IBM Power虚拟化技术易被人忽略的力量

以服务器虚拟化为主的虚拟化解决方案目前正在火热的发展与普及中，各种迹象都表明，越来越多的客户都已走出理论评估的阶段，而开始真正的部署虚拟化解决方案。不过，由于x86服务器是当前服务器市场出货量的主流，所以一谈到虚拟化，很多人都潜意识的将其等同于x86虚拟化解决方案，而在这一领域，大家想到的是VMware， Hyper-V和Xen等。但显然这并不全面，当虚拟化本身使得硬件平台对于用户来说越来越透明的时候，我们会发现，其实与我们关系更密切的是应用环境，而不再是硬件平台本身了，这样也将使我们对平台的看法有所改变。所以，说到这里，我们就不得不提到IBM的虚拟化解决方案，以及IBM独有的虚拟化软件和技术。

事实上，当我们放眼整体的服务器市场，尤其是在金融，电信等高端行业和数据中心等高端的应用情境时，IBM 虚拟化软件Power VM使我们更深切的感受到IBM在Unix平台上的虚拟化能力正左右着未来数据中心大整合、应用平台大融合的趋势，成为市场上不可忽视的力量。本文主要介绍IBM虚拟化软件Power VM的特点和优势，但IBM虚拟化软件不仅仅是Power VM，IBM还拥有最完整的虚拟化软件和虚拟化管理解决方案，例如Tivoli Monitoring (ITM)，Systems Director 。

PowerVM的历史

与只有10几年历史的x86平台虚拟化的领袖VMware相比，IBM的虚拟化软件和技术的历史要比它久远多了。IBM早在40多年前就开发出第一代虚拟化软件，并应用在它的大型主机上，当时IBM使用一种专为 System/360 Mainframe. 量身订造的操作系统CP-40。在 1967 年，第一个虚拟化软件Hypervisor诞生，第二版的Hypervisor(CP-67)则在1968年诞生，在那时它就支持跨虚拟机共享内存，为每个用户提供单独的内存空间。

在这里，Hypervisor(Hypervisor)是一种软件，它允许多个操作系统共享一台硬件主机。这个版本被用于整合物理硬件和更迅速地部署环境(比如开发环境)。在 20 世纪 70 年代，IBM 一直在改进他们的技术，支持 MVS 与其他操作系统(比如 UNIX)在 VM/370 上一起运行。在 1997 年，同样是在大型机上创建虚拟化技术的这些人在 IBM 中端平台上创建了一个Hypervisor。

IBM Hypervisor所基于的一个关键元素在于，虚拟化是系统固件本身的一部分的事实，这与其他基于Hypervisor的解决方案不同。这是因为操作系统(OS)、硬件和Hypervisor之间集成非常紧密，Hypervisor是介于 OS 与提供虚拟化功能的硬件之间的系统软件。在 2001 年，经过 4 年的设计和开发，IBM 发布了一款面向中端 UNIX 系统的Hypervisor，该Hypervisor支持全局分区。2004 年发布了高级POWER虚拟化(Advanced Power Virtualization，APV，这里的Power不是指电源，而是指POWER System服务器)，它是 IBM 第一款真正的虚拟化解决方案，支持共享资源，它在 2008 年被重新命名为 PowerVM，PowerVM成为IBM新的虚拟化软件代号。

PowerVM的主要特色

PowerVM是一个典型的Type 1的Hypervisor，这从基础上保证了它的高效率，但与VMware、微软、Xen的Type1型Hypervisor相比，PowerVM仍然有自己鲜明的特色，发展至今，PowerVM目前有以下几个重要的特点与功能。

PowerVM的基本架构，在框架设计上，它与微软的Hyper-V和思杰的XenServer更为相似

虚拟I/O服务器(VIOS，Virtual I/O Server)—— 这个服务器负责为虚拟分区提供 I/O 服务。它负责管理物理适配器供一个或多个 VIO 虚拟的客户分区共享。这有助于消除对专用网络和/或 I/O 的需求，从而减少了成本。IBM 的实现方法使用了共享以太网和虚拟 SCSI 来支持共享网络和磁盘 I/O。

微分区和共享处理器逻辑分区(Micro partitioning and Shared Processor Logical Partitioning，SLPAR) —— 微分区允许虚拟分区只占用一部分的CPU资源，最细的颗粒度可以只到一个CPU核心的1/10。虚拟服务器可以在任何物理服务器上运行，因为物理处理器是完全共享的。而共享的处理器逻辑分区可以在微分区的基础上，通过使用一种称为未封顶分区的特性来扩大 CPU 数量和它们的授权容量(Entitled Capacity，EC)，授权容量在创建 CPU 的配置文件时配置。这是一项重要特性，因为允许系统在突发的 CPU 密集时期，从一个共享的处理器池的其他逻辑分区中分配未使用的 CPU 资源，这些资源在其他时间是空闲的，这样，能够够以一种动态方式简化工作负载管理。 则CPU资源的调整单位可精细到1/100核心，方便精确性管理。

动态分区迁移(Live Partition Mobility)—— 这个功能支持将正在运行的逻辑分区 LPAR(等同于一个虚拟机，可以是 AIX 或 Linux)从一个物理服务器移动到另一个服务器。

共享专用容量—— 允许专用处理器分区将空闲 CPU 周期捐献出来，以便在空闲处理器池中使用。

多个处理器池—— 允许在分配给共享池的分区之间均衡处理能力，从而提高吞吐量。

Lx86—— 这项技术支持运行直接在 Linux 分区上运行没有专门移植到 Power Architecture 的 x86 Linux 应用程序，无需执行必要的重新编译操作。可以有效的整合基于x86的Linux应用服务器。

工作负载分区(Workload Partitioning ，WPAR)与迁移——这是一个非常有用，且十分重要的特性，它的对象并不是一个完整的虚拟化区，而是相应的工作负载(Workload)。类似于 Solaris 容器/专区，它提供了将逻辑分区拆分为工作负载的能力。每个工作负载都具有自己的包含环境，但没有自己的内核。经过配置的 WPAR 是 LPAR 的一部分，它减少了需要维护的 AIX 映像的数量。WPAR 在 AIX 实例**享系统资源：目录、CPU、RAM 和 I/O。而且可以像迁移LPAR那样，将WPAR进行迁移且不需要中断应用的运行(即Live Application Mobility)，这个特性还允许执行多系统负载平衡，可以用来节约数据中心的成本。

活动内存共享(Active Memory Sharing，AMS)——与处理器池的概念相似，多个分区可共享一个物理内存池，而每个分区根据工作负载的情况可动态的调配内存资源。当然，管理员也可以为分区分配专一的内存资源以确保应用性能，而AMS的出现为灵活的运用内存提供了可能。

主动内存扩展(Active Memory Expansion，AME)——应用有需求的时候(比如SAP的ERP应用)，通过内存压缩技术将现有的内存数据进行压缩，以腾出物理内存空间，最多可等效扩充50%的内存容量，用户也因此可以在部署相关应用时节省50%内存容量的成本。

PowerVM相较其他UNIX虚拟化平台的优势

目前，在UNIX平台下，主要的虚拟化解决方案均是相关硬件平台厂商所专门开发的，IBM的POWER系统对应的虚拟化软件就是PowerVM，而HP的安腾平台就是VSE(Virtual Server Environment，虚拟服务器环境)，Sun的SPARC平台则是xVM，但面向SPARC系统的主要还是LDOM(面向Solaris on x86的是基于Xen开源平台的)，至于Virtual BOX则是面向终端桌面的产品，并不在本文的讨论范围。

HP的VSE也有着比x86平台虚拟化更悠久的历史，大约在26年前，HP推出了自己的虚拟化技术，这可算是VSE的前身，而在具体的功能上HP也在不断完善着VSE的能力，不过其主要的虚拟化模式vPar、nPar以及IVM(Integrity Virtual Machines)均有自己的不足，相对来说vPar、nPar并不能算是完全的虚拟化分区，它们不支持内核共享，分区间也不能做到共享虚拟化资源，做分区的迁移时仍需要离线，所以这有违于虚拟化的初衷，因此HP的安腾系统主要的虚拟化应用是基于IVM的。在虚拟机的CPU核心颗粒度方面，IVM占有优势，可达到1/20核心，PowerVM只有1/10，不过PowerVM的分区可以最高支持64个虚拟处理器(vCPU)，而IVM只有4个(HP的vPar分区倒可以支持到128个vCPU，但又不能做到CPU与I/O资源共享，以及分区的动态迁移)。在内存容量方面，PowerVM的分区可支持高达2TB的内存，而IVM最高只支持64GB内存。当然，VSE也有自己的优势，那就是支持Windows Server操作系统，不过一台安腾主机对于Windows应用来说，性价比可能更有待考虑。

至于Sun的LDOM，则也在相应的规格上处于下风，它的虚拟分区最高支持8个vCPU与64GB的内存，并且微分区功能较弱，在T1处理器上只能实现4个微分区，而在T2处理器上则为8个，并且也不支持分区间的动态分配。

另外一点，活动内存共享与活动内存扩展两大功能也是HP与Sun虚拟化技术所不具备的。而更重要的是，在新的一代服务器硬件平台的发展中，Sun已经明显力不从心，HP所采用的在2010发布的安腾9300处理器其实是一款2007年的产品，在硬件性能方面明显不如IBM的POWER7，而强大的硬件平台的性能也为更为强大的虚拟化性能提供了基础的保障，这一点POWER7与PowerVM的组合，无疑更占优势。

PowerVM相较x86虚拟化平台的优势

而在与x86平台的其他虚拟化软件相比较时，我们更能看出PowerVM的优势，这是与几十年的发展积累分不开的。

注：最新的vSphere 4.1的虚拟机并发迁移数量也能达8个，不过并没有超过PowerVM的水平

以上是PowerVM与最新的，也是当前最强大的x86虚拟化平台VMware的vSphere 4的比较，可以看出在PowerVM的优势明显，而微软的Hyper-V R2的虚拟机也只支持最多4个vCPU与64GB内存，而XenServer 5.5则是8Vcpu/32GB内存，在可用的虚拟机数量方面，vSphere单台服务器可最多支持320个虚拟机，Hyper-V R2为384个，而PowerVM目前的水平可达640个，不久的未来将会达到1000个虚拟机的水平。

此外，在虚拟化的性能衰减方面，IBM的PowerVM也有明显的优势。

所谓的虚拟化性能衰减是指服务器在做虚拟化后的应用性能，相对于裸机时的应用性能的下降幅度，下降幅度越小，也就意味着虚拟化性能的衰减越小，虚拟化的效率越高，即系统进行虚拟化时的系统开销越少，而留给应用的处理资源(CPU/内存/IO等)越多。

在SAP S&D 2-tier的测试中，以每核心的用户数为基准，我们可以看出POWER系统基本上没有因虚拟化而产生性能衰减，而在至强5500系统上，配合VMware最新的ESX(包含于vSphere 4)，性能出现了比较大的衰减，当使用4个虚拟CPU时，较裸机性能下降了31.7%，而当虚拟CPU增加到8个时(到时与物理CPU核心数量相当)，虽然测试结果较4个虚拟CPU更高，但每核心的性能则较裸机性能下降了38.7%，超过了1/3，可见系统的虚拟化开销是比较大的。不过，就裸机性能来看，至强5500有明显让人眼前一亮，已经明显超过了Power 570。

同样的性能衰减也出现在微软的Hyper-V平台上。首先是单个虚拟机不同数量的虚拟CPU的比较，这里采用的测试程序是DayTrader2.0，它是一个开源的基准测试程序，DayTrader2.0测试模型一个股票交易系统，基于Java EE技术构建，采用了外连的数据库架构，在测试中Power 550与至强5500服务器测试环境均搭配相同的数据库服务器(基于Power 570)，数据库是DB2 2.97。对于测试结果我们暂且不看不同虚拟CPU个数时的性能差异，只看性能差异的变化值，从1个虚拟CPU过渡到2个虚拟CPU时，POWER与至强5500系统基本上都呈现了成倍的线性性能增长，至强5500甚至更明显(POWER的依靠幅度降低)，但当虚拟CPU数量提高到4个和8个时，可以看出虽然两者的性能提升幅度不再像1到2个虚拟CPU时那样大，但两者间的性能差距在渐渐拉开，也就说明Hyper-V的虚拟化性能衰减更大了。

AIM7虚拟机测试结果

接下来是虚拟机数量的扩展性能对比测试，测试软件也是一个开源的基准测试程序——AIM7，它主要用来对服务器的CPU、内存与I/O子系统进行压力测试，而虚拟机数量无疑将增加对系统的负载，所以这个测试也将体现系统各功能单元对虚拟机数量的承载能力。还是不用看每个虚拟机数量阶段的性能差异，而是看差异变化的趋势。我们会发现POWER系统基本可以得到线性的增长，至强5500系统在1和4个虚拟机时表现还不错，甚至在4个虚拟机时与POWER的性能差距小于1个虚拟机的状态，但到了6个和8个虚拟机之后，两者的性能就开始拉大，也就意味着此时Hyper-V的虚拟化性能衰减开始越来越明显。

以上测试基本能反应出了PowerVM与x86上的ESX、Hyper-V这几个Hypervisor的效率差异，显然，PowerVM在系统资源的调配与管理上要更为成熟高效些。

最后值得注意的是，PowerVM还具备x86 Linux直接兼容的能力，传统在x86平台上运行的Linux系统可以不改代码运行在PowerVM环境中，而相对于POWER系统自身的Linux系统，性能衰减只有10%。

总结：PowerVM的价值不容忽视

通过以上的分析对比，我们可以感觉到IBM在虚拟化软件和技术方面的优势，以及在UNIX平台上的虚拟化能力，但长久的平台界限的划分，让大多数用户忽略了这一点。不过，正像本文开头所讲的，虚拟化技术本身也在正使平台的划分开始模糊，而用户也因此会越来越关注应用的运行环境而不再是硬件平台。

这让我们想起了IBM另一个引以为荣的产品——大型主机，而它早就以虚拟化技术闻名于天下，借助于兼容Linux系统，使得大型主机获得了更广阔的应用范围，以及更强大的服务能力。而对于POWER系统来讲，强大的裸机性能显然是一个坚实的保障，在此基础上的高效率的虚拟化平台，也将让POWER系统有机会向下染指x86的应用领地。

总之，当我们为x86平台的性能获得巨大进步而欢心鼓舞，并期盼其与UNIX系统一争高小的同时，也不要忘了，虚拟化技术的出现，也让服务器市场变化更为“虚幻莫测”，如果说x86通过增强性能与RAS特性而向高端进军，那么UNIX小型机也完全可能借助于虚拟化向x86领地渗透，这在当前所倡导的数据中心大整合、应用平台大融合的理念并不抵触，就看能否找到其中那个“临界点”，而在这里，IBM PowerVM的价值与能量显然不可忽视!