IBM p5服务器系统虚拟技术详解

随着各行业信息化的发展，用户在等硬件基础设施上的投资不断加大，设备数量也急剧增多。但普遍的是，数量众多而且各自独立的硬件设备难以实现资源快速灵活的调整和共享。比如：虽然几乎所有的对性能的需求都存在高峰和低谷，并且两者往往差异巨大，但是由于部署在不同的服务器上，不同系统的资源无法共享，这造成每个系统都要按照性能峰值来设计，造成大量的闲置和浪费。“化”正为了优化资源适用效率，提高系统快速反应能力而提出的。
对于IBM来说，虚拟已经不是一项新技术，在其大型机上就已经得到广泛应用。IBM经过多年的经验积累和不断的投入开发，正逐步把虚拟技术迁移到IBM p系列UNIX/Linux服务器等上。新一代IBM p5系统在硬件平台发布的同时也包括了与其相配套的最新虚拟技术，包括微分区、虚拟I/O和分区技术。

图：POWER的高级虚拟化技术

微分区技术
IBM的微分区源自大型主机技术，是基于服务器虚拟化领域的二项主要突破：物理处理器和I/O设备的虚拟化。二项虚拟化都可实现分区对这类计算资源的共享。此外，还有其他众多相关技术，包括可精细调整的资源分配，更大分区数量的承载能力和更高资源利用效率。
新一代基于POWER 5 / 5+的服务器上的虚拟化是基于POWER 4的服务器上的分区模式的增强。
在基于POWER 4的服务器上，每个处理器只能被唯一地分配一个分区。因为被分配的处理器被唯一的分区占据，所以跨分区的处理器共享是十分困难的，所以这些分区被称作绑定分区（Dedicated Partition）。
在全新基于POWER 5 / 5+的系统中，微分区模式使单个物理处理器被“抽象”成多个虚拟处理器，并可分别进行分配。虚拟处理器不能再被共享，但它们的根基—物理处理器则是共享的，因为这些物理处理器已经在“平台层面”进行了虚拟化。这种“共享”是全新分区模式中最根本的特点，并具备“自主运算能力”。绑定有虚拟处理器的分区则被称为共享处理器分区。

图：p5服务器的微分区技术

必须强调的是虚拟化的“抽象”过程是由硬件和POWER Hypervisor（固件的一个组成部分）共同完成的。除非专门赋予一个区别物理和虚拟处理器的能力，否则从操作系统的角度来看，一个虚拟处理器和一个物理处理器是完全没有区别的。在硬件/固件上实现分区最大的在于只要经过很少甚至根本不需要进行应用移植，用户就可以充分利用POWER 5 / 5+及其相关技术。此外，为达到更理想的性能表现，还可以选择进一步增强操作系统的功能，实现对微分区技术的深度利用。例如当系统处于空闲时，系统会自主地将CPU的周期释放给POWER Hypervisor，将资源供给需要的分区。全新推出的AIX 5L V5.3操作系统是第一个拥有此类功能的AIX 5L版本。

图：AIX 5.3新增功能

系统管理员在设置和管理系统时，在为一个分区指定虚拟处理器数量的同时，也就相当于为它指定虚拟处理器背后所支持的物理处理器数量和容量。所谓指定“容量”，是指系统管理员可以将一个物理处理器的部分计算能力分配给一个分区，而不必受限于处理器物理上的单位和个数。
实现“更精细”分配处理器计算能力后，给定系统平台就能被划分成更多的分区，所能同时支持的工作负荷也实现了最大化。虽然系统管理的通常做法是将众多应用装在一个操作系统下，但绝大多数用户出于性能表现和稳定性方面的考虑，希望各个应用或工作负荷间的干扰最小。面对这样的需求，最好的办法是将不同应用或工作负荷放在完全分开的系统分区。较之传统逻辑或物理分区系统，共享处理器技术因为能支持更多分区，使这样的需求得以更好满足。
该技术另一个重要方面就是能显著提高物理处理器的利用率。有二点可以证明：
1. 在分区层面上，处理器的处理能力能得到更精细的分配，这主要是源于处理器可以更精细地进行分配。
2. 分区上的操作系统具有主动“上缴”计算能力的功能。当一个分区没有什么工作需要做的时候，系统管理程序(hypervisor)就会将处理器“上缴”的空闲计算能力分配给其他需要的地方。通过提高物理处理器的利用率，在系统平台层面上有效降低了系统空闲时间。
从成本角度看，用户现有UNIX系统的利用率常常只有10~25%，一味地通过增加服务器和处理器数量来满足应用，势必使成本上升而收效甚微。而常见的分区技术往往是以大于或者等于1颗物理处理器为单位实现的，在实际应用中这一界限有时并不够精细，尤其是随着单位CPU的处理能力的不断提高，就更是如此。
如果采用微分区技术，效果将十分显著。因为这意味着用户在服务器整合中，不再需要买那么多的处理器及其处理能力，资源的划分和共享也将更为精细。
虚拟I/O
I/O虚拟包括四项独特的功能：
1） 虚拟以太网
2） 共享以太网适配器
3） 共享通道适配器
4） 虚拟磁盘器

图：虚拟体系结构（以p5 570为例）

通过共享适配器和磁盘存储器，用户不再需要将它们一对一地绑定在逻辑分区上，而可以实现多个逻辑分区共享某个适配器或磁盘，这使得I/O模式更富有经济性。
用户可以设置虚拟以太网，从而逻辑分区间的通信网络。POWER Hypervisor充当了符合IEEE标准的以太网，而各个逻辑分区的操作系统实现了虚拟以太网适配器。POWER Hypervisor以太网交换也使IEEE虚拟局域网机制能够发挥作用。使用虚拟以太网，用户可以部署逻辑分区间的通信，这可在节省大量物理以太网适配器、扩展空间和物理线路的同时提高通信带宽。
要让服务器内部共享以太网及光纤通道适配器和虚拟磁盘存储器，必须首先建立管理逻辑分区（Hosting LPAR）。基于AIX 5L操作系统的管理逻辑分区会被封装起来，用以简化系统管理。这些管理逻辑分区管理着物理的硬件资源，并将这些资源共享给众多“客户”逻辑分区。管理和“客户”逻辑分区间的通信由一组系统管理程序（hypervisor）来实现。
 二层数据包转发器（Packet Forwarder）是实现物理以太网适配器共享的核心，它负责传递客户逻辑分区和物理以太网适配器间的通信数据包。
 向“客户”逻辑分区分配和映射SAN  LUN，实现了共享物理光纤通道。管理逻辑分区中的多路径I/O软件能保护管理逻辑分区和SAN存储管理器间光纤通道的错误。
 管理分区中的AIX 5L 逻辑卷管理（LVM）实现了虚拟磁盘存储器。系统中的磁盘卷将成为“客户”逻辑分区的虚拟磁盘。管理逻辑分区同样能有效实现SCSI目标模式（SCSI Target Mode）
用户能通过运行多个I/O管理逻辑分区来提高系统可用性。“客户”逻辑分区能运行多路径I/O软件防止主机分区的错误。
推动“自主计算” 虚拟技术为客户带来价值
企业已经迎来了快速成长的时代，业务日趋复杂，办公场所逐年增加，所有这些都给IT建设提出了更多挑战。传统的环境中，服务器数量将无序增长，应用增加、重叠和互相干扰，又引致服务器数量的进一步增加，形成恶性循环，这无疑都导致IT管理成本呈现几何级数增长。要打破恶性循环链，实现自主计算，并大大简化IT基础架构，虚拟化无疑是理想的选择。
服务器整合和集中 随着企业的发展，IT部门积累了各个时期运行各种应用的大大小小服务器，拥有逻辑分区能力的IBM p系列服务器在这样的环境就大有用武之地，IBM p5系统的微分区技术更可大放光芒。通过微分区技术，用户将可以根据实际应用的计算力需要，将基于POWER 5 / 5+处理器的系统划分成大小不一的微分区，实现虚拟微分区对现有物理服务器的完全取代。以单台基于POWER 5 / 5+的p5系统取代数百台小型服务器，实现服务器的整合和集中，微分区技术功不可末。
虚拟刀片服务器 IBM微分区技术可以在单台p5系统上配置出数百片“低成本”的独立虚拟刀片分区，其效能与IA架构刀片服务器环境相仿。在一个刀片环境中，独立的刀片必须具有处理瞬间任务高峰的计算能力（比如奥运网站的服务器）。但是一般来说，大多数刀片都没有在其计算环境中发挥出应有的计算效率。可以说IBM p5系统上的微分区和虚拟以太网技术就是为这种高密度计算环境而生，因为在同一台基于POWER 5 / 5+的服务器上，由微分区所实现的虚拟刀片之间可以实现自主负载调度，从而提高系统效用；而虚拟以太网技术提供了虚拟刀片间低成本高速的通讯快车，其速度可以与系统总线媲美。
生产和批处理/测试系统 微分区技术为同一系统中共存的生产和测试系统提供了理想的运行平台。系统管理员可以给生产微分区划拨应用所需要的大量资源，并保证应用系统能够高速地运行；同时，管理员可以给测试微分区划拨最少的指定资源，并允许他们获得其他的空闲计算资源或计算周期。
互补的生产系统
在这样的环境中，系统性能表现至关重要。用户经常能发现，有时候其服务器间的工作负荷呈现这样一种状态：当一台服务器的工作负荷正处于高峰时，另一台服务器的负荷恰好处于谷底，例如超市白天的交易服务器相当繁忙，而结算服务器基本空闲。二者如果能实现互补，将能极大提高系统效用。在这样的环境下，动态逻辑分区能在一定程度上解决这个问题，尤其是虚拟化所实现的微分区技术能够瞬时在微分区间精细地调度计算力，大幅度提高系统的效用。