基于混合虚拟化技术的虚拟机性能优化研究及应用

杨耀明

摘要：现阶段，计算机技术和网络技术以日新月异的发展态势逐渐在人们的生产和生活中扎根。随着现代科技的推广和普及，虚拟化技术也不断凭借其科技优势在各行各业得到广泛应用。通过虚拟机集群，能够最大限度地对现有服务器资源进行有效整合和利用，从而使得数据中心的耗电量可以控制在一个合理的范围内，充分践行绿色发展理念。在虚拟机集群的战略部署中，对于系统虚拟化性能的投入控制至关重要。如何通过对现有虚拟化方案的完善，对虚拟机性能进行优化，实现趋利避害的最大化效果，成为了虚拟机技术应用的关键。该文在混合虚拟机技术的基础上，对虚拟机性能的优化进行了研究，希望能够为相关工作人员提供借鉴。

关键词：混合虚拟机技术；虚拟机性能；优化方案

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）03-0244-02

1 虚拟机和系统虚拟化技术

1.1 系统虚拟化技术

作为虚拟化技术中的重要成员，系统虚拟化是通过虚拟化，将物理计算机一台变多台的虚拟计算机系统。众所周知，在传统的计算机体系中，单一的物理硬件平台只能对应一个相应的操作系统，也就是说，电脑物理硬件中所有的资源都有一个特定的操作系统独占。但是，这样所造成的明显后果就是全球数据资源的利用效率低下，而能源消耗的大部分几乎都集中在了操作系统的空闲运行上。但是，虚拟化技术的应用，能够有效改善现状，实现资源利用效率的最大化，尤其是系统虚拟化技术，更是实现了物理硬件平台与操作系统一对多的运行模式，使得资源的利用效率不断提升。为了顺利实现系统的虚拟化，在传统的物理硬件层和操作层之间，插入虚拟化层，使得单一的物理平台被虚拟化，从而形成许多不同的虚拟化平台，同时为每一个虚拟平台配置相对独立的CPU内存以及其他必要设备等虚拟硬件，从而营造出相对独立的执行环境，从专业角度讲，也就是虚拟机监控器（VMM），其中VMM是Virtual Machine Monitor的简写。而这个通过虚拟化所形成的平台，被称为虚拟机（VM），也就是Virtual Machine。在虚拟机中，运行的操作系统即是虚拟机操作系统，也叫做客户机操作系统（Guest Operating System）。在这种模式下，操作系统的运行具有独立性和差异性。

1.2 现有的系统虚拟化方案

现阶段，基于软件的完全虚拟化方案十分常见。在这种虚拟化方案下，虚拟平台和现实平台具有一致性，虚拟机的操作系统在无需调整的情况下即可正常运行，对于虚拟CPU、虚拟内存以及虚拟I/O设备的操作与CPU、内存和I/O设备的操作也具有一致性。立足于实现的角度，指令在经过VMM的正确处理以后，对虚拟机进行指令下达，从而实现对虚拟机的有效控制。在基于软件的完全虚拟化方案下，该技术的使用无需对操作系统进行修改，所以VMM的指令只能是二进制机器码。与此同时，由于传统CPU架构具有不可虚拟化，所以，系统内部会存在很多虚拟化的敏感指令。这种系统虚拟化的典型代表有Bochs、QEMU、Vmware、Workstation、SkyEye、Wine等。

硬件辅助虚拟化也是系统虚拟化方案中的典型代表，是一种具有完整意义的虚拟化方法，在这种方案下，问题解决模式是通过增加层次来实现的，内存和外部设备的访问也是通过指令才能完成。截获处理器指令级别的同时，VMM就会营造出与真实主机相差无几的环境。从而实现虚拟机的无缝运行。现阶段，基于硬件的辅助虚拟化方案在x86和x86-84架构中有着广泛应用。Intel中的VT-x、VT-d、EPT等技术都是其中的典型代表。

准虚拟化技术是通过对虚拟机操作系统内核的代码修改，有效避免虚拟化敏感指令，回避虚拟化漏洞、使得VMM对物理资源虚拟化得以实现的技术。在这种方案下，环压缩技术是典型手段，是将虚拟化层（VMM）插入到传统操作层和物理硬件层之间的主要方法。Xen平台是应用准虚拟化技术最典型的代表，阿里巴巴、华为等云计算服务提供商都是以Xen平台的虚拟化方案为基础的。

1.3 不同虚拟化方案之间的优缺点

完全虚拟化方案的优势在于实现虚拟机和物理机平台的互异性的，物理硬件与虚拟平台实现了一对多的关系，成本控制效果十分明显。与此同时，虚拟机操作系统不需要为了迎合虚拟技术而做出修改，使得其普适性十分强。但是其缺点也十分致命，其缺点在于性能的急速下降。完全虚拟化的运行新能最高也只能达到非虚拟化环境下的三分之一，在实际使用的范围也将局限在小型底层系统的开发和调试。

与完全虚拟化技术相比，硬件辅助虚拟化技术使得系统虚拟化的设计和实现更加简化，完全虚拟化的性能瓶颈也得到打破，其兼容性好，性能提高，可靠性得到强化，系统设计得以简化是主要的优点，为系统的运行营造成了更大的扩展空间，软件运行环境的灵活性不断提高，为业务的连续性需求提高了可靠保障，对于控制潜在漏洞和风险至关重要。但是硬件辅助虚拟化技术并不是十全十美的，其中，部分虚拟化语义尚未完全覆盖，虚拟化扩展性能的普适性还需要加强等都是其显著缺点。

与前两者相比，准虚拟化技术具有两大优势：其一表现在纯软件虚拟化的层面上，虚拟化技术的成本控制能够得到最优的解决方案，比如消除冗余代码、减少地址空间切换、控制内存复印等；其二表现在虚拟层和上层操作系统之间的语义鸿沟（Semantic Gap）得以消除，有效地提高了整个系统的管理效率。所谓的语义鸿沟（Semantic Gap），是指VMM不能获取虚拟系统内部运行状态，不能进行资源最优调配的一种现象。但是在准虚拟化技术的实际开发和应用过程中，修改VMM是最核心手段，也是最大的问题所在。

2 Xen虚拟化平台

如下图1所示，Xen虚拟化平台的核心组件包括VMM和特权虚拟机。VMM直接在硬件之上运行，负责各种虚拟化资源的管理，下层虚拟机的运行接口也由VMM来负责。在Xen虚拟化平台上，运行的虚拟机既可以是PVM（PVM是准虚拟化虚拟机Paravirtualized Virtual Machine的英文缩写），也可能是HVM（HVM是指硬件辅助虚拟化虚拟机Hardware-assisted Virtual Machine的英文缩写）。虽然PVM的内部运行经过虚拟化修改，而HVM未经修改，但是在使用过程中，用户控件程序都无需作出变动。在实际使用过程中，Xen支持的硬件平台有很多，x86-32、x86-64、IA64等都是主要的官方的版本支持。另外，Embedded XEN on ARM platforms这一非官方架构也得到了Xen的支持。由此可见，Xen软件具有很强的可移植性，同时支持硬件辅助虚拟技术和准虚拟化技术，应用群体十分广泛，开源社区的支持力量强大等特点。

图1 Xen虚拟化架构

3 基于混合虚拟化技术的虚拟机性能优化

3.1 混合虚拟化的总体设计

运用混合虚拟化方案对虚拟机的性能进行优化，是现阶段的重要研究课题。在实践中，其核心设计思想为，在硬件辅助虚拟机容器中运行准虚拟化操作系统，将准虚拟化和硬件辅助虚拟化相互结合，实现二者的优势互补，不断对虚拟机的性能进行优化，提高总体性能。在实现过程中，CPU和内存的虚拟化，有赖于硬件辅助虚拟化技术来实现，对于I/O的虚拟化，需要在硬件辅助虚拟化技术的基础上，引入准虚拟化技术来处理，从而有效降低I/O在事件处理过程中“陷入—模拟执行”发生就几率，减少不必要的成本投入。在实际中，Hybrid PVM和Hybrid HVM是混合虚拟化技术比较可行的方案，虽然目标相同，但是实现细节、实际的可操作性都具有明显的差异性。

3.2 Xen虚拟化平台下混合虚拟化方案的实现

关于Hybrid PVM和Hybrid HVM，二者的共同目标是在HVM容器中运行已经优化过的准虚拟化操作系统，让硬件辅助虚拟化技术和准虚拟化技术实现优势互补，优化虚拟机的性能。从工程角度讲，Hybrid HVM的可行性更高，在Xen虚拟化平台下，借由此方案进行混合虚拟系统的开发，能够为方案的可操作性提供保障。为了保证其能够顺利实施，应该在VMM中添加混合虚拟化功能，和混合虚拟化功能发挥作用的接口。其中，主要的技术点在于硬件辅助页表、中断处理路径以及设备驱动。

4 结束语

随着计算机技术的不断进步，虚拟化技术应运而生，对于计算机技术的发展起到了重要推动作用。而所谓的系统虚拟化，即System Virtualization，则是虚拟化技术中的重要一支，它以整个计算机为抽象粒度，对于提高资源的利用效率，减少能耗有着重要意义。现阶段，全新的数据中心部署和管理方式对于系统虚拟化技术提出了更高的要求，对于提高管理工作的高效和便捷意义重大，笔者根据现阶段的新形势，对混合虚拟化技术的虚拟机性能优化方案进行了探讨，现实意义十分深远。

参考文献：

[1] 台远方. MIPS架构混合虚拟化系统的设计实现与性能优化[D].北京：中国科学院大学，2014.

[2] 朱良伟.面向性能优化的虚拟机热迁移技术研究[D].杭州：浙江大学，2014.