在技术实现上也更早。根据IDC的估计，虚拟存储市场在2005年年底的数据容量为28.1PB，而IBM管理着大约15PB的数据。

早就1978年，IBM就获得了RAID（冗余独立磁盘阵列）概念的专利。作为一种存储虚拟形式，RAID首先将物理设备组合为池，然后从这一池中“切割”出一组虚拟逻辑单元（LUN）并将其提供给主机。通过使用镜像和奇偶性，这些逻辑单元第一次拥有了比底层物理磁盘驱动器更高的可用性。虽然直到1988年IBM与加利福尼亚州立大学伯克利分校的研究人员携手之后才开发出一个实用的版本，但这一专利技术却是第一次将虚拟化的概念引入到了存储之中。

在2003年5月，IBM推出可提供数据块级存储虚拟的SAN卷控制器（SAN Volume Controller），在业界第一次允许客户拥有一个对其存储基础架构进行管理的控制界面。在2004年10月，IBM推出了拥有逻辑分区（LPAR）功能的DS8000。通过使用IBM POWER5微处理器和IBM虚拟引擎技术，DS8000在实现高性能的同时，降低了多种业务应用的成本。利用IBM虚拟引擎技术，DS8000系列中的某些型号既可作为单一的大型存储系统使用，也可作为拥有逻辑分区（LPAR）功能的多个存储系统。通过使用LPAR，客户可以选择更高效地使用计算机资源以及降低对关键数据中心的空间、功耗和散热需求。另外，IBM还宣布自己的虚拟软件可以管理所有的EMC磁盘阵列。

小结
实际上，不论是刚刚谈的服务器虚拟化，还是存储虚拟化，甚至网络虚拟化、数据虚拟化等等，都只是部件级的虚拟化。虚拟化技术的未来应当是将整个数据中心虚拟化，使用户能够获得一个随需应变数据中心。

IBM早在40多年前就率先在大型主机上使用了虚拟技术，并在此后在自己的系统和软件中注入了各种虚拟技术，实现不同服务器、软件、存储和网络的自动管理和优化。IBM虚拟技术和自动化技术的结合帮助减少了支持IT运行所需的人员数量。今天，IBM可以将客户数据中心中超过80%的部分实现虚拟。为进一步发挥虚拟的威力，IBM正在创建包括所有物理和虚拟系统的集成管理视图。IBM早在5年前最先推出具有自管理功能的自动化技术，并为市场提供了一系列最成熟的自动化功能，包括在超过75种软件、硬件和服务产品中提供了500多种不同的虚拟功能，可以自动检测各种系统、事务处理、工作流或业务流程何时处于运行不正常的状态，并在不影响系统其它部分的情况下采取纠正措施。这些功能已经远远超出了系统管理软件的范畴并包括了芯片技术。具有"智能搜索"特性的软件和软件工具可以寻找和清除各种故障，自主管理像Blue Gene超级计算机和大型主机这样的服务器和存储设备。

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