Part1：3D虚拟化技术透析及竞争分析

因为每篇blog字数限制，所以我们分四章节来介绍这个vGPU专题。这是第一篇。

一：3D虚拟化技术透析及竞争分析

sVGA、vSGA、vDGA、vGPU、GPUPass-through，天哪，太多的缩写了，我要疯掉了！

小伙伴们别急，让我们一个一个来分析这些所写的含义。

1名词解释

lsVGA：VMware公司技术缩写，意思是:软件3D模拟渲染技术；

lvSGA：VMware公司技术缩写，意思是：虚拟共享图形加速技术

lvDGA：VMware公司技术缩写，意思是：虚拟专用图形加速技术

lGPUPass-through：Citrix公司技术缩写，意思是：GPU透传技术

lSharedGPU：Citrix公司技术缩写，意思是：GPU共享技术；

lvGPU：业内统一术语，意思是：以类似于服务器虚拟化上将CPU虚拟化的技术，将GPU卡虚拟化后，提供给虚拟机使用。

目前，Citrix公司和NVIDIA公司合作，开发出了业界首个vGPU技术！

2不同技术的适用场景分析

2.1sVGA的原理：VMware设计的虚拟的WDDM驱动程序（WindowsDisplayDriverModel）1.1版本兼容驱动。原理图如下：

简单地说，就是通过软件模拟出软件GPU卡的能力，实际上还是消耗CPU的负荷，只能；目前sVGA技术只能支持到DirectX9.0和OpenGL2.1的渲染技术，利用服务器内存模拟技术最大只能虚拟512M显存。

这种技术只适用于改善普通用户桌面使用体验。至于渲染技术只支持DirectX9.0和OpenGL2.1有什么问题，请参见2.5章节的解释。

2.2vSGA的原理：多个虚拟机均分安装在物理服务器上的显卡资源

原理图如下：

事实上，vSGA的工作原理上是基于API的共享，即用于欺骗应用程序API的虚拟显卡驱动程序安装于guestOS中并运行于内核模式。这个vGPUDriverAPI事实上功能分为前向接口和后向接口两个功能，他们的功能分别是：

1)FrontEnd（前向接口）功能：

lGPU操作的API拦截，包括：

nparameterspassed传递过来的GPU调用参数

nordersemantics传递过来的GPU调用语义

l包装以上的函数调用，并将数据传给后向接口

l终结虚拟仿真的显卡驱动的GPU调用，并提供向真实显卡的互操作和执行结果

2)BackEnd（后向接口）功能：

l负责将前向接口传来的数据交给真实的GPUdriver进行处理

l解包前向接口传来的函数调用

l映射内存指针

l执行真实的GPU操作

l返回执行结果

l将执行结果返回前向接口

下图就是这个API的原理示意图：

好吧，按照VMware的说法，这种技术是用户共享GPU处理能力，貌似确实实现了类似vGPU的能力，但是事实如此吗？

我们上面分析了vSGA的实际工作原理，了解到这种技术实际上是欺骗应用程序API的虚拟显卡驱动程序。那么结果也就一目了然了，做过图形设计的码农们应该更清楚：

l“APIRemoting”看似很简单,但它的处理是极其复杂，需要消耗大量的额外资源来做驱动的模拟仿真、API截获、API传递、API队列等待、API真实驱动处理、结果回传等多种复杂的软件计算过程

l虚拟显卡驱动的设计需要对所支持的所有GPU的API进行仿真,但行业标准的API规范也在不断改进和更新，这种设计需要不断持续的支持.

l另外，还需要面对不同的API标准，如:OpenGL,DirectX,CUDA,OpenCL…

就目前该技术的实际应用来看，vSGA和sVGA一样，也只是支持DirectX9.0和OpenGL2.1的渲染技术，已经够旧了吧。此外，vSGA支持的最大虚拟显存听起来是是512M，事实上虚拟的GPU显存，其中一半为GPU提供，一半为服务器内存模拟，因此，最大只能使用到256M的真实GPU显存。

从用户反馈来看，vSGA对改善部分情形图形软件体验还是有所帮助的。

至于和Citrix的对比，请参见2.5章节。

2.3vDGA的原理：为每个虚拟机分配独立的安装在物理服务器上的物理显卡

这个技术和我们后文中介绍的来自Citrix的GPUPass-Through技术是类似的，只是我弄不明白，V公司非要弄这么多简写差不多的名词吗？

下图就是vDGA的技术原理图：

关于这种技术的原理，我们在Citrix的GPUPass-Through部分也介绍过很多次了，此处不再详述它的原理。从功能上两者是高度相似的，毕竟V公司是抄袭Citrix的，想当年，Citrix的GPUPass-Through都发布多久了，vDGA才姗姗来迟。

功能相似，但是易用性就不一定了，去问问VMware，vDGA能把显卡透传给上面运行的什么操作系统平台上，如果回答者够老实，他就只能回答你说，只能运行在Windows764-bit平台。如果你的开发软件只能跑在XP上怎么办？I’msorry.

够清楚了吧。好了，V公司看到vDGA发布时间远晚于CitrixGPUPass-Through，功能也PK不过GPUPass-Through，他们只好说《VMware在性能上目前领先于竞争对手》（百度文库上可以找到这个ppt，名字就叫做VMwareGPU虚拟化技术介绍）。对于他们这种做法，就好象一个巨人和一个矮子，明明在外形上矮子已经落败，他偏偏嘴硬说：“他那么大个有什么用，我的力气比他大”。

哈哈，谁更威武，不是已经一目了然了嘛。当然，你有难处，我表示理解。

2.4GPUPass-through的原理：为每个虚拟机分配独立的安装在物理服务器上的物理显卡

这部分的原理我就不再详述了，基本上Citrix的GPUPass-through技术和VMware的vDGA技术如出一辙，但是在具体的功能上，双方还是有明显差距，Citrix功能更全面，也是被业界证明真正具有生产环境下实施能力的解决方案。

下图标就是两者技术的功能性对比。

2.5SharedGPU的原理：将GPU卡透传给Hypervisor之上的XenApp平台

SharedGPU技术实际上是将CitrixGPUPass-Through和CitrixXenApp技术完美结合的产物。

大家都知道CitrixXenApp的原理，我以一张简图为例再次解释一下：

XenApp的优势在于虽然只在一个操作系统上安装过一次应用程序，但是这个应用程序却可以被多个用户同时使用，如果GPU资源也能被这么分享，岂不是完美。这就是SharedGPU的原理。这就实现了多个用户同时分享一个GPU卡的能力。

我们看看下面的原理图：

在上面这张图中，底层服务器安装了一块GPU卡，在硬件平台之上我们安装了Hypervisor层，随机我们在此之上安装了三个XenApp虚拟机（都是WindowsServer操作系统），每个虚拟机上面都安装了CitrixVDA客户端软件，此外还有供最终用户使用的应用程序。随后运行在Hypervisor平台上的NVIDIA驱动程序直接将GPU资源发布给虚拟机使用。

请注意我上面使用的一个单词是：“直接”。为什么这么说？请注意2.2章节的vSGA是如何做到的？vSGA要消耗大量的额外资源来做驱动的模拟仿真，说到底，真正能使用到多少百分比的GPU资源还是个未知数。

我们首先来看看VMwarevSGA和CitrixSharedGPU技术在功能上的对比：

是骡子是马，拉出来溜溜就知道孰强孰弱了。我们还有必要就上面的DirectX和OpenGL技术做一个解释，在介绍2.1的sVGA和2.2的vSGA技术时我们都提到了这两种技术都是只支持DirectX9.0和OpenGL2.1的渲染技术，那么这有什么意义吗？我们来看看DirectX和OpenGL是干什么用的。

1)DirectX

lDirectX是DirecteXtension的简写，可以进一步简写成DX。为微软公司开发的多媒体编程接口，目前只支持Windows平台。

lDirectX发展到现在已经有11代产品了，目前最常用的有两个DirectX11.1和Direct9.0c。前者是Windows7/8的标准配置，后者是WindowsXP的标准。对于很多新游戏而言都以DirectX11为接口。

2)OpenGL

lOpenGL是由开源社区提供的免费开源的多媒体编程接口，全称是OpenGraphicsLibrary。OpenGL功能非常强大，但是使用起来也是相当的复杂，开源社区为任何操作系统提供OpenGL支持，所以适用范围也是相当的广。很多游戏开发采用OpenGL作为渲染方式，这样可以方便的向Linux和OSX等平台移植。

l在非Windows平台下，目前仅能使用OpenGL进行加速，而在Windows平台下视频功能可以由DirectX或者OpenGL完成。由于开发商的选择不同，通常的硬件都是支持者两种加速方式的。客观的来说在超高端硬件上对OpenGL的支持更好。

好吧，看完DirectX和OpenGL的解释后你应该知道2.1的sVGA和2.2的vSGA技术有多弱了吧。

VMware自吹vSGA技术可以支持多少种3D设计软件，还有一个办法戳破他们的谎言就是去Nvidia主页上看看有多少种应用程序是在vSGA技术下得到认证的，我这里有个图可以分享一下：

OK，真相大白，我们继续。

2.6vGPU技术出场：将GPU卡资源切片分给Hypervisor之上运行的VM

概念不做解释了，理解什么是vCPU就知道什么是vGPU。

正如第一节的名词解释所述，vGPU不是哪家公司的专有名字，而是业内通用术语。在去年NVIDIA公司宣布与Citrix公司合作后，最早现身的时间点是今年5月份在CitrixSynergy2013大会上，CitrixCEOMarkB.Templeton演示了NVIDIA的vGPU技术如何和CitrixXenDesktop产品结合，其流畅的渲染技术获得了满堂喝彩。此后NVIDIACEO黄仁勋也登台介绍了NVIDIA的GRID图形虚拟化处理平台以及vGPU技术。

在这次会议上，双方宣布思杰与NVIDIA将会在今年下半年推出业界首个为主机共享应用提供直接GPU共享的方案，并配合支持最新的OpenGL标准，此外还为开发提供远程性能的新代码。

有兴趣的朋友可以看看下面几个视频：

http://v.youku.com/v_show/id_XNjEyMTA2OTUy.html

Citrix营销副总裁-KrishnaSubramanian说明CitrixXenServer如何透过NVIDIAGRIDVGPU提供最棒的服务。

也可以从NVIDIA主页上找到相关信息：

http://www.nvidia.cn/object/xendesktop-vgpu-cn.html

回到正题，在本月1日，哈，也就是我们的国庆节，Citrix发布了第一个技术预览版的vGPU解决方案，也是目前全球第一个真正实现该技术的商业化产品。大家可以访问下面的网址获取第一手的信息：

CitrixVirtualGPUSolutionTechPreview

这次发布的ReleaseNotes请参见下面的链接地址：

vGPUTechPreviewReleaseNotes

让我们也来看看它的原理图吧：

看到了吗？这才是真正的vGPU技术，虚拟机通过NVIDIADriver直接访问切片后的GPU资源，而不是像vSGA技术那样，通过欺骗应用程序API的虚拟显卡驱动程序来调用GPU，后者白白消耗掉大量的计算能力。

从图中我们可以看出，vGPU技术是需要Hypervisor层面支持的，目前就只有XenServer支持。vSphere？好像还要等不少时间吧。

3竞争分析

那到底我用那个技术好呢？VMware也说好，Citrix也说好？怎么办？

在2.4章节介绍CitrixGPU透传技术和2.5章节介绍SharedGPU技术时我们都分别针对这两项技术和VMware的对应方案作了onebyone的对比。有需要可以往上翻页看看细则。现在我们来一个大餐，看一个放大的图，把所有的技术中放在一起，看看各有什么优缺点。

你如果看不清楚，可以访问我的ShareFile云盘空间直接下载这个jpg文件：

https://citrix.sharefile.com/d/s49dcfead9f74e168

从上面的具体分析可以看出以下几点：

1.Citrix是真正的跨平台技术，无论是那种3D解决方案，不但支持自己的XenServer，也支持VMware的Hypervisor平台；

2.就目前的技术来看，即使没有刚发布的vGPU技术，Citrix在GPU共享领域的能力都要远胜于VMware的技术；

3.Citrix的3D虚拟化技术无论是在操作系统支持层面还是显存支持，又或者是在对渲染技术的支持版本上，要远优于VMware的解决方案；

4.在实施能力上，Citrix的PVS技术能帮助用户批量实施，而不用像VMware那样只有预览技术而没有实施能力；

5.现在有了真正的vGPU技术，将会给设计行业的客户带来更多更好的选择！