虚拟化概述与虚拟化应用场景

虚拟化、云计算、大数据、智慧城市，是近期以及将来一段时间的热点。现在虚拟化产品很多，做虚拟化的公司也很多，就是一些应用软件也在向“虚拟化”靠近。面对纷繁杂乱的市场，对于我们用户来说，或者对于我们信息中心管理人员来说，需要在什么时候应用虚拟化、又怎么选择虚拟化产品呢？

一、虚拟化分类

虚拟化分为：全虚拟化、OS层-半虚拟化、硬件层虚拟化三种。

1. 全虚拟化的架构图

虚拟化的监视器（hypervisor）是类似于用户的应用程序运行在主机的OS之上，如VMware的workstation，这种虚拟化产品提供了虚拟的硬件如上图所示

2. OS层-半虚拟化的架构图

在OS层实现虚拟化，VM使用的是OS的Image，这种虚拟化也叫SKI（Single kernel Image）。

OS层虚拟化大部分使用web版虚拟主机，高性能计算（HPC）集群和网格计算。系统容易管理和处理这种方法，系统资源在创建vm的同时分配给一定的cpu、内存及磁盘空间，这种类型的虚拟化比服务器虚拟化更有效，但是最大的缺点是VM跟host的OS必须是相同的，因为它们使用的相同的内核，所以，在linux的server上不能跑windows的VM。

3. 硬件层-虚拟化的架构图

硬件层的虚拟化具有高性能和隔离性，因为hypervisor直接在硬件上运行，有利于控制VM的OS访问硬件资源，使用这种解决方案的产品有VMware ESXi 和 Xen server

二、虚拟化方案应用场景及性能优劣

1、Benchmarks性能测试

一个用于测试计算机属性的特定技术被称为benchmarking，这些属性包括：速度、性能、传输速率等等。在benchmarking之前要选择设备，这样就可以在相同设备和工作负载的情况下进行测试，这个负载除了是工作的环境，也包括最坏的情况，因为它不是总是可用的，当巨大的数据进行复制备份时可能导致其不可用。因此，我们有必要通过执行和监视benchmarking程序来制作人工负载。

集中性能：只追求高性能忽略了系统的成本

集中价格或者性能：只追求低成本，忽略了系统的性能

也应该考虑系统的以下属性：

1. 系统的架构：32bit/64bit 64-bit. x86, Itanium, POWER等

2. 系统的cpu数

3. 系统配置： 多集群系统, 或单个非集群系统。

4.  数据库的范围：100GB到数TB

5.服务一些基准包括全天候支持的成本，其他因素不将支持成本纳入最终结果

① I/O benchmark 工具

1. FlexibleI/O

fio是一种工具，它将产生许多线程或进程，执行用户指定的特定类型的I/O操作。fio的典型用途是编写与要模拟的I/O负载匹配的作业文件。

2. Bonnie++

Bonnie++是测试硬盘和文件系统性能的基准工具。Bonnie是一个微基准测试，由Bray于1988、1989和1996年编写，它测量顺序输入和输出，创建和读取文件字符，并在8 KB的块和随机搜索中，以每秒字节数的形式在文件上进行。文件大小是唯一可配置的，而所有其他值都是在Bonnie中硬编码的。从2000年开始，Coker将Bonnie重写为Bonnie++。Bonnie还增加了创建和删除文件、直接I/O和基准ZCAV效果的新功能。Bonnie++能够使用多个文件，用于大于2 GB的数据集

3. Postmark

Postmark是一个模拟电子邮件、netnews和webbase商业软件的宏观基准；由大量短期文件组成的工作负载。当Postmark用于性能度量时，会创建大量文本文件池。而不同的Postmark操作包括创建、删除、读取和写入随机文件选择。最后，在删除其余文件的同时测量删除性能。

Postmark配置非常容易运行，并且具有自己的伪随机数生成器。

这在以下情况下具有优势：

比较不同操作系统的结果，因为它提供了跨平台的相同条件。

而过时的默认配置文件的Postmark不适合当前的硬件，并且无法扩展工作负载。

由于缺乏标准和尺度，结果比较困难工作量Postmark没有更新和维护，因此缺点不太可能得到纠正。

4. Iozone

Iozone是一种文件系统基准测试工具。基准测试生成并测量各种文件操作。Iozone已经移植到许多机器上，并在许多操作系统下运行。Iozone分析了由Norcott编写的文件系统，并通过Capps进行了增强。

Iozone相当多用于测试不同操作，可用于许多操作系统，包括Sun Solaris和DragonFly。

Oppegaard 在表中详细列出了Iozone操作。

② Memory benchmark 工具

1. Bandwidth

分析内存的一种方法是带宽。带宽可以以不同的方式测试内存，除了主内存和视频内存外，还包括CPU 1级和2级现金的顺序读写。带宽测试memst、memcopy和bzero例程的性能和速度。

带宽便于解决内存的性能相关问题

2. mbw(Memory Band Width)

MBW确定用户空间程序可用的“复制”内存带宽。Mbw是另一种内存基准测试工具，在内存中使用两个阵列。

这些阵列的大小是正在测试的物理内存的两倍。用户可以通过命令行给定数组的大小来创建阵列。然后，可以使用不同的方法，包括内存复制函数memcpy（）、按元素复制和按定义块大小的块复制。

3. RAMSpeed

RAMSMP是用C编写的工具，用于对缓存和内存进行基准测试，以确定系统各种内存组件的带宽。RAMSMP一次可以运行18个内存密集型测试，每个测试都可以测量系统内存性能的不同方面

这些测试是重点测试了系统内存操作的读、写和数据操作带宽。

该基准使用浮点和整数运算，因为大多数科学应用程序都使用这些数据类型。

③ CPU benchmark 工具

1. CPU Free BenchMark (former CPUMark)

CPU基准测试需要了解CPU的性能，特别是在虚拟环境中，当多个操作系统例程竞争CPU时。无杯基准测试是一种开源的性能测量工具，用于测试寄存器、算术逻辑单元（ALU）和浮点单元（FPU）。

所有测试都基于一些等式和操作，具体取决于测试。

最终分数=40%分数测试1+80%分数测试2+80%分数测试3

2. SysBench

SysBench是一个开源工具，可以用于几乎所有类型的操作系统和多线程基准测试，SysBench用于评估操作系统参数，这些参数对于在密集负载下运行数据库的系统来说非常重要。

据Kopytov称，SysBench速度非常快，在不配置数据库甚至不在系统上安装数据库的情况下提供系统性能。

3. UnixBench

UnixBench最早于1983年在莫纳什大学启动，是一个开源工具，提供Unix系统的性能测试。

专门针对CPU的系统性能的各个方面。

UnixBench能够评估表3.2中的以下内容：

运行单个任务时系统的性能

运行多个任务时系统的性能

并行处理系统实现的收益

2、性能测试

选择DELL R710服务器一台 ：

Memory Size:

72 GB with speed of 1067 MHz

Hard disk：

Two SCSi

disk with 140 GB each.

选择其中一块盘分别为bare metal 和kvm使用，另一块盘为vmware的vm使用，因为kvm与

RHEL6.1的内核一样，所以不需要特别指定磁盘。

1）先在dell服务器的一块盘安装RHEL6.1，再安装Iozone3.3 测试磁盘 I/O, Ramspeed 2.13.1 测试内存， UnixBench 5.1.2 测试CPU，数据收集。

2）在1）基础上安装KVM，创建一个RHEL的vm，安装上述相同的Iozone、Ramspeed和Unixbench的benchmark工具，再收集数据。

3）在另一块盘上安装vmware的ESXi，并创建与kvm平台中相同配置的VM，再安装上述的benchmark 工具，其中Iozone 要重复70次，Ramspeed 要重复25次，Unixbench要重复3次。
单次运行Iozone的命令如下。

iozone -s 1024M -r 4k -Rac >> iozonetest.txt

ramsmp的命令 ：

[root@naveedramsmp-3.5.0]./ramsmp -b1 -m 2048

unixbench的命令：

[root@naveedunixbench]# ./Run

以上可以通过perl脚本实现多次运行并收集数据。

结果：

1. Iozone的图表中发现：裸机的性能要高于kvm和vmware的vm，因此，虚拟化技术的性能有一定的待提升的空间。VMware的打大部分性能略高于KVM，而在文件大小为64kb的 write, rewrite, random write, record rewrite, forward write and forward re-write要高于VMware，随着文件的增大，KVM的性能越差，在文件大小为1GB时，性能最差，因此，KVM适合小文件的读写，而VMware的性能接近裸机，适合各种类型的文件的读。

2. Ramspeed的图表中发现：裸机的性能要高于kvm和vmware的vm，在内存块大小小于1MB时，KVM的对于整数和浮点数的读写性能高于VMware，块大小大于1MB时，VMware的性能高于KVM,在块大小为4MB时，浮点数的写操作，KVM与VMware的性能相同。

3. 在ALU方面，KVM的性能接近于裸机，VMware的略差2%左右，在其它方面的测试，如：piple throughput 、process creation、shell script、system call overhead，及file system throughput，VMware的性能略高于kvm，但都会低于裸机。
最后就是总结，其实他只选用了rhel的OS，单个机器的性能，未涉及到每个平台多个VM运行的情况，或是最大支持多少VM能正常工作，至于guest OS也可选用其它windows系列。benchmark也可选用其它的。

3、虚拟化方案应用场景

1. Xen

应⽤场景：x86、IA64和AMD、Fujitsu、IBM、Sun等公司的ARM以及x86/64 CPU商家和Intel嵌⼊式的⽀持的全虚拟化和半虚拟化解决⽅案。

优势：Xen⽀持准虚拟化，需要修改客户机操作系统，⽽修改过的客户机操作系统能有更好的性能；此外Xen也⽀持全虚拟化，未经修改的操作系统也可以直接在Xen上运⾏(如Windows)，能让虚拟机有效运⾏⽽不需要仿真，因此虚拟机能感知到hypervisor，⽽不需要模拟虚拟硬件，从⽽能实现⾼性能。

劣势：如果你需要更新Xen的版本，你需要重新编译整个内核，⽽且，稍有设置不慎，系统就⽆法启动。

2. KVM

应⽤场景：X86架构且硬件⽀持虚拟化技术（Intel V或AMD-V）的Linux的全虚拟化解决⽅案。

优势：不需要重新编译内核，也不需要对当前kernel做任何修改，它只是⼏个可以动态加载的.ko模块，结构更加精简、代码量更⼩。所以，出错的可能性更⼩，并且在某些⽅⾯，性能⽐Xen更胜⼀筹。

劣势：KVM可以运⾏在不⽀持虚拟化的CPU硬件上，但是在这样的话，效率会很低；KVM也可能会和虚拟机virtualbox冲突；KVM 只是提供命令⾏接⼝，⽤户可以写脚本来管理KVM，并没有⼀个友好的GUI。

3. Hyper-v

应⽤场景：适⽤于Microkernelized Hypervisor架构服务器虚拟化解决⽅案。

优势：没有操作系统的要求，来控制所有的组件，这是它最⼤的优势超过微软的Hyper-V  Microkernelized   Hypervisor的架构； 在“控制层”运⾏的组件没有安全补丁。

劣势：Vmware的vSphere硬件⽀持不好；VMware vSphere不安全，因为VMware在“Hypervisor层”提供API的⼊⼝，恶意的代码有可能会进⼊到这层，甚⾄⿊客可以控制“Hypervisor层”之后就可以控制运⾏在vSphere服务器上所有的虚拟机。

三、虚拟化应用场景及解决方案

1、不适合进行虚拟化的应用

虚拟化不是万能的，并不是所有的应用都能进行虚拟化的。我们要明白，虚拟化是整合应用、共享使用资源（包括CPU、内存、存储、网络），虚拟化是“以一当十”（甚至更多），虚拟化后一台服务器是当成多台服务器使用的。

简单来说，如果某个应用程序（或软件，或应用），在单台的服务器上处理起来都很“费劲”，那将这些应用迁移到虚拟机中进行虚拟化，速度会更慢，无疑这种情况下是不适用虚拟化的。

一般来说，对于大多数的图形、图像、视频处理工作站，占用资源比较高的数据库服务器、科学运算的应用，这些都是不适合进行虚拟化的。

在一个企业的整体应用中，虽然单个应用（例如需要高性能的数据库服务器）不能虚拟化，但大多数的其他应用都是可以进行虚拟化的。例如在某个应用中在下图所示的应用中，在一个具有负载均衡的应用中，前端服务器可以运行在虚拟机中，而后端的数据库则是运行在物理机中。

                                              带负载均衡的应用

2、服务器整合与合并可以使用虚拟化

当单位中有多台物理服务器时，并且每个服务器只运行有限的应用时，这些服务器大多都可以进行虚拟化。根据我们的经验，在当前的条件下，可以按照1：10～1：15（甚至更高）的比例，对单位中原来的物理服务器进行虚拟化。例如，对于大多数政府信息中心都放置了大量的服务器，每个服务器可能只是某个部门的网站或应用服务器，这些服务器都可以进行虚拟化。对于有10～20个机柜、100～200台物理服务器的数据中心，使用虚拟化技术，使用8～15台物理服务器即代替原来的100～200台物理服务器，虚拟化后只需要2个机柜即可。而且，对于大多数的单位，使用虚拟化的物理服务器，不一定重新采购，只需要从现有数据中心中选择近一两年购买的服务器，并扩充内存、添加存储即可。

对于新建数据中心，升级或改造机房时，应该有计划的实施虚拟化技术。

无论是升级、改造机房实施虚拟化，还是新建数据中心实施虚拟机，在产品选择时，服务器虚拟化产品优先选择VMware vSphere。

3、从物理机到虚拟机

对于服务器虚拟化产品，选择VMware vSphere 5.5是当前最好的选择。在实施虚拟化的过程中，虽然我个人不提倡P2V（将物理机迁移到虚拟机），但使用VMware 的P2V工具vCenter Converter，将物理机转移成虚拟机，基本上可以100%成功。在实施虚拟化的过程中，对于原来物理服务器向虚拟服务器迁移时，我个人倾向不是使用P2V工具迁移，而是在VMware ESXi中新建虚拟机，然后再迁移数据到新的虚拟机中，代替原来的物理机，这样兼容性会更好。下面以迁移某台物理服务器为例，主要流程如下：

（1）登录进入要迁移的物理机，记录当前硬件信息，例如CPU的数量、频率、CPU的使用率，内存大小、已经使用内存，硬盘大小、分区数量、每个分区的大小、每个分区使用的空间。根据这些数量，计算目的虚拟机需要的CPU数量、内存大小、硬盘空间。一般情况下，以目标虚拟机的CPU利用率在30%以下、内存50%以下、硬盘空间50%以下为宜。

（2）根据上一步的统计结果，计算与其对应的虚拟机的参数。例如，源物理机有2个CPU、CPU频率3.0Ghz、当前CPU使用率10%，这样计算需要2×3.0Ghz×10%÷30%＝2.0hz，而新的ESXi Server CPU频率是2.0Ghz，则分配1个vCPU即可以满足需求。如果源物理机有8GB内存，使用了2GB，则为目标虚拟机分配4GB内存。如果源物理机有3个分区，每个分区使用40GB、60GB、80GB，则为目标虚拟机分配硬盘为（40+60+80）×2＝360GB即可。统计之后，根据计算结果创建虚拟机。

（3）在虚拟机中安装操作系统，安装的操作系统与源物理机最好一致，在安装操作系统的过程中，参照源物理机的配置划分分区数量，分区大小分别为原来每个分区使用空间的2倍，但系统分区至少需要40～80GB空间。

【说明】如果操作系统是Windows Server 2003，则系统分区保持40～60GB即可，如果是Windows Server 2008及其以后系统，则需要60～100GB为宜。

（3）安装好虚拟机操作系统之后，对照源物理机，安装源物理机中的应用程序。安装之后，通过网络或活动硬盘等介质，从源物理机备份（复制）数据到新的虚拟机。数据恢复之后，配置应用程序。

（4）关闭源物理机，修改目标虚拟机的IP地址，代替源主机对外提供服务。

（5）等待业务运行一段时间，一般为7～15天即可。运行正常，源物理机可以另做他用。

4、传统的双机热备可以改用虚拟化

对于医院、医药公司，单位财务部门使用的“关键应用”的服务器，为了提高系统的可靠性，大多配置了“双机热备”，即两个相同配置的服务器+共用的存储，在两台服务器上安装操作系统及数据库应用程序，将后台数据库保存在存储上。在这种传统的双机热备系统中，服务器的浪费率是最高的，因为同一时刻只有一台服务器对外提供服务，另一台虽然也在开机，但安装在这台服务器上的应用则处于“待机”状态，只有另一台服务器出现问题时，这台服务器才能接管服务，对外提供服务。在大多数的双机热备系统中，每个双机热备系统只运行一个应用，如果有多个应用，就需要有多套“双机热备”的系统。可以说，对于一个单位来说，部署的双机热备的应用越多，浪费也就越严重。另外，在配置双机热备的系统时，服务器及存储的硬件选择，也是远远超过了所部署软件的需求。例如，某医院的某个应用系统，配置的双机热备服务器，为每台服务器配置了64GB内存、2个Intel E5-2650的CPU、8TB的存储，但实际这个应用在高峰时期的内存只有21GB、CPU利用率9%以下，而这套系统运行1年之后的数据量一共300GB左右。传统双机热备如下图所示。

                                                            双机热备

对于这些双机热备系统，可以使用VMware vSphere虚拟化软件，通过配置HA来实现。可以说，在启用了HA之后，群集中的每个虚拟机（对应每个应用）都是“高可用”的。如果说，配置一套双机热备需要2台服务器、1个存储外，使用同样的硬件可以配置多个“高可用”的应用。

通常情况下，我们在设置vSphere群集时，一般最小设计3台ESXi主机（每台主机推荐4个网卡）、1个存储、1个vCenter Server（放置在ESXi虚拟机中），这样的虚拟化群集之上运行的虚拟机以及运行在虚拟机中的应用程序，都是高可用的，如下图所示。

                                               vSphere高可用群集

现在唯一的区别是，在传统的双机热备中，某个主机出错由另一个主机接管的时间很小，而采用vSphere群集，当某个主机出故障时，这个主机上原来运行的虚拟机，由其他主机接管并对外提供服务时，需要有个“重新启动”的时间。当然，对于90%以上的企业，是可以容忍这个“重新启动”的时间的，一般在1～3分钟之内。

如果你需要和双机热备一样，需要实现“零中断”的虚拟机，也不是不可以。vSphere中的“FT（容错）”可以提供这个功能。在为虚拟机启用FT功能后，同一虚拟机会在两个不同的主机运行，并且一个虚拟机为“主”，另一个辅助虚拟机为“只读”版本，当“主”虚拟机所在主机出现问题时，“辅助”虚拟机会变为“主”虚拟机对外提供服务，这个过程可以达到“零切换时间”。只是当前的vSphere 5.x的版本中，启用容错配置的虚拟机只能配置一个CPU，估计这个问题会在vSphere新的版本中解决。

在有“双机热备”的企业中，如果实施虚拟化相对也是比较容易的，因为企业中有备用的计算机可以做虚拟化主机（双机势备系统中的另一台不用的计算机，在项目实施的初期可以安装VMware ESXi）。

5、传统桌面升级改造可以使用虚拟化

当前企业中有大量运行Windows XP的计算机，随着Microsoft停止对Windows XP操作系统的支持，这些计算机需要逐渐升级到Windows 7或Windows 8.1。但这些运行Windows XP的计算机配置较低，如果升级操作系统还需要升级甚至更换硬件。如果采用传统的方式，只能是更换新的主机以适应新的操作系统。而现在借助VMware View虚拟桌面则有了更多的选择。企业可以通过配置VMware View桌面来解决这个问题。在不更换工作站的前提下，工作站仍然运行Windows XP操作系统，但用户在使用时，则是使用View Client登录Windows 7或Windows 8.1的虚拟桌面，这相当于使用用户原来的硬件设施运行Windows 7。而用户的数据仍然保存在运行Windows XP的本地硬盘中，如果有打印任务，仍然是打印在用户当前的打印机上。如果有其他外设，例如USB的摄像头、其他外设，都是可以映射到VMware View桌面中使用，与使用本地计算机相同。

在使用View桌面一段时间之后，可以将原来的PC主机更换为支持VMware View的瘦客户端，以达到节能降耗的目的（传统的PC主机功耗大约在130W，而新型的廋客户端功率只有不到20W甚至只有几W）。

6、 虚拟化项目中存储的选择

   在企业实施虚拟化的时候，优先推荐使用SAN，并且是基于FC或SAS直连的共享存储，不建议使用iSCSI存储。因为vSphere的一些高级功能，例如vMotion、HA、DRS，都是依赖于共享存储。存储性能的坏以及服务器到存储的连接速度，都影响虚拟机的性能。

  从vSphere 5.5版本开始，又有了新的选择。企业也可以考虑使用VMware VSAN技术，将服务器本地硬盘虚拟为存储区域网络，用于VMware虚拟机及View虚拟桌面。目前，VSAN要求至少有三台vSphere主机，安装ESXi 5.5及vCenter Server 5.5，每台主机必须要有一块SSD固态硬盘（用于数据缓存）、一块本地硬盘。目前还不建议使用VSAN取代SAN，但是可以使用VSAN作为一个新的存储层，例如做VDPA备份设备的存储空间。

   不建议使用VSAN的另一个考点时，如果使用共享存储，可以利用DRS及DPM功能，将虚拟机集中整合到几台主机，将资源闲置的主机处于“待机状态”而节省能源。但如果使用VSAN，可能这一效果就要大打折扣。

7、vSphere虚拟化产品的选择

在我们规划与实施虚拟化的数据中心时，推荐最小使用三台主机、2台存储，如下图所示。每台主机推荐4个网卡、至少2个CPU、64～128GB内存。存储、网络交换机与服务器之间都需要有冗余连接。在选择2台存储时，如果都是FC或SAS的存储，则可以在两台分别存放虚拟机，并在另一台存储存放备份；如果1台是FC或SAS存储，1台是iSCSI存储，则将虚拟机存储在FC或SAS存储，另一台做备份。

                                                vSphere数据中心中设备连接示意图

在使用vSphere的时候，为虚拟化数据中心配置HA，并启用DRS、DPM功能。在大多数的数据中心中，当负载较重时，群集中的每台主机都会开启运行；而当负载较轻时，DRS会迁移虚拟机、集中到某2台主机中，而DPM则会将暂时不用的主机进入“待机”状态，这样会减少能源的消耗。当负载变重时会依次打开待机的主机，并在主机间调整虚拟机。

在部署好vCenter Server、ESXi后，最好部署VDP（Sphere Data Protection）或VDPA（vSphere Data Protection Advanced）备份装置，备份数据中有重要应用的虚拟机，如果备份空间满足需要则备份所有虚拟机。在选择备份位置时，要选择与虚拟机不在同一位置的备份设备。例如，如果虚拟机运行在FC或SAS存储上，则可以将备份位置选择另一存储。当没有多余的存储时，可以将数据备份在某台服务器的本地硬盘空间。

在我们实施虚拟化项目时，都会购置新的存储。在实施虚拟化项目后，可以使用的数据中心原来的存储做备份使用。如果数据中心没有多余存储，可以用节省下来的服务器做网络存储，或者使用服务器的本地硬盘提供的共享文件夹用做存储位置，这些都是折衷的办法。

当数据中心中虚拟机数量较多、应用较多时，需要选择vCenter Operations Manager，用于动态监控vSphere数据中心。vCenter Operations Manager 从虚拟环境每个级别的每个对象（从单个虚拟机和磁盘驱动器到整个群集和数据中心）收集性能数据，它存储并分析这些数据，而且使用该分析提供关于虚拟环境中任意位置的问题或潜在问题的实时信息。

虚拟化不是万能的，但没有虚拟化是万万不能的。随着企业信息化的发展，各种应用的增加，以及单位领导、信息中心主管观念的改变，虚拟化作为一项基础的应用，其发展会越来越好。各类组织借助虚拟化公司的软件，实施了虚拟化从数据中心到云到移动设备等各类基础架构，简化了企业IT的运营，让业务更加敏捷、高效。

其中VMware 率先使用虚拟化和策略驱动的自动化技术，简化整个数据中心的 IT 复杂性。