服務器虛擬化的優缺點分析及趨勢

周 波

0 引言

服務器虛擬化（Server Virtualization）是最近國內外研究的一個非常熱門的領域。在復雜的IT環境中，冗余的硬件設備使公司機房飽和，每一件新購入的設備也會帶來額外的能源開銷。將物理服務器轉化為虛擬服務器，是確保機房環境穩定及IT開銷在可控制范圍內的行之有效的方法。

采用虛擬化技術后，可以動態地開啟或者關閉虛擬服務器，就像操作物理服務器那樣。在一臺物理服務器上運行多個虛擬機，可以高效地利用物理服務器的硬件資源，并對于可能的需求變化，做出快速的反應。

據虛擬化管理企業Veeam公司在2011年7月發布的報告顯示[1]，目前企業服務器虛擬化率僅有不到40%。調查了若干個國家的544家企業，有92%的企業已經開始了虛擬化技術的應用，但還是有大約60%的業務沒有實現虛擬化。

1 服務器虛擬化的情況

對于當今而言，有3種基本的虛擬化技術[2]。

1.1 完全虛擬化

完全虛擬化模式使用的是宿主/客戶機結構。管理核心被稱為hypervisor，是允許多個客戶系統來共享一臺物理主機，允許每個客戶系統訪問宿主主機的處理器、內存和其他資源的程序。它在虛擬機與硬件之間創建一個抽象的層，客戶機（或稱虛擬機）運行于一個虛擬的硬件層。VMware和微軟的Virtual Server是使用完全虛擬模式的。完全虛擬化，如圖1所示：

圖1 完全虛擬化示意圖

1.2 并行虛擬化

并行虛擬模式也是基于宿主/客戶機結構的，也使用hypervisor，如圖2所示：

圖2 并行虛擬化示意圖

在完全虛擬化中，hypervisor需要處理器資源去管理不同的虛擬機并且將它們互相隔離,所以無法使處理器以最高效率運行。一種降低處理器需求的方法是對于與每個操作系統進行修改，所以在并行虛擬化中，由hypervisor對客戶系統進行修改，這個修改的過程成為移植（porting）。移植允許hypervisor謹慎的使用系統調用，使操作系統能夠意識到運行于虛擬環境中，并且與hypervisor協作，從而使虛擬化更有效率地運行。這種方法就是并行虛擬化。并行虛擬化技術的優勢在于它的性能，以并行技術運行的虛擬機的響應速度接近于非虛擬機。Xen是一種基于開源系統的并行虛擬化的技術。

1.3 操作系統層次的虛擬化

操作系統層次虛擬化，它不是基于宿主/客戶機模式的，沒有hypervisor層。

與其他技術最明顯的區別是，所有的虛擬服務器必須運行同一種操作系統（當然，每個實例都有自己的應用程序和賬戶）。這類技術在系統的靈活程度上有所欠缺，但帶來的優勢則是性能上的優化。因為分布式架構消除了層與層之間的系統調用，從而降低了CPU的開銷。此外，相對于使用不同操作系統的虛擬機，這類在所有虛擬服務器上使用單一的標準操作系統的結構也便于管理。操作系統層次的虛擬化。Virtuozzo和Solaris Zones都是操作系統層次的，如圖3所示：

圖3 操作系統層次虛擬化示意圖

1.4 虛擬化技術的瓶頸

以上的3種虛擬化技術，都是軟件層面上的。難道不能在硬件層面上實現更有效率的虛擬化技術嗎？

直到2007年，Intel和AMD才開發出支持CPU層次虛擬化的處理器。通過硬件上支持虛擬化，使得用于hypervisor的CPU資源得以釋放，提高了虛擬技術的性能。

當然，CPU層次的虛擬化技術并不是自適應的，相關的虛擬化軟件必須被重新開發，以便支持。因為這種技術使得虛擬化技術的性能增長不少，所有的虛擬化軟件都將以支持CPU層次的虛擬技術為目標進行開發。

1.5 虛擬化技術的選擇

每一種虛擬化技術都有其優勢，如何發揮優勢，取決于采用的解決方案。例如，對于一組使用相同操作系統的服務器，采用操作系統層次的虛擬化技術，就是一個好的選擇。

并行虛擬化是一種折中的技術，尤其部署在那些可以感知到虛擬化的處理器的環境中。在提供了異構操作系統混合使用能力的同時，也帶來了不錯的性能表現。

完全虛擬技術是這3種技術中對于性能影響最大的，但采用這種技術的物理服務器上的虛擬系統，是相互獨立的，并且與主機系統也是無關的。對于軟件質量控制、測試來說，是最佳的選擇。除此之外，完全虛擬技術還能支持最多種類的客戶系統。

完全虛擬技術還提供了些獨特的功能。例如，我們可以獲取虛擬機的快照，快照中保留了虛擬機的當前狀態，可以使用快照來進行災難恢復。虛擬機的鏡像文件則可以用來快速地創建新的虛擬服務器。

2 服務器虛擬化所帶來的優勢

2.1 降低IT成本

虛擬化技術帶來的經濟上的收益立竿見影。最顯而易見的效果就是硬件的大量減少，例如對服務器數量需求的減少。利用市場上現有的技術，將IT開銷縮減50%～70%是很常見的。有時幾百臺服務器可以用原先數量的 1/10來替代，在每臺上運行多個虛擬服務器。更少的硬件，整體的IT預算就會下降。相對于其他任何因為遷移至虛擬化系統帶來的開銷的減少，硬件開銷的減少是非常顯著的。

對于虛擬化環境來說，節省能源是一個顯而易見的益處。在大型企業中，由于有在一臺物理服務器上使用同樣的能源來運行多個服務器的能力，就能夠節省相當多的能源開銷。符合國際上大力提倡的“低碳環保”的新經濟模式。

節省寶貴機房則是另一大優點。傳統服務器環境中，終有一天機房的空間會被服務器占滿。使用 Hyper-V或者VMware就可以結束這樣的煩惱了。

很多由此帶來的開銷的減少，最終會反映在企業經濟上的收益。比如說，設備的減少意味著用更少的電，對于樓層空間需求的減少，意味著更少的房屋租金。

2.2 充分利用未使用的計算能力和空間

CPU、內存使用率是服務器利用率的衡量標準，利用率過低，就意味著企業在為他們不需要的計算能力買單。一臺服務器只發揮了25%的處理能力，但它的能源消耗依然會達到其額定功率的80%左右。

虛擬化的最大優勢在于，能將多臺物理服務器整合到一臺機器上。只要磁盤空間和內存充裕，就可以繼續向宿主服務器上添加虛擬服務器。在一臺機器上運行多個虛擬機，可以使得企業能夠更有效率地使用服務器。

事實上，如果將處理能力提高到60%左右，所帶來的能源消耗的提升相對于性能提升來說，是忽略不計的。處理能力在60%左右時，能耗為額定功率的85%左右。用5%的能源消耗換來了處理能力成倍的增長，是非常有效率的。

2.3 可靠性的提高

非虛擬化的環境中，唯一提升可靠性的技術，就是將整個系統置于高可用性的集群環境中。但集群環境非常昂貴，也很難維護。大多數情況下，集群技術只用來保護那些及其重要的應用，例如DBMS和郵件服務器之類的，而其他大部分的軟件應用，是沒有任何保護的。

采用虛擬化則可以有完全不同的方法來處理這些問題。它在hypervisor層次上進行保護，而不是在應用層次上。這聽上去并不好，因為當宿主系統運行時，萬一應用程序出錯，沒有任何防護措施。但另一方面，非常容易去實現應用保護，因為采用應用程序無關技術，使得服務器級的可靠性提高了，相應地，軟件的可靠性也就提高了。這個特性不僅在系統突發故障時很重要，而且在計劃停機檢修時則更重要。

2.4 靈活性

如果有新的軟件或者操作系統需要安裝，使用服務器虛擬化，能使這個過程在短時間內完成，因為無需再去準備新的硬件設備。這就使得響應速度提高的同時增加了適應性。去分析和量化虛擬化所帶來的益處是比較困難的，因為這沒有一個簡單的公式去計算。企業的確需要花一段時間去思考，從長遠來看，由虛擬化可以帶來擴展性的好處。

2.5 更好地支持軟件測試

虛擬化技術的另一個優勢則是便于測試。在軟件開發企業中，必須徹底地測試所開發的軟件，尤其是ERP軟件或是應用于關鍵任務的程序。

對于軟件測試來說，一個與生產環境完全相同的測試環境是必需的，微小的環境差異就會使得測試缺乏可靠性。在非虛擬化環境中，測試的代價是非常高的，因為要為每一個生產環境搭建出一個完全相同的測試環境。還必須保持生產和測試環境的同步。如果是那些需要在集群系統里運行的關鍵應用，測試將會變得更復雜。可信賴的測試要求你的系統也必須是建立在集群系統里的，這個代價可能會貴得離譜。

在虛擬化系統中，可在任何時候獲取生產實例的副本，并使用該副本進行準確地測試。這就為創建虛擬化的測試服務器鋪平了道路，不僅提高了測試的可靠性，也提高了整個測試流程的效率。

3 服務器虛擬化后存在的問題

在數據中心里，服務器虛擬化技術正在替代傳統的、龐大的服務器系統。在虛擬化趨勢的背后，經濟的因素占有不可取代的地位。虛擬化技術能在降低成本的同時，使得服務器的靈活性也大大提高。但是，事物總是有它的兩面性，虛擬化后也的確帶來了不少的問題[3]。

3.1 被放大的物理故障

傳統環境中，一臺服務器硬件故障意味著這臺服務器不能用了，然后開啟備份服務器。在虛擬世界中，所有的服務器都在一臺物理主機上，有硬件故障了，那么所有的服務器就都不能用了。

舉例來說，你有10臺重要的服務器在一臺物理主機上運行，但是你的RAID控制卡出問題了，硬盤上所有的數據全部丟失了。別說這種情況不可能發生，事實上，已經發生過這種情況，而且使用的還是品牌RAID卡[4]。

有幾種方法可以去彌補這些弱點。首先是集群，這需要大量額外的工作。另一個方法則是備份這些虛擬機。如果物理服務器有故障了，就可以將這些虛擬機恢復到其他的物理主機上。因此，如果企業的虛擬化結構是有組織、有計劃的，物理故障可能也就沒有那么可怕了。然而，也就意味著企業需要在冗余硬件上投資，在某種程度上，也就削弱了虛擬化的優勢。

3.2 新舊技術的沖突

安裝虛擬化軟件后，可以像以前那樣部署操作系統，這看似非常簡單。但事實并非如此，在虛擬環境下，很多事情都不一樣。有可能會遇到這樣的事情，你在一臺宿主機上部署了10臺虛擬服務器，但是過了一段時間，你可能會發現其中的幾臺停止運行了。發生了什么？當你以傳統方式部署一臺物理服務器時，服務器有多少內存，操作系統就可以使用多少。而在虛擬機上就不是這樣了，如果還是按照傳統的方式來分配內存，就會出現上述的故障了，系統會提示沒有更多的內存可用了。

3.3 服務器蔓延

創建了很多的虛擬服務器，在消耗了宿主主機資源的同時，得到的回報卻很低，這就是服務器蔓延。易于部署和缺乏整個生命周期內的管理，是造成虛擬機蔓延的原因。

即使虛擬機的管理可能會很復雜，但安裝一臺虛擬機卻很簡單。只需將虛擬機的鏡像文件復制到宿主機上，新的虛擬機就創建好了。虛擬機增長速度會非常快，而缺少足夠管理員去管理。那些新建的虛擬服務器也可能并不常用。

對于服務器蔓延，應該從管理的層面上來避免這種情況的出現，而并非是從技術上來解決。在物理服務器環境中，也會有類似的情況發生。

3.4 并非適應所有的應用

服務器虛擬化并不適用于所有的人。如果存在非常高端的應用，而這些應用是非常消耗資源且需要頻繁訪問內存和硬盤，那么就不應該把這些服務器應用放置于虛擬環境之下。而相對來說對性能要求不太高的那些服務器應用，則可以在虛擬環境下運行良好。

3.5 復雜的排錯過程

虛擬化一個服務器意味著對整個系統做了巨大的修改。一個新的復雜的層次被加入了進來，這就引起了新的問題。主要的困難是，如果有樣東西沒有如計劃中正常運行，那么可能需要相當多的額外的工作區尋找原因。

4 服務器虛擬化的趨勢

2011年對于服務器虛擬化來說是令人激動的一年。在這一年中，采用服務器虛擬化技術的企業穩步增長，達到了70%的增長率[5]。在之后的幾年中，虛擬化依舊會是IT界的前沿話題。

4.1 內存虛擬化

與在服務器上添加越來越多的內存相比，不如讓內存成為可以共享的資源。內存虛擬化平臺的原理是：聚集所有節點上的可用內存，使之成為內存池，各個節點的服務器都可以通過共享網絡來使用它。服務器在為內存池做出貢獻的同時，可以實現按需使用。

4.2 開源虛擬化的發展

在虛擬化廠商NxTOP看來，對個人計算機來說有4種基本部件，硬件、操作系統、應用程序和用戶數據，而他們的目標則是，虛擬化這些部件并使得IT管理員可以通過網絡，管理這些系統而不是單獨地處理每一個實體系統。

4.3 桌面虛擬化

桌面虛擬化技術正在被加速應用。在大量對網絡和存儲系統的測試和分析后發現，從經濟上來看，將桌面終端整合到虛擬桌面并沒有太多的優勢。但是新技術的推出，如固態磁盤和I/O虛擬化，正在推動桌面虛擬化進入應用階段。

5 結論

服務器虛擬化可以為企業帶來有形的（開銷上的）和無形的（性能上的）收益。雖然前者能夠讓企業的領導者們充分領略虛擬化所帶來的好處，也是他們所看重的，但是性能上的收益，才是可以將IT設施當作可提升企業市場競爭力的戰略資源的原因。

另一方面，作為一門新興技術，虛擬化也存在不少問題。當然，我們也有理由相信，隨著時間的推移和各方的努力，這些問題都會得到不同程度地解決。

總之，虛擬化是趨勢所在，企業應當從自己的實際情況出發，綜合考慮虛擬化后帶來的各種影響，找到一個適合自己的模式。

[1]ZhangCha.企業服務器虛擬化率不到 40% [OL].比特網,2011.

[2]金海.計算系統虛擬化:原理與應用[M].北京清華大學出版社.2008.

[3]Robin Layland.The dark side of server virtualization [OL].Network World,2010.

[4]Nicole Lewis.Virtualization Security[OL].www.focus.com,2009.

[5]王偉綱.服務器虛擬化[J].金融科技時代，2010.(2)