IBMPowerVM虚拟化架构大局观与绿色IT.docx
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IBMPowerVM虚拟化架构大局观与绿色IT
IBMPowerVM虚拟化架构大局观与绿色IT
当今世界,“绿色”已成共识。
绿色食品、绿色建筑、绿色设计、绿色经济,人类社会吹起了阵阵“绿色”旋风。
IT界自然不甘落后,绿色计算应运而生。
它致力于实现高效的IT架构,降低能耗,促进信息技术的可持续性发展。
在企业的IT支出中,能源消耗所占的比重日益增大,制约着投资回报率,节约成本成为绿色计算的首要驱动因素。
Gartner预测,绿色计算在未来数年将成为最热门的技术发展趋势之一。
IDC认为,中国企业在未来3-5年的时间里将迎来绿色计算和节能建设的新高潮。
IBM是绿色计算的倡导者和先行者,拥有悠久的环境保护传统,于2007年启动的绿色创新工程(ProjectBigGreen),并提出了改善数据中心能效的五个步骤:
诊断(评估现有的能力)、构建(计划和构建高能效的数据中心)、虚拟化(虚拟化IT基础架构)、管理(进行能效控制)和冷却(使用液体冷却资源)。
虚拟化在资源的整合、共享和灵活性方面具有独特的优势,是实现绿色计算的重要途径。
它包括服务器虚拟化、网络虚拟化、存储虚拟化和软件虚拟化等方面。
IBM在POWER平台上实现了一种企业级的虚拟化架构—PowerVM,它是IBMUNIX服务器取得成功的重要因素,在绿色计算的浪潮中也必将发挥重要的作用。
本文将介绍IBMPowerVM的总体架构及其完善的虚拟化特性,并讨论PowerVM如何助力绿色计算。
PowerVM的总体架构
逻辑分区(LPAR:
LogicalPartition)是PowerVM最基本的概念。
PowerHypervisor直接管理硬件,根据需求将系统划分成若干逻辑分区。
每个逻辑分区相当于一台独立的机器,不同分区独立运行,互不干扰。
PowerVM实现了如下完善的虚拟化特性,为各种资源提供了专用和共享模式,实现了性能、资源共享和灵活性的统一。
这些特性可以用于Power服务器的各种机型,降低了学习和管理的成本。
PowerVM可以通过硬件管理控制台(HMC:
HardwareManagementConsole)、集成虚拟化管理器(IVM:
IntegratedVirtualizationManager)或者更加高级的VMControl进行管理。
VMControl是IBMSystemsDirector中的插件,可以帮助用户方便地创建需要部署的安装映像,同时便捷地进行部署、调整以及管理,从而极降低了相应的工作量和需要的时间。
处理器虚拟化特性:
专用处理器、微分区(Micro-partitioning)、共享处理器池和同时多线程(SMT:
SimultaneousMulti-threading)
存虚拟化特性:
专用存和动态存共享(AMS:
ActiveMemorySharing)
网络设备虚拟化特性:
专用网卡、虚拟以太网和主机以太网适配器(HEA:
HostEthernetAdapter)
存储设备虚拟化特性:
专用SCSI适配器、虚拟SCSI适配器和虚拟光纤通道适配器(NPIV:
N_PortIDVirtualization)
动态虚拟化特性:
动态逻辑分区(DLPAR:
DynamicLogicalPartitioning)和动态分区迁移(LPM:
LivePartitionMobility)
AIX专有的特性:
工作负载分区(WPAR:
WorkloadPartition)和动态应用迁移(LiveApplicationMobility)
Linux专有的特性:
Lx86,实现了POWER架构对x86体系下的Linux应用程序的二进制兼容
处理器虚拟化
专用模式下,处理器必须以个为单位进行分配。
即使工作负载只需要1.1个处理器的计算能力,也必须分配2个处理器,造成了资源的浪费。
微分区,即共享模式允许将POWER处理器的时间片最多分成100份来使用,从而可以用最少的处理器资源满足上述要求。
共享处理器池和微分区配合使用,允许使用微分区在负载增大时暂时借用其它分区过剩的计算能力。
这种特性对于负载峰值不重叠的业务非常有效,分区只需要分配正常负载而不是峰值所需要的计算能力。
微分区提高了资源的利用率,却带来的一定的开销,在一定程度上影响了业务的性能。
对于需要保证稳定性能的应用,建议使用专用处理器模式。
两种不同类型的处理器模式可以同时在一台服务器上的不同分区上使用,用户可以根据业务负载的特点选择最佳的组合。
处理器的流水线由于Cache不命中等原因一般处于不饱和的状态,当某个指令流的执行停滞时,可以调度执行另外一个指令流,从而增强整个处理器的处理能力。
POWER芯片实现了同时多线程SMT,每个线程都是操作系统可用于进程调度的独立单位,即逻辑处理器。
存虚拟化
动态存共享允许多个逻辑分区共享相同的存,这使得它们所能看到分区存总和大于物理存。
由于一段时间分区的活跃存仅占总量的一部分,不活跃的存被Hypervisor交换到外部存储,从而实现了存的动态共享。
由于增加了交换的开销,动态存共享比较适用于峰值错开,存争抢不太频繁的情况。
对于要求稳定性能的应用,建议使用专用存。
然而,动态存共享并非性能差的代名词,当不活跃存增多且持续较长时间时,某些分区可以获得更多的存来提高性能。
因此,性能和节能并非鱼和熊掌不可兼得,微分区技术也是如此。
网络设备虚拟化
PowerVM的虚拟网络特性包括虚拟以太网、虚拟以太网适配器和共享以太网适配器。
虚拟以太网基于IEEE802.1Q标准,是由Hypervisor实现的。
逻辑分区通过虚拟以太网适配器连接到虚拟网络,同一机器的不同分区之间可以通过虚拟网络进行高速安全的通信。
如果要跟外部网络进行通信,还需要共享以太网适配器。
共享以太网适配器是虚拟I/O服务器(VIOS:
VirtualI/OServer)上的链路层网桥,将该分区的虚拟以太网适配器ent1和物理网卡ent0桥接在一起,把虚拟以太网和外部以太网连接成一个更大的网络。
VIOS是Power服务器上的一种特殊的逻辑分区,运行定制的AIX,用于为其它分区提供虚拟的I/O资源,是PowerVM的一个重要组成部分。
虚拟网络允许用少量的物理网卡满足分区的网络通信需求,节约硬件成本,但是不适用于需要跟外部网络进行大量通信的应用。
在这种情况下可以使用专用网卡或者主机以太网适配器,也称为集成虚拟以太网(IVE:
IntegratedVirtualEthernet)。
HEA是一种高速度和易共享的网络设备,被虚拟成若干逻辑设备,每个逻辑设备有各自的MAC地址,可以分配给任意分区;分区直接通过HEA进行网络通信,从而减少了跟VIOS交互所带来的开销。
逻辑设备共享网络带宽,当某些逻辑设备网络吞吐量较小时,剩余的带宽可供其他逻辑设备使用。
和虚拟网络一样,HEA也支持逻辑分区之间的直接通信,无需通过外部网络。
存储设备虚拟化
在专用SCSI模式下,适配器和所连接的所有磁盘必须同时分配给同一个分区。
虚拟SCSI技术允许重新分割磁盘资源,以更小的粒度进行存储分配,用少量的存储资源满足分区的需求,或者用相同存储资源划分出更多的分区。
虚拟SCSI采用client/server模式,包含服务器端和客户端虚拟SCSI适配器。
服务器端虚拟SCSI适配器由VIOS提供,VIOS上的存储资源被映射到该适配器,可以是整个物理磁盘、逻辑卷或者文件等等。
Power服务器使用LRDMA(LogicalRemoteDirectMemoryAccess)协议在客户端虚拟SCSI适配器缓冲区和VIOS的物理适配器之间直接传输数据,提高数据传送的速度。
由于需要通过VIOS进行存储映射,因此虚拟SCSI存在性能损耗。
为了提高I/O吞吐量,除了专用的物理SCSI适配器外,还可以使用虚拟光纤通道适配器NPIV。
它是PowerVM对ANSIT11光纤信道协议的一种实现,基本架构主要包括:
NPIV物理光纤通道适配器、VIOSpass-through模块、服务器端虚拟光纤通道适配器和客户端虚拟光纤通道适配器。
和HEA类似,NPIV也是一种硬件实现,可以虚拟成多个逻辑设备,每个设备有各自的WWPN(WorldWidePortName),逻辑分区通过逻辑设备跟SAN进行通信。
与虚拟SCSI相比,VIOS只转发I/O读写,不需要复杂的磁盘映射,因此NPIV能够提供更高的I/O吞吐量。
在企业级应用中,存储局域网络是一种典型的存储系统,NPIV为这种高端的存储系统提供了良好的虚拟化。
动态虚拟化
动态逻辑分区可以在同一台Power服务器部以对物理处理器、虚拟处理器、存、物理/虚拟以太网适配器/SCSI适配器进行动态添加、删除和分区之间的移动等操作。
这种动态调整在分区运行的时候进行,无需重启系统即可生效。
用户可以根据分区的需求对资源的分配进行动态调节,使得系统资源得到更加充分的利用,并且不影响应用或者服务的正常运行,从而更加有效的利用硬件资源来满足不断变化的业务需求。
动态分区迁移是Power服务器之间的动态资源调整操作,能够在短短的几秒钟把运行中的逻辑分区从一台服务器迁移到另外一台,同时保证操作系统和各种应用程序的连续运行,不影响用户的正常使用。
它使得管理员能够把更多数量的服务器作为流动的资源来考虑,而不是将每一台服务器看作是完成某一项具体任务的单一实体,能够提高系统的可用性,并起到整合和节能的效果。
目前该特性是其它UNIX服务器厂商所没有提供的,是IBM针对UNIX服务器市场的一项重要举措。
工作负载分区和动态应用迁移
工作负载分区WPAR是AIX6.1的新特性,允许在单个AIX映像中创建多个分区,运行各自的应用程序。
与上述固件级别的虚拟化特性不同,它是在操作系统级别实现的纯软件形式的虚拟化特性,填补了PowerVM在操作系统级别虚拟化技术的空白。
既然有了逻辑分区,为何还需要工作负载分区呢?
首先,它是一种粒度更细的资源控制方式,能够更加充分的划分和利用逻辑分区的资源;其次,它需要更少的操作系统映像,降低了资源的占用和维护的成本;还有,它的建立更加便捷,管理更为简单;最后,它不依赖于硬件,而前述特性则需要特定硬件和固件的支持,在老的机器上不能使用,使用WPAR有利于保障客户的硬件投资。
当然,工作负载分区也有自身的局限。
首先,它所在的机器或者逻辑分区以及AIX都是单一故障点,而逻辑分区提供了更好的故障隔离能力;其次,它对资源分配的控制精度不如逻辑分区;最后,它的安全性和性能也存在缺陷。
因此它不会替代逻辑分区,而是一种有益的补充。
WPAR适合为特定的工作负载,特别是临时工作负载,比如测试和开发环境,提供一个快速有效的整合环境。
动态应用迁移是WPAR的一项重要特性,可以将WPAR及其应用程序从一个系统在线地迁移到另一个系统,无需停止该WPAR。
与动态分区迁移类似,动态应用迁移可以提高应用的不间断服务水平和系统的灵活性,实现负载均衡。
动态应用迁移和动态分区迁移有各自的局限性和应用场景,在实际应用中,可以结合在一起使用,取长补短。
Lx86虚拟x86Linux环境
PowerVMLx86支持在Power平台上直接运行x86环境下的大部分Linux应用程序,而不需要重新编译或者移植。
Lx86利用动态二进制翻译技术,在x86Linux应用程序运行的时候将x86指令翻译成POWER指令,从而实现对x86Linux程序的二进制兼容。
Lx86可用于整合大量的x86应用,充分利用Power平台的RAS、性能和可靠性。
IBM提供了一个Power服务器上Linux安装和维护的工具包PowerPack,帮助用户简化x86Linux应用程序到Power平台的迁移。
基于PowerVM的绿色计算
基于x86的Windows或者Linux服务器处理器的利用率通常在15%以下,很多UNIX服务器则是在15%-25%左右。
机器大部分时间处于空闲状态,但是仍然要大量消耗能源用于维持机器的运转和冷却。
虚拟化和系统的整合能力允许用户可以将多台服务器上的业务整合到同一台机器,使得资源利用率达到50%-70%甚至更高(POWER7系统支持超过90%的利用率),减少硬件资源和能源的浪费。
数据表明,利用率的提高能显著的降低能耗(在IBM刀片服务器中,资源利用率提高到3倍,能耗仅增加50%)。
由此可见,虚拟化和整合对于绿色计算不可或缺的作用。
IBMPower服务器尤其是高端机型如Power595等具有强大的硬件基础,提供了高度的整合能力;不断优化的每瓦特性能和水冷技术也在持续的降低能耗;PowerVM更是将这种整合能力和绿色计算推到另一个高度。
PG&E和IBM在2007年宣布的一项合作计划中,将大约300台UNIX服务器整合成仅有的6台Systemp5服务器,把资源利用率从10%提升到80%,减少了80%的能耗!
那么PowerVM虚拟化架构是如何助力绿色计算的呢?
这得益于PowerVM所支持的强大的整合能力、广泛的资源共享功能和灵活的动态资源管理等。
强大的整合能力
在最新的POWER7上,每个处理器核最多支持4个SMT,每个处理器芯片最多支持32个SMT,每台服务器最多支持1024个SMT;每个处理器最多分配给10个分区进行共享,每台服务器最多支持1000个逻辑分区(是POWER6系统的4倍)。
强大的芯片提供更高的计算能力和逻辑分区数量,允许把更多的应用整合到同一台服务器。
PowerVM支持AIX、IBMi和Linux,能够支持这些类型的Power系统以及系统中超过15,000个应用软件的整合;Lx86使得Power服务器还可以整合基于x86的大量Linux应用。
工作负载分区能够进一步整合AIX上的各种应用,使用更少的AIX操作系统映像,减少资源浪费,从而提供更多的资源供其它应用的整合来使用。
广泛的资源共享功能
PowerVM的资源共享涵盖了处理器(微分区和处理器池)、存(AMS和存池)、网络设备(虚拟网络和HEA)和存储设备(虚拟SCSI和NPIV),使用了软件实现或者硬件实现的方式,资源共享的调度由PowerVM自动完成。
资源的共享使得用户无需为每个分区分配峰值负载所需的处理器和存资源,以及专用的物理设备,从而节省昂贵的硬件开销,以及维持硬件运转和冷却所需的能源。
当峰值到来时,所需的额外资源从负载较轻的分区暂时借用。
假设某台Power服务器上有10个逻辑分区,分区之间需要大量的通信协作,分区与外部网络仅有少量的网络通信。
如果使用专用网络,那么至少需要10块物理网卡才能满足要求。
如果使用虚拟网络,只需要装配1块物理网卡并分配给VIOS并做成共享以太网适配器,满足外部通信需求,分区直接的通信通过虚拟以太网就可以满足了。
由此可见,资源共享的确可以节省不少硬件投资。
广泛资源共享从另外一个侧面反映了强大的整合功能。
对于一台服务器,由于资源共享而剩余出来的系统资源可以用于整合更多的应用,降低能耗,实现绿色计算。
灵活的动态资源管理
动态逻辑分区DLPAR是一种动态资源管理方式,也是一种资源共享的方式,因此也是一种绿色计算的方式。
当某些分区的资源(尤其是专用的处理器、存和I/O设备)不足时,可以通过DLPAR从空闲资源池或者资源过剩的分区中获取;当不需要使用的时候,仍然可以通过DLPAR从分区中删除。
动态分区迁移和动态应用迁移可用于不当机的服务器整合,使得业务在整合过程中仍然处于服务状态,实现不间断的绿色计算。
当服务器负载较低的时候,还可以使用这些特性把应用迁移到少量的服务器中,然后关闭空闲的服务器,从而达到节能减排的目的,实现动态的绿色计算。
整合案例
整合发生在一个基于POWER4的数据中心,包括11个各种类型的POWER4机器,每台服务器的资源利用率是30%,最大的耗电量约为52KW。
整合后,整个数据中心只有两台POWER6机器,占地空间大大减少,利用率提高到50%,性能也得到了很大的提高,最重要的是,耗电量节省了79%!
虽然该案例没有具体说明PowerVM各种特性的使用情况,但是Power服务器和PowerVM强大的整合能力还是得到了很好的体现。
总结
随着人类日益关注自身的生存环境,节能减排、绿色计算已是大势所趋;虚拟化和整合是实现绿色计算的基础和必由之路。
IBM在虚拟化和绿色计算方面的研究具有很深的历史积淀,PowerVM虚拟化架构提供了完善的虚拟化特性、强大的整合能力、广泛的资源共享和灵活的动态资源管理,能够对资源进行有效的控制和管理,是实现绿色计算的一把利器。
作者简介
林峰,软件工程师,有丰富的PowerVM虚拟化技术经验,目前在IBM中国系统和科技研发中心从事GPFS研发工作。
羽中,软件工程师,在虚拟化和系统管理方面有丰富的经验,目前在IBM中国系统和科技研发中心从事Director研发工作。
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