解读三种虚拟化之路连载三：虚拟化技术趋势

.   通过BT实现的全虚拟化今天仍是主流

BT支持下的全虚拟化目前仍然是主流，是今天就可以部署的最可靠的虚拟化技术。VMware的虚拟化也在Windows和Linux操作系统环境下提供最高的性能，同时提供了丰富的企业级功能和管理性。通过BT，除了在Intel CPU上不支持64位的客户操作系统， VMware可以在生产环境下支持全虚拟化和硬件辅助虚拟化，并且性能良好。

BT支持下的全虚拟化在未来的几年内将继续保持良好发展势头，不需要更改操作系统，通过高级BT来提高性能。当然，硬件辅助虚拟化也将慢慢走向成熟，推进虚拟化性能不断提升。

2.   硬件辅助虚拟化是未来方向，但是目前性能仍然没有达到预期

去年Intel和AMD发布的硬件辅助虚拟化硬件辅助虚拟化的第一步，通过硬件辅助虚拟化，可以移除BT或对操作系统的修改。就像Xen利用的那样， As Xen has 这些初期的功能将建立hypervisor变得简单了很多，再也不需要借助BT或者修改操作系统了。Xen利用这些硬件辅助功能来实现Windows虚拟化，但是性能很差，远不如VMware的BT虚拟化或者XenLinux的半虚拟化。第一代硬件辅助虚拟化部署了苛刻的编程模式，将hypervisor到客户操作系统的损耗大大提高了，这使得第一代硬件辅助虚拟化的性能低于VMware的BT虚拟化实现。VMware正在同Intel和AMD一起努力，来增强未来硬件虚拟化的设计，进一步提高硬件辅助虚拟化的灵活性和性能。

第二代的硬件虚拟化将提供更高的性能，大大降低虚拟化损耗。AMD和Intel都已经发布了他们的产品路线图，包括硬件支持内存虚拟化(AMD NPT和Intel EPT)和硬件支持设备和I/O虚拟化(Intel VT-d和AMD IOMMU)。

计算密集的负载已经可以通过BT运行在虚拟化平台上，部署NPT/EPT将无需影子页表，而影子页表直接消耗系统内存，为此进一步显著改善虚拟化性能。将来的CPU对虚拟化支持进一步增强，这将推动硬件辅助虚拟化的广泛应用，但不要期望革命性的变化。处理器在进行着快速的升级换代，处理器速度的提升对虚拟化密度和性能的影响预期将远高于硬件辅助对虚拟化的优化。

半虚拟化技术的进步预期不会带来性能进一步巨大提升，而硬件辅助虚拟化的深化，将通过对CPU、内存和I/O的虚拟化，预期会有很大的性能提升，而未来的hypervisor将会普遍支持硬件辅助虚拟化，也就是说硬件辅助虚拟化将成为hypervisor的默认配置，从而带来虚拟化的性能、管理性的进一步改善。

3.   Xen的CPU半虚拟化带来了性能优势的同时，增加了维护成本

Xen经常将半虚拟化定位为第二代的虚拟化，而将VMware的 虚拟化技术标记为第一代虚拟化技术。实际上，半虚拟化是很老的、有用的虚拟化技术，它可以为某些负载带来很好的性能，但一般都会增加维护成本。我们不否认 在客户操作系统里安装虚拟化管理应用和设备驱动能提高虚拟化性能，但是数据中心用户必须清晰认识到半虚拟化的性能优势和运行修改过的客户操作系统而花费的 大量维护成本之间的厉害冲突。半虚拟化带来的性能提升依赖于运行的负载，大多数用户应用可能因此性能提高很少，很少情况下能达到接近物理机的性能。

Xen的第一大挑战就是处理器的半虚拟化不能支持未经修改的操作系统，很多情况下就不能使用这种方式，比如操作系统本来不允许修改（如Windows），或者有时候需要某种特定版本的Linux。实际上，大多数的数据中心都不愿意将自己的生产应用运行在开源Hypervisor上修改过内核的Linux操作系统中。另外，大量的内核修改会导致客户操作系统和hypervisor之间的数据结构依赖性，该操作系统因此会没法运行在其他的hypervisor或裸物理机上。

尽管很多Linux版本开始将半虚拟化捆绑到操作系统内核里，部署使用半虚拟化操作系统的服务器仍然会增加维护成本和降低灵活性。就象很多公司已经发现半虚拟化的XenLinux不适合企业级应用， 许多虚拟化厂商基于开源Xen而开发的虚拟化产品本身已经放弃了Linux半虚拟化。比如Virtual Iron，他们已经声明半虚拟化走向死亡，已经专注基于硬件辅助的全虚拟化开发，来支持未经修改的操作系统。

这导致了Xen的第二个竞争挑战。Xen 3.x最近紧紧引进了硬件辅助全虚拟化来支持未经修改的操作系统(比如：Windows)。VMware的BT技术十分复杂，性能远高于Xen第一代的硬件辅助全虚拟化，Xen厂商完全没法和VMware竞争，包括性能、可靠性、易于管理等方面。但今天经常引起一些误解：很多厂商说他们的Linux半虚拟化性能优势明显，而很多用户认为他们可能并不需要修改操作系统内核，其实这是非常错误的。

当然，VMware也发现对于某些特定的负载，处理器的半虚拟化确实可以大幅提高性能，但是等到第二代硬件辅助出现之后，半虚拟化的性能优势还很难说清楚，性能提升可能会下降、甚至消失，这已经成为一个悬念。

在VMware看来，处理器半虚拟化的最大问题是对操作系统的修改，这会导致该操作系统对特定hypervisor的依赖性。对于Xen来说，部署深度半虚拟化将带来对hypervisor的极大依赖性，操作系统的内核紧密链接到hypervisor的实现，这带来严重的兼容性问题，因为此时的XenLinux不能在其他的hypervisor上运行，甚至根本没法直接运行在物理硬件上，从而导致必须维护更多的Linux版本。另外，半虚拟化只适用于新的、开源操作系统，因为对操作系统内核的修改需要操作系统厂商的支持。最后，对hypervisor的依赖性会拖累该操作系统内核的更新。

4.   VMware的透明半虚拟化可以平衡性能优势和维护成本

图1. 通过VMI实现的透明半虚拟化

Xen致力于部署修改Linux内核的半虚拟化的时候，VMware正在致力于标准接口的建立来应用操作系统辅助半虚拟化的同时，使得操作系统维护成本不至于增加很多。2005年，VMware提出了透明半虚拟化接口VMI（Virtual Machine Interface，虚拟机接口）的建议标准，建议将VMI作为客户操作系统和hypervisor之间的标准通讯接口。

如图1所示，VMI是位于hypervisor和半虚拟化操作系统之间的接口层，透明半虚拟化保证了同一半虚拟化的操作系统内核可以运行在任何兼容的hypervisor或物理裸机上。它从设计上将所有的VMI调用分成两类，直接内部指令用于裸设备访问，间接调用客户操作系统和hypervisor之间的VMI层，两种方式都确保了性能优异，同时维护性和扩展性也通过VMI的独立性来维持。由于VMI-Linux可以运行适当版本的间接层，使得VMI层可以支持不同的hypervisor。

VMware继续和Linux社区保持很好的沟通，一起来开发半虚拟化接口，以支持多种不同的hypervisor。2006年，VMware发布了开源VMI规范，在渥太华Linux大会上的VMI建议推进了Linux社区paravirt-ops接口的开发。paravirt-ops接口规范由IBM、VMware、Red Hat和XenSource组成的联合小组共同开发，它包含了很多VMI里面提出的概念，来支持透明半虚拟化。通过这个接口，半虚拟化的Linux操作系统可以运行在任何兼容paravirt-ops接口的hypervisor上。VMware积极致力于paravirt-ops客户操作系统接口的开发，从Linux内核2.6.20开始，paravirt-ops已经成为官方Linux内核的一部分。版本2.6.22内核也包括了VMI后端来补充paravirt-ops接口。通过这个同一的规范，Linux操作系统厂商和ISV都只需要支持单一的内核，虽然进行了半虚拟化，但是没有影响性能或者可维护性，这将大大改善半虚拟化的兼容性。

为了让业界体验这个规范，VMware在Workstation 6.0里已经开始尝试性支持VMI，在寄居架构支持半虚拟化的操作系统。该版本的Workstation实现了从2005年开始和Linux社区讨论的透明半虚拟化接口。你也可以下载完整版的VMware Player虚拟机监控器，它也可以支持主流厂商的半虚拟化Linux内核。VMware想通过VMware Player和Workstation里对半虚拟化的尝试性支持，来让开发人员感受VMware的半虚拟化技术实现。

由于这次尝试性支持是基于寄居的虚拟架构，因此并不是来演示半虚拟化的性能，但它可以演示大量消耗CPU负载性能的提升。接下去VMware将会在我们的hypervisor产品上支持半虚拟化，到那时能就可以尽情体验基于标准的半虚拟化带来的CPU和I/O性能的提升。等到半虚拟化操作系统正式投入商业应用，VMware就会在所有的虚拟架构产品线上支持半虚拟化的操作系统。

5.   VMware通过多模式VMM架构来确保性能和灵活性

很多虚拟化公司由于资源的限制，他们的产品都只支持一种虚拟化战略。他们一般都专注于自己的虚拟化实现优势，而很少考虑自己的劣势和功能缺陷，这因此产生了很多的误解。而VMware作为业界翘楚，所有的产品都将各种新的虚拟化技术整合在自己的产品中，以平衡性能、可靠性、功能性和易于管理性。同时，VMware也和业界伙伴紧密合作，不断开发完善虚拟化的生态系统

图2. 多模式VMM架构

VMware提供了灵活的多模式VMM架构来支持每个虚拟机，如图2所示。VMware可以根据不同的负载来选择不同的模式来达到最优性能。在VMware的产品线中应用了同样的VMM架构，包括ESX Server、VMware Player、VMware Server、Workstation和ACE。

今天的负载可以通过32位的BT VMM、64位的BT VMM或者VT-x来实现，从而获得性能最优化，将来的负载将可以运行在同时支持AMD-V+NPT和VT-x+EPT的32/64位的VMM上。VMware提供了灵活的架构来支持新的虚拟化技术，而多模式的VMM利用了BT、硬件辅助和半虚拟化技术，针对不同负载和处理器的组合来选择最为合适的运行模式，从而达到性能最优化。硬件辅助将逐渐走向成熟，并将广泛支持各种不同的负载。

6.   结论

实际上，VMware正在尝试不同的虚拟化技术来提升虚拟化性能，BT、硬件辅助和半虚拟化都是比较有效的x86虚拟化技术，但是他们的价值和重要性仍然在变化中。VMware从1998年开始引领虚拟化的革命，到今天为止仍然继续引领虚拟化业界和标准的发展。未来虚拟化的将会出现基于标准的半虚拟化实现，半虚拟化的操作系统应该可以运行在不同的hypervisor平台或物理裸机上，通过硬件辅助来管理CPU、内存和I/O设备，从而在提升性能的同时，确保兼容性和可管理性。

今天，VMware的虚拟化技术已经被财富100强的所有企业和财富1000强的84％的企业部署应用。在整个虚拟化业界，VMware产品今天仍然在性能、可靠性、稳定性、易于管理性、安全性、支持能力、功能性和合作伙伴生态系统方面领先于所有其他的厂商。

企业级用户在选择虚拟化产品时，要充分考虑虚拟化架构的价值。VMware的专业销售、服务团队可以为企业提供足够的支持来帮助企业认清自己的需求，通过整合评估、ROI工具、案例分析等，企业级用户将更为准确了解虚拟化能够为他们带来的巨大好处和实际收益。

(解读三种虚拟化之路总共三部分，连载到此结束。谢谢各位)