云计算虚拟化平台性能研究

摘要摘要：随着云计算的兴起，虚拟化技术作为其核心技术之一，再次成为热点。越来越多的机构加入到虚拟化技术的研究中，也使得虚拟化技术得到空前发展，开源XEN、KVM、vmwere的ESXI 、微软Hyperv这4种虚拟化平台，无疑是业内优秀的代表。通过在相同硬件环境下进行实验，分别在4种虚拟化平台上开启同等配置虚拟机，从虚拟机VCPU的整数运算、浮点运算、磁盘读写I/O速率3个方面，对其进行性能比较，最终通过实验数据分析，评价各虚拟化平台性能的优劣。该研究结果可帮助用户寻找适合他们的虚拟化平台。

关键词关键词：云计算；虚拟化平台；整数运算；浮点运算；磁盘I/O

中图分类号：TP301文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2013）011000103

0引言

云计算是目前研究的热点领域，虚拟化技术是云计算的核心。目前国内外对虚拟化的研究主要集中在如下方面：在系统级别方面主要集中在单一系统的虚拟化方法和多计算系统等领域；在应用方面主要集中在服务器虚拟化、桌面虚拟化以及虚拟化在云计算中的作用等领域＼[1＼]。随着计算机技术和硬件的发展，服务器虚拟化在商业应用上的优势日益体现，通过整合服务器将共有的基础架构资源聚合到资源池中，不仅提高了资源的利用率而且降低了IT成本。由于服务器及相关IT硬件减少，占地空间、电力和散热需求也相应减少。同时，通过缩减物理基础架构有助于管理员更灵活、更高效地实现IT管理工作。服务器虚拟化可安全地备份和迁移，整个虚拟环境不会出现服务中断。消除计划内停机，并可从计划外故障中立即恢复，进而提高业务连续性。因此，虚拟化技术已经成为合并服务器并最大限度地提高服务器计算能力和减少服务器数量的有效途径。服务器虚拟化在信息化领域中应用前景广阔。

1虚拟化技术与服务器虚拟化

1.1虚拟化技术

1974年，美国计算机研发人员唐纳德对虚拟化技术进行了解释，“在计算机控制台上调试多个程序时需要对计算机的处理器和外设等资源进行合理安排，于是就形成了运行在硬件之上的一种专门管理和调度硬件资源的特权程序代码，这些代码主要关注硬件资源的时间调度安排，把硬件资源在逻辑上给用户的应用程序以虚拟的形式呈现了出来＼[2＼]。简单而言，虚拟化就是把物理资源转变为逻辑上可以管理的资源，以打破物理结构之间的壁垒。虚拟化技术就是一种逻辑简化技术，实现物理层向逻辑层的变化。虚拟世界运行在各种各样的物理平台上，资源的管理都将按逻辑方式进行，完全实现资源的自动化分配。

从虚拟化的目的来看，虚拟化技术主要分为平台虚拟化、资源虚拟化、应用程序虚拟化＼[4＼]。平台虚拟化是针对计算机和操作系统的虚拟化，又分为服务器虚拟化和桌面虚拟化；资源虚拟化针对特定的资源进行虚拟化，如存储虚拟化、网络资源虚拟化；应用程序虚拟化包括仿真、模拟、解释技术等。从虚拟化的方法来看，主要有单一镜像法、完全虚拟化、半虚拟化。单一镜像法的代表是Ensim、Vservers；完全虚拟化是虚拟出的硬件功能与底层机器上的真实硬件完全相同，代表是VMware和virtual PC；半虚拟化是虚拟机抽象和底层硬件相似却并不完全相同，操作系统可以意识到真实硬件和虚拟硬件的不同之处，代表有Xen和UML＼[3＼]。当前所采取的虚拟化模型就是在硬件层上运行了一个监督程序，从系统架构看，虚拟机监督程序（VMM）是整个虚拟机系统的核心，它承担了资源的调度、分配和管理，保证多个虚拟机能够相互隔离的同时运行多个客户操作系统。VMM必须保护自己不受上层应用程序和操作系统的干扰，它要隔离在其上运行的多个客户操作系统和应用程序，还要为上层软件提供一个虚拟的平台接口。所以，VMM必须控制对CPU、内存和I/O接口的访问。因此，系统级虚拟化主要通过CPU虚拟化、内存虚拟化和I/O接口虚拟化来实现。

1.2服务器虚拟化

服务器虚拟化就是将服务器物理资源抽象成逻辑资源，让一台服务器变成几台甚至上百台互相隔离的虚拟服务器，人们不再受限于物理上的界限，而是让CPU、内存、磁盘、I/O等硬件变成可以动态管理的“资源池”，从而提高资源的利用率，简化系统管理，实现服务器整合，让IT对业务的变化更具适应力＼[5＼]。在服务器上安装一个虚拟机监控器软件，将服务器物理CPU、内存、网卡和硬盘等资源抽象出来，映射成若干个虚拟的CPU、内存、网卡和硬盘，构成虚拟机，每个虚拟机上可运行一个独立的操作系统和若干应用软件。其主要有四大特性：

（1）分区。分区是指在单一物理服务器上同时和独立地运行多个虚拟机。虚拟化层为多个虚拟机划分服务资源；每个虚拟机可以同时运行一个单独的操作系统，使得能够在一台服务器上运行多个应用程序；每个操作系统只能看到虚拟化层为其提供的“虚拟硬件”（虚拟网卡、虚拟内存、虚拟CPU等），从而使它认为是运行在自己的专用服务器上。分区这个特性可以提高物理资源的利用率并减少物理服务器的数量。

（2）隔离。隔离是指同一系统中虚拟机之间互相独立地运行，某一虚拟机的崩溃、病毒等问题都不会影响在同一物理主机上运行的其它虚拟机，隔离功能还可以确保一个虚拟机不会占用同一系统中其它虚拟机的资源。可以在单一服务器上同时运行多个负载/应用程序/操作系统，而不会出现传统X86服务器体系结构中的一些有局限性的问题（比如应用出现冲突、DLL冲突等）。虚拟机之间不会泄露数据，应用出现只能通过配置的网络连接进行通信。

（3）封装。封装是指将所有与虚拟机有关的内容（硬件配置、BIOS配置、内存状态、磁盘状态、CPU状态、I/O设备状态）存储在独立于物理硬件的一组文件中，复制和移动虚拟机就像复制和移动文件一样简单。服务器资源调配类似于拷贝文件，服务器迁移类似于数据迁移，而不是搬到物理服务器，备份和恢复也相对简单得多，类似于数据的备份和恢复，为应用程序提供标准化的虚拟硬件，可保证兼容性。

（4）硬件独立。硬件独立性是指虚拟软件的虚拟化层从操作系统和应用程序中抽取硬件，所以虚拟机不在乎实际硬件是什么，从而达到相对于硬件独立。打破了操作系统和硬件以及应用程序和操作系统/硬件之间的约束。

物理服务器和服务器虚拟化软件是服务器虚拟化的必要组成部分。服务器虚拟化软件大体分为两类，基于主机的和基于硬件的。基于主机虚拟化软件需要先在服务器硬件上安装主操作系统，然后在主操作系统上建立虚拟层，之后在该虚拟层上创建不同Guest OS的虚拟机。基于硬件的虚拟化软件直接安装在服务器裸设备上，在服务器硬件上建立一个被称作hypervisor的虚拟层，虚拟机可以任意创建在这个虚拟层上，在虚拟机上可以安装各种操作系统，部署应用业务＼[6＼]。服务器虚拟化软件的代表有：Xen、KVM、VMware、HyperV。Xen 是一个开放源代码虚拟机监视器，由剑桥大学开发，它打算在单个计算机上运行多达100个满特征的操作系统。操作系统必须进行显式修改（“移植”）以在Xen上运行。KVM是Kernelbased Virtual Machine的简写，是rhel5.4推出的最新虚拟化技术，目前红帽只支持在64位的rhel5.4上运行kvm，同时硬件需要支持VT技术。VMware ESX 服务器是在通用环境下分区和整合系统的虚拟主机软件。它采用VMotion技术，采用内存后台备份机制，实现在线迁移，几乎没有停机时间，具有高级资源管理功能高效、灵活的虚拟主机平台。HyperV是微软的一款虚拟化产品，HyperV采用微内核的架构，HyperV底层的Hypervisor运行在最高的特权级别下，微软将其称为ring1，而虚拟机的OS内核和驱动运行在ring 0，应用程序运行在ring 3下，这种架构就不需要采用复杂的BT（二进制特权指令翻译）技术，可以进一步提高安全性＼[7＼]。

2实验研究

2.1实验测试环境及工具

随着计算机技术和硬件的发展，服务器虚拟化在商业应用上的优势也日益体现，通过整合服务器将共有的基础架构资源聚合到资源池中，不仅提高资源的利用率而且降低了IT成本。本实验研究是在相同配置的物理环境下，物理主机操作系统基于cent0S6.2、kenel2.6.32物理机环境。

2实验测试结果及分析

本实验在测试环境相同的情况下，分别对服务器虚拟化软件Xen、KVM、VMware、HyperV使用Phoronix Test Suite系统性能测评工具，测试虚拟机的VCPU的整数运算与浮点数运算能力；使用IOzone文件系统性能测试工具，测试虚拟机的磁盘读写性能；使用Loadrunner负载性能测试工具，测试虚拟机中应用程序的事务响应时间。测试结果如表3所示。

虚拟机VCPU的运算能力主要从buildlinuxkernel（整数运算）、compressgzip（整数运算）、cray（浮点运算）、sampleprogram（浮点运算）这些指标来体现，数据越小，表示运算时间越短，VCPU的运算能力越强。根据表1测试结果数据，结合图1，可以看出KVM和VMware表现最好，HyperV次之，Xen最差。

虚拟机的磁盘读写性能主要从Read、Write、Reread、Rewrite这些指标来体现，数据越大，表示磁盘的读写速度越快，磁盘读写性能越好。根据表1测试结果的数据，结合图2，可以看出VMware磁盘读写性能最强，Xen和KVM次之，HyperV最差。

虚拟机的应用响应时间是通过分别模拟50个、100个、200个用户并发的访问系统，测试系统的事物响应时间，数据越小，表示事物的响应时间越短，系统的负载响应能力越强。根据表1测试结果的数据，结合图3，可以看出随着用户数目的增多，即负载的增大，系统的响应时间都变长，但整体来看VMware最好，KVM次之，Xen和HyperV都较差一些。

图3负载性能测试对比

3结语

本文在介绍虚拟化基本含义的基础上，对服务器虚拟化的含义及特征进行了概述，指出服务器虚拟化在提高资源利用率、降低IT成本（服务器硬件成本和IT管理成本）方面的重要作用。通过实验对当前主流服务器虚拟化软件的性能进行测试，结果表明VMware服务器虚拟化软件在VCPU运算能力、磁盘读写能力及负载响应能力方面性能较好。

参考文献参考文献：

＼[1＼]BELLARD F QEMU.A fast and portable dynamic translator＼[C＼].Proceeding of the USENIX Annual Technical Conference，2005.

＼[2＼]董耀祖，周正伟.基于X86架构的系统虚拟机技术与应用＼[J＼].计算机工程，2006，32（13）.

＼[3＼]英特尔开源软件技术中心，复旦大学并行处理研究所.系统虚拟化——原理与实现＼[M＼].北京：清华大学出版社，2009.

＼[4＼]陈小军，张璟.虚拟化技术及其在制造业信息化中的应用综述＼[J＼].计算机工程与应用，2010，46（23）.

＼[5＼]王敏，李静，范中磊，等.一种虚拟化资源管理服务模型及其实现＼[J＼].计算机学报，2005，28（5）.

＼[6＼]游小明.新型云计算服务器的设计与实现＼[J＼].计算机工程，2011，37（11）.

＼[7＼]云百科.服务器虚拟化＼[EB/OL＼].http：//.cn/wikiserver_virtualization.

责任编辑（责任编辑：孙娟）

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