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英特尔四核CPU 打开x86架构的虚拟化大门

作者：Amteam.org

2007/9/6 10:57:00

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本文关键字：存储备份

前言：打开x86架构虚拟化大门

“截止2008年，不能充分利用虚拟化技术的企业将会多支出40%的采购成本和20％左右的管理成本。”
—— Gartner《服务器虚拟化的未来》

这是危言耸听还是未雨绸缪的思考？对应用越来越广泛的x86服务器用户来说，虚拟化技术真的是必不可少的利器吗？

在回答这些问题之前，先让我们看看x86架构虚拟化技术的发展历程。从历史上看，x86架构的虚拟化依靠复杂而脆弱的软件技术，通过二进制补丁捕获和在软件中模拟执行某些敏感的、不可虚拟化的指令来实现。与运行在本机虚拟化架构上（如IBMSystem/370）的虚拟机相比，这类方法造成大量的性能开销，给系统调用、中断虚拟化和频繁访问特权资源造成重大问题。正是这个原因，因此我们看到虽然VMware、Xen等提供的x86平台虚拟化软件工具很成熟，但是大部分被应用在非关键应用中。

然而，随着越来越多的企业希望能够有效应对IT系统成本控制日益精细化、服务器量越来越庞大、服务器利用率低下、x86服务器可靠性提升到5个9等问题，能够显著带来成本节省、能够有效帮助服务器整合从而减少服务器数量、能够明显提升服务器资源利用率并且能够增强服务器可靠性的虚拟化技术，就成为了x86架构服务器平台的一种强烈需求。尤其是x86服务器走入了越来越多的关键行业和关键应用后，这个需求就更加突出了。

在软件实现的x8 6架构虚拟化中，提供虚拟化功能的软件常常被称为虚拟机监测程序（VMM）或hypervisor。与运行在本机虚拟化架构上（如IBM System/370）的虚拟机相比，这类方法造成大量的性能开销，给系统调用、中断虚拟化和频繁访问特权资源造成了重大问题。而今天用户更加需要的是一种能够规避上述问题的、全新的虚拟化技术，能够在x86平台上实现类似于主机平台的虚拟化功能。

2005年冬天，英特尔带来了业内首例面向台式机的硬件虚拟化支持技术及相关的处理器产品,第一次在x86平台上实现了本机虚拟化，拉开了x86架构虚拟化技术应用的新时代大幕。

为什么业界对关键应用上的虚拟化技术始终缺乏信心？为什么说英特尔® 虚拟化技术解决了原先纯软件方案中问题？有三个原因:

1.处理器，原先的0级指令冲突所带来的系统不稳定性风险及复杂的系统补丁跟踪工作，在新的英特尔处理器虚拟化技术模式下得以完全解决；

2.内存技术，原先的软件虚拟化难以实现的大内存需求的企业级应用，通过英特尔® 虚拟化技术中的Extended Page Table可以得到解决；

3.I/O技术，英特尔® 虚拟化技术通过对北桥功能的扩展，可以进程。CPU的虚拟化技术可以单CPU模拟多 CPU并行，允许一个平台同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高。

一步隔离虚拟机间的I/O，保证关键应用的性能及可靠性。

其后不久，英特尔将这一业界首创的硬件虚拟化支持技术应用到了至强系列平台和安腾系列平台中，从而将x86服务器以及基于x86服务器的用户带入了一个更高可管理性和更强大安全性的新时代。

可以说，英特尔推出的硬件辅助虚拟化技术，将x86平台带入了真正的虚拟化时代。不过，对英特尔来说、对x86平台来说，这仅仅是开始，虚拟化技术将成为未来服务器平台的标准配置。

虚拟化的四大价值

作为一项诞生于40多年前的技术，实践证明虚拟化能够给企业带来诸多好处。

在服务器领域，虚拟化可以带来更高的部件及系统级利用率，带来具有透明负载均衡、动态迁移、故障自动隔离、系统自动重构的高可靠服务器应用环境，以及更为简洁、统一的服务器资源分配管理模式。

整合遏制服务器蔓延

不论是企业的规模大小，一般情况下，IT机构通常会将其70~80%的预算用做现有系统和应用管理开支。过去，IT机构总是倾向于使用一台服务器运行一个应用。尤其是在x86服务器的使用方面，这往往被看作是一种经济、高效的战略，因为一台服务器运行一个应用的方法，不仅可以简化服务器的部署工作，而且还可以减少潜在的软件冲突。在国内，这种状况尤其普遍。

但是，随着企业IT应用环境日益复杂，运行在服务器平台上的应用数量不断增加，这种单机运行单一平台的做法，带来了严重的后果--全球范围内的服务器数量在过去十年间增加了150倍，过多的服务器带来了处理器应用率低下、维护困难（服务器的升级、补丁，防病毒等）、维护成本高等多方面问题，而且，管理这些系统的相关成本也急剧增长。

与此同时发生的另一个现象是，服务器的平均性能在明显提高，例如，在运行不同类型应用时，双核平台较单核平台性能有从30%~10 0%不等的提升，而四核平台又比双核平台有平均60%的性能提升。

这两个现象碰撞的结果，在IT技术供应商端促进了可以帮助用户整合物理服务器和应用的技术创新，而在用户端，则促进了通过将应用和操作系统整合到单一平台上的需求梦想。在这种技术创新和需求梦想的碰撞、交织和沟通中，虚拟化技术被证明是一个可以帮助用户整合服务器、整合多个应用、整合多个操作系统的理想工具。

一方面，多核平台带来了性能提升、可靠性提高以及全新物理机虚拟机的应用模式，另一方面英特尔硬件级别的虚拟化技术能够支持效率更高、性能更优化的本机虚拟化能力。多核，多虚拟环境通过与海量存储系统的整合，就可以实现数据中心的灵活整合。

破解利用率谜局

虚拟化技术还可以明显地改善另一个困扰许多用户的问题。即使在今天，多数用户的服务器系统利用率只有10%~30%，大量服务器处于严重的利用率低下状态。导致服务器利用率低下的原因有许多，例如每种工作负载都需要使用单独的服务器、企业中的各个部门拥有“自己的”服务

服务器（其中一部分也许处于闲置状态，但是其他部门的工作负载无法共享这些资源）、容量规划不科学（因为担心复杂、麻烦、花费时间的系统迁移，大部分时候预计的容量要比实际高，甚至高很多）等等。

传统的整合方式，就是在单个操作系统副本上运行多个应用，导致了许多技术障碍，如：文件系统命名空间冲突、网络端口冲突、进程间通信冲突、不一致的内核调整或补丁级别等等。而虚拟化可以使系统轻松拥有在单一平台上运行多个应用的能力，从而提高系统资源的利用率，有效打破资源利用率瓶颈。很多采用了虚拟化技术的用户都已经尝到了提升系统资源利用率的好处。

让数据中心更可靠

虚拟化可通过以下几个主要方式，提高数据中心的可靠性，保障业务连续性：

故障隔离—大多数应用故障均由软件故障引发。虚拟化可提供虚拟分区之间的逻辑隔离，这样一个分区中的软件故障便不可能影响到另一个分区中的应用。逻辑隔离还能帮助遏制数字攻击，从而可有效增强整合环境中的安全性。故障切换灵活性—虚拟机通过配置可为一个或多个应用提供自动故障切换。鉴于基于英特尔至强处理器的服务

服务器平台能够提供高度可用性，通过在相同平台上提供故障切换分区作为主要应用，通常可满足服务等级要求。如果要求更高的可用性，可将故障切换分区托管到单独的服务器平台上。

不同的安全设置— 每台虚拟机可以应用不同的安全设置，这样IT部门就能够保持对最终用户和管理员特权的高度控制。例如，基于虚拟机的灾备系统，就是一个低成本的高数据中心高可靠性保障方案。传统的容灾系统成本昂贵，硬件配置的一致性要求高，异构平台实现容灾的可能性很小，用户几乎不敢尝试，同时，配置及迁移的复杂性高，且维护复杂。而基于英特尔虚拟化® 技术支持的虚拟机的灾备技术，可以实现虚拟机到虚拟机、虚拟机到物理机、一对一、一对多等多种形式的灵活的应用模式，能够帮助用户降低成本，而VMotion等迁移与配置技术可以帮助用户方便地进行系统管理。

有效减少TCO

服务器虚拟化软件领域执牛耳的厂商VMware证实，通过虚拟化和整合，用户可以在服务器总拥有成本（TCO）方面有明显的节省：硬件成本减低：28%~53% 运营成本降低：72%~79% 总体成本降低：29%~64% VMWare还证实，虚拟化可以在软件授权上再节省20%的成本。

新革命：“本机虚拟化”

在英特尔推出包含硬件辅助虚拟化技术的新一代处理器之前，x86架构缺乏真正能够实现虚拟化技术的基本要求，从而使在这类处理器上实现VMM十分困难。这些要求包括：

• 等价性：运行在虚拟机环境下的程序应当表现出与原始物理机器基本一致的行为；
• 资源控制：虚拟机必须完全控制虚拟化的资源；
• 效率：虚拟机不应当显著降低工作负载性能；作为全球首个x86平台的硬件辅助虚拟化解决方案，英特尔虚拟化技术是一种设计更简单、实施更高效和可靠的方法，从处理器、芯片组、内存、基本BIOS、存储设备到显卡以及I/O设备各种硬件虚拟化，这意味着一个更广泛部署的硬件虚拟化技术——实现包括计算、存储、I/O处理在内的整个计算平台的虚拟化。这样，整个计算机资源可以得到更充分的管理和利用，系统的性能、可靠性、安全性和可管理性也能够实现质的飞跃。

在英特尔推出的硬件级别虚拟化技术使得x86架构达到了上述的虚拟化要求，从而使本机虚拟化变为现实。利用本机虚拟化，VMM仿真整个硬件，使用于相同类型的CPU的未经修改的操作系统可在虚拟机容器内执行。借助本机虚拟化， VMM可以在硬件而不是软件中利用仿真模型，处理敏感的、不可虚拟化的指令，高效率地实现x86指令集的虚拟化。它还利用性能分析，有选择地将加速技术用于内存和I/O操作。华尔街的IT评论家们对此给予了这样的评价：“本机虚拟化为用户带来了性能和易于实现的显著好处，值得那些计划进一步实现服务器虚拟化的用户考虑。”

全新设计的英特尔虚拟化技术通过扩展内核平台架构，可以消除纯软件虚拟化解决方案中的缺陷，其增强的特性包括：

•面向虚拟机监视器（VMM）的全新特权环—这使得虚拟操作系统和应用在专为其设计的环内运行，同时确保VMM拥有对平台资源的特许控制权，从而可以消除许多潜在的冲突，简化VMM要求，并提高与未更改的传统操作系统的兼容性；
•基于硬件的转换——在硬件中支持VMM与虚拟操作系统之间的切换，这可以减少对于复杂的计算密集型软件转换的需求；
•基于硬件的内存保护——在专用地址空间为VMM和所有虚拟操作系统保留处理器状态信息，这可以帮助加快转换，并确保这一流程的完整性。
这些特性能为软件厂商和企业IT部门带来许多便利：
•降低实施服务器虚拟化解决方案的成本和风险。
•提高在模拟分区中运行的应用的可靠性、可用性和安全性。
•增强与传统软件的互操作性。当然，在帮助用户更好地实现x86服务器虚拟化的课题面前，英特尔并没有站在它的创新成果上沾沾自喜。相反，英特尔积极加强与软件厂商的合作，希望加速推出下一代虚拟化软件，以高效利用这一新的增强架构。很快，市场便感受到了这种开放、合作、创新的态度所带来的硕果。微软的Virtual Server、VMware的VMware ESX Server、 Xensource的Xen等一系列虚拟化技术和产品，都在不断加强与英特尔虚拟化技术的紧密合作，增加支持功能模块，使得越来越多的用户开始关注、采纳虚拟化技术。

在“虚拟”应用中绽放

随着以英特尔四核至强处理器和双核安腾处理器为代表的多核处理器的进一步普及，服务器虚拟化正在不知不觉中帮助越来越的用户改变部署和维护其IT系统的方式。

SPEC的大动作 SPEC和TPC是当代服务器性能衡量的两大基准体系。其中，TPC体系注重在线处理能力和数据库查询能力，而SPEC关注应用性能，目前主要的基准测试程序包括针对 CPU性能的SPEC_CPU、针对Web服务器的SPEC _web、针对高性能计算的SPEC _ HPC、针对Java应用的SPEC _ Jbb 以及对图形系统、网络和邮件服务器的测试指标。可以看到，这些基准测试程序都是针对应用相当广泛的项目设定的。20 06年10月底，SPEC建立了一个新的工作组，就是否需要虚拟化基准测试程序进行了讨论。

SPEC总裁Walter Bays表示：“我们的很多成员企业一致表示为建立虚拟化测试基准和成立工作组做好了准备，估计他们的客户也向他们传递了同样的信息。”
从这个消息中，不难读出这样的信号：虚拟化技术已经普及到了一定的程度。否则，SPEC组织不会考虑专门为虚拟化建立基准测试程序。

在这个工作组中，英特尔的代表被SPEC总裁Bays认为具有非常重要的作用。同样，从中也可以读出这样的信号：英特尔在虚拟化技术的推进中，扮演着举足轻重的作用。

多核：虚拟化基石

多核64位处理器的推出，可以说为虚拟化技术在广大的x86服务器用户里发挥作用提供了英雄用武之地。或者我们可以说，虚拟化技术之所以在近一年来的时间得到了越来越多用户的认可，与英特尔推出了以四核为代表的多核处理器息息相关。

这是因为，多核是运行多个操作系统和应用的虚拟化服务器的理想选择。双核英特尔处理器的处理能力是类似单核处理器的两倍，因此一台服务器可以处理多达两倍的并发软件任务；而四核处理器相比较双核又有平均60%的提升，因此一台服务器可以处理更多并发软件任务。有了英特尔® 虚拟化技术的支持，多核的性能提升能够得到更好的体现，因为虚拟化技术可以协助处理器精准地将不同的并发软件任务分配到不同的虚拟机上，这样就可以以更加低廉的成本、更高效的速度，完成多个并发软件任务的执行。而企业可以通过整合每台服务器上的多个应用，实现更高的投资回报（ROI），并进一步降低运营成本。同时，采用英特尔® 虚拟化技术的VMM所支持的操作系统范围，将比目前纯软件VMM解决方案更加广泛。因为在纯软件VMM中，目前缺少对64位客户操作系统的支持，随着英特尔64位扩展技术和英特尔安腾2处理器的部署不断扩展，这一严重缺点日益突出。基于英特尔虚拟化技术的虚拟机技术除支持广泛的传统操作系统（包括许多Linux发行版）之外，还支持64位客户操作系统。对于那些已经走入了64位时代和即将走入64位时代的用户来说，类似英特尔虚拟化技术的CPU级别硬件辅助虚拟化技术无疑是一个不可或缺的工具。另外，CPU的虚拟化技术是一种硬件方案，支持操作系统直接在上面运行，从而无需进行二进制转换，减少了相关的性能开销，极大简化了VMM设计，进而使VMM能够按通用标准进行编写，性能更加强大。对于那些已经在运用虚拟化软件工具的用户来说，不用增加任何额外成本，就可以借助内置在英特尔处理器中的虚拟化技术，来提升虚拟化软件工具的性能。

随着英特尔四核至强处理器平台和双核安腾平台的进一步普及，越来越多的用户将享受到内置在其中的英特尔虚拟化技术的好处。

在整合中闪光

服务器整合的需求已经从超大型企业蔓延到了中小型企业。越来越多的企业意识到，服务器整合将给企业带来IT系统从管理到运维等各个环节的便利性，同时更加有利于IT系统与企业业务流程的整合。而随像英特尔这样的领先厂商大力推进虚拟化技术，并将其以简便、实用、易用的方式落实在多核服务器中，虚拟化技术已经成为了服务器整合中一个必不可少的工具。通过虚拟化技术，可以减少服务器的数量，同时通过将多个物理服务器都整合到一台服务器上的多个虚拟机，可提高服务器硬件的资源利用率,且仍然能够保持多个虚拟机服务器之间的隔离及其配置的统一。所以，我们看到在世界的许多角落服务器虚拟化解决方案正在改变越来越多企业部署和维护其IT系统的方式。

Gap公司拥有4300家Gap、Old Navy和Banana Republic品牌服饰商店，是目前最大的时装零售商，管理着大约450台基于英特尔架构的服务器，此前采用一台服务器对应一种应用，因而其中300多台服务器系统的平均利用率还不到10%。

英特尔解决方案服务部建议Gap公司采用三台安装有VMWare虚拟化软件的8路IBM eServer xSeries440服务器来取代现有的三分之一数量的服务器。移植完成后，Gap的基础设施第一年便可以整合多达97种不同应用，包括BEA WebLogic、Microsoft IIS、IBM Tivoli、LotusNotes和大量定制应用，这些目前均在Microsoft Windows NT和Windows2000操作系统上运行。此外，还将跟踪和管理系统利用水平，使其高于60%，从而为流量堵塞提供扩展空间。在这个案例中，项目的硬件和VMware软件支出与淘汰旧机器而节省的维护费用相抵。现在，Gap公司可以享有服务器冗余带来的优势而不必额外购买硬件。

类似的案例还有很多，例如：

AXA技术服务器公司的整合比率达到了12:1，并节省了550,000美元的硬件支持费用，同时还将服务器利用率提高了30%；

美林证券（Merrill Lynch）公司的整合比率达到了15:1。此外公司还创造了更加灵活的环境，部署全新的虚拟机只需两小时，而故障应用恢复只需几分钟；
澳大利亚布里斯班市议会已经启动了一项计划，要将85台服务器整合成20台，这一举措是希望未来四年内将总成本降低180万澳元，将部署新服务器映像所需的时间缩至一小时以内。实际上，包括VMWa re和微软、Xe n等在内的软件工具商已经推出了各自的虚拟化软件，为基于英特尔架构的服务器提供大型机拥有的强大能力。许多企业正在以20：1甚至30：1的整合比率将传统的应用向4路至16路的英特尔架构平台移植。

中小型企业的虚拟化

毫无疑问，虚拟化技术在企业数据中心的应用已经非常普遍。随着时间的推移，它能在中小型企业中得到广泛的应用。首先，对于格外注重系统经济性、性价比的中小企业来说，通过将多个应用分置在不同的虚拟分区中，可以减少服务器的购买量，这是最明显的成本节省。其次，中小型企业用户还可以配置故障分区来进一步增强可用性，并可以通过添加分区或重新分配平台资源获得极其灵活的可扩充能力。随着企业的发展和硬件能力需求的加剧，应用还可以经过压缩轻松地移植到新系统的虚拟分区。另外，对于中小企业来说，虚拟化技术还有一个非常诱人的功能，就是可以实现本机内不同虚拟机之间的冗余备份，在不增加成本的状况下提升整个服务器系统的可靠性。

梦想照耀虚拟化

现在，虚拟化正在彻底改变企业运行基础设施的方式，并赋予企业更广泛的选择范围，以创建更完善的解决方案。而英特尔无疑是这个潮流中最活跃的创新者和梦想家。

带动整个产业推动虚拟化，则是英特尔一直没有改变的方向。英特尔虚拟化技术的一项关键目标是，使VMM软件独立于操作系统软件，从而VM M厂商不必再将主要资源投入到针对操作系统补丁及其更新进行响应而修改代码这项任务中。

软件在左硬件在右

在2006年1月的Xen峰会上，英特尔被认为是Xen群体中居第二位的代码贡献方——仅次于项目创始方剑桥大学。“虚拟化技术本身支持Xen运行未经修改的操作系统——这在以前是无法做到的，因为它不仅为标准Linux发行版本开放Xen，而且也支持与Windows的整合。”英特尔软件与解决方案事业部（SSG）技术规划部Gene Forte说。

一直以来，英特尔与OSS（开放源代码软件）/VMM团体携手合作，积极支持开放源代码软件的虚拟化。尤其是今天，作为OSS和Linux业界先锋企业以及开放源代码开发实验室的创始成员之一，英特尔继续致力于提供广泛的工程与基金资源，以便开展研发、软件工具、验证以及标准方面的工作，向全球客户提供强大可靠的OSS/VMM计算解决方案。

以VMware和微软为代表的厂商正在面向英特尔虚拟化技术，优化其产品。值得一提的事情，是微软推出了Vi r tual Ser ver 20 05R2 SP1，它的一个新特性就是能够利用英特尔虚拟化技术所提供的虚拟机硬件辅助优势。如果将Virtual Ser ver20 05R2 SP1安装在配备了英特尔虚拟化技术硬件的服务器上，那么虚拟机就会绕过Virtual Ser ver提供的模拟处理器，而直接访问真实的处理器。

微软表示，运行在具有英特尔虚拟化技术硬件辅助的 Virtual Server2005R2 SP1上的虚拟机，其性能提升可直接转化为业务优势。例如，提高的性能使一台物理服务器能够支持更多的服务器和服务。这既提高了虚拟化的硬件效率，也进一步降低了数据中心的总拥有成本（TCO）。

下一波浪潮的Windows Serve（r代号为“Longhorn”），会将虚拟化集成到操作系统中，从而提供基于 Windows 的系统管理程序。下一代Windows Ser ver虚拟化将提供支持多处理器的虚拟机，这些虚拟机则要依靠英特尔® 虚拟化技术等硬件辅助技术。

从这些VMM厂商的举动中不难发现，英特尔® 虚拟化技术已经完全支持广泛部署的x86计算平台，并且已经渗透到了64位安腾平台。

vConsolidate：第一个虚拟化性能指标

然而，在选择实现最佳运作的服务器平台的时候，特别是虚拟化的应用层面比较上，至今没有统一的计算标准来衡量和反映虚拟化所带来的性能提升和IT基础建设整体拥有成本（TCO）的改善。就在4月份，英特尔推出了业界第一个虚拟化性能指标评测vConsolidate。

vConsolidate是一项整合性能指标评测，包括四个同时运行的不同性能指标评测。其中包含面向数据库、Web、 Java和邮件的性能指标评测组件。该评测工具通过真实地模拟典型虚拟化部署环境中的负载来达到测试服务器虚拟化性能的目的。这个基准测试指标的推出，表明了英特尔在虚拟化时代即将到来时的新策略：联合伙伴，共同推进虚拟化的应用水平，更好的利用多核时代带给用户更多的出色性能。

虽然虚拟化的概念和实施最早来源于大型主机，但随着以英特尔和VMware、微软等为代表的软硬件厂商将虚拟化技术引入x86平台，一个崭新的时代即将到来。

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