将大型机融入云计算环境：大型机的虚拟化技术

大型机，即大型计算机（Mainframe Computer），是始于System/360的一系列计算机，主要用于海量数据关键应用的计算场景，比如，银行业负责的金融交易和相关数据处理、人口普查统计等。

十六年前，在大型机上运行Linux的技术震撼了整个IT业界，从那时候起，大型机一直都是企业IT基础设施架构的重要基石之一。

2015年，基于z Systems架构的Linux大型主机LinuxONE（包括了Rockhopper和Emperor）问世，同时，提供了对开源软件和行业软件的支持，包括ApacheSpark、Node.js、MongoDB、MariaDB、PostgreSQL、Chef和Docker等技术。

与在其他平台上一样的是，在LinuxONE大型主机上，这些开源技术也能够无缝地实现正常运行。而有所不同的是，与其他平台上相比，运行在LinuxONE上的这些技术在性能上具有明显的优势（比如，运行在大型机上的数据库性能是在X86环境运行时的1.6～2.2倍）。

可以预见的是，在云计算时代，LinuxONE大型机将保持其不可撼动的地位，不仅如此，z Systems的相关技术也将不断地向前发展演进。基于这样的技术前景，又考虑到OpenStack云操作系统只对X86架构和ARM架构提供原生性的支持，企业的IT架构师开始关心一个至关重要的问题：如何将大型机无缝地融入到OpenStack云平台环境之中？

一、3类虚拟化平台

在大型机上，目前有三类虚拟化技术，分别是：PR/SM （Processor Resource/Systems Manager）、z/VM和KVM for z Systems。

为了让问题简化，先对LinuxONE大型机进行讨论，然后再将相关的结论推广到z Systems系列大型机。

在LinuxONE大型机上采用了资源共享的技术架构，具有多层级的虚拟化能力。

第一层是在固件层（Firmware）使用PR/SM技术（这是第一层的Hypervisor），实现LPAR（Logical Partitions，逻辑分区）层级的虚拟化，在LPAR层级，可实现对底层资源（CPU、I/O、网络和存储等）的跨分区动态共享。

在这第一层的虚拟化中，单个LinuxONE大型机的底层物理资源最多可以被分成85个LPARs，在每个LPAR上，都有一个运行着独立Linux操作系统的虚拟机，而且，这些操作系统看起来好像是在“裸机”上运行（虽然它们归根结底还是虚拟机）。值得注意的是，LinuxONE的LPAR已经达到了CC（Common Criteria） EAL5+的安全认证级别，隔离水平近乎于物理隔离。

第二层是对LPAR上运行的虚拟机进行虚拟化，在这个层级上，对LinuxONE大型机而言，有两个Hyperviosr可以选择：一是使用大型机原生的z/VM虚拟化软件，二是选择新的KVM for z Systems技术。无论何种选择，在一个LPAR上，一般只运行一个Hypervisor实例（ZVM或者KVM for z Systems），因此，在LinuxONE大型机上最多可以有85个Hypervisor实例。

这就是说，在LPAR上运行着虚拟机，在虚拟机中运行着一个Hypervisor，而在Hypervisor之上，运行着被称为Guests的Linux虚拟机。数据显示，在理论上，LinuxONE大型机上的每个Hypervisor可以运行1000多个Linux on z Systems虚拟机，而在一个LinuxONE Emperor大型机上，可运行Linux on z Systems虚拟机的总数值最大是八千。行文至此，必须提及另一个让人印象深刻的数字是：在同型号的大型机上，最多可以运行超过1百万个Docker容器。

第二层的虚拟化还存在着一种特殊情形，即：在z/VM上再运行一个z/VM Guest虚拟机。虽然在理论上可以创建任意深度的嵌套的虚拟化层级，但是，这有相当大的资源消耗，因此，除非是特殊的情况（测试等），一般都不会这样去做资源规划。

在第二层上的这两类Hypervisor，直接决定了将LinuxONE大型机融入OpenStack云计算环境的技术架构。以下，对此两类Hypervisor做一个概略性介绍。

1972年8月2日，最早的虚拟机产品VM/370问世，从那时起，这项技术在45年中不断进化，最终成为大型机z Systems虚拟技术的核心产品z/VM。值得一提的是，单就z/VM产品技术而言，到目前已经存在了15年有余。

2015年9月，KVM for z Systems推出（此后，大约每半年更新一次），在z Systems大型机上实现了基于KVM的开源服务器虚拟化。KVM for z Systems 能够与 z/VM虚拟化环境、Linux on z Systems 、z/OS、z/VSE（Virtual Storage Extended） 和 z/TPF（Transaction Processing Facility）共存。

在“将大型机融入云计算环境”系列文章的第二篇中，将会重点分析和比较这两类Hypervisor，并给出根据实际情况作出相应选择的标准。