逐渐成熟 Intel VT技术性能初探

作者： IT168评测中心 Lucifer  2007-06-25   

 

【IT168 评测 中心】当前非常热门的Virtuali z ation虚拟化技术的出现和应用其实已经有数十年的历史了，在早期，这个技术主要应用在 服务器以及大型主机上面，现在，随着PC性能的不断增长，Virtuali z ation也开始逐渐在x86架构的个人电脑上流行起来。

虚拟化技术将各种资源虚拟出多台主机，以提高这些资源的共享率和利用率

　　虚拟化可以将IT环境改造成为更加强大、更具弹性、更富有活力的架构。通过把多个操作系统整合到一台高性能 服务器上，最大化利用硬件平台的所有资源，用更少的投入实现更多的应用，还可以简化IT架构，降低管理资源的难度，避免IT架构的非必要扩张。客户虚拟机的真正硬件无关性还可以实现虚拟机的运行时迁移，可以实现真正的不间断运行，从而最大化保持业务的持续性，而不用为购买超高可用性平台而付出高昂的代价。

　　在我们常见的x86架构上，核心指令集已经几乎20年都没有什么变化了，但 Intel和 AMD两个伟大的公司却一直在往其中添加重大的技术改进，使其继续保持着新鲜和活力，这些激动人心的改进包括增强内存寻址能力的64位扩展、处理图形的更多指令以及浮点计算的增强等等。

　　其中和虚拟化技术最为相关的是： Intel和 AMD引入了芯片级的虚拟化辅助技术，这将最终使得虚拟化从市场宣传走入广泛的现实应用。

　　Intel Virtualization Technology自从在Pentium D 9xx系列CPU上出现已经很有一段时日了，然而我们很少看到有相关的技术介绍和性能分析，因此我们IT168评测中心就意图对这方面一探究竟。

 

在讨论 Intel Virtuali z ation Technology之前，我们先要看看通常情况下的虚拟化如何实现――一般而言，我们谈论的是 软件虚拟化技术，大型机内置的硬件虚拟化不在讨论之例。

　　通常的虚拟化具有三种不同的实现形式，这些形式的区别主要在于用于管理各个虚拟机的VMM （Virtual Machine Monitor，虚拟机监视器）或者Hypervisor（监控者）的所在位置、功能、实现方式有所不同。

Full Virtualization 完全虚拟化

　　完全虚拟化技术也就是表中的“Virtual Machine”，这种技术在虚拟机和底层硬件之间建立的抽象层：Hypervisor来管理各个虚拟机。通过Hypervisor，完全虚拟化技术模拟出多个包括所有硬件的完整的虚拟硬件平台，因此完全虚拟化技术几乎能让兼容所有的操作系统（一些特别的条件下，甚至指令集不同都可以），而这些客户操作系统并不知道自己运行在虚拟化环境下。完全虚拟化的缺点，中间层的代码转换会给系统带来开销。 VMware和 微软的Virtual PC/Virtual Server是代表该方法的两个商用产品，而基于核心的虚拟机（KVM）是面向Li nux系统的开源产品。

Para-Virtualization 部分虚拟化

　　Para-Virtualization也叫做准虚拟化，完全虚拟化要求Hypervisor管理各个虚拟 服务器，并提供代码级别的翻译转换，因此负担沉重。部分虚拟化就是为了减轻这种负担：改动客户操作系统，集成与Hypervisor协同工作的界面，从而提升了性能。部分虚拟化的著名例子有Xen，这是一个开源准虚拟化技术，BSD、Li nux、Solaris及其他开源操作系统都对其进行了集成。

OS Virtualization 操作系统层虚拟化

　　操作系统层虚拟化没有独立的Hypervisor层，主机操作系统负责在多个虚拟 服务器之间分配硬件资源，这种虚拟化方式速度最快，不过操作系统的类型受到了严格的限制。Solaris Container和面向Linux的Virtuozzo/OpenVZ是这方面的例子。

　 软件虚拟化主要的问题是性能和隔离性。Full Virtuali z ation完全虚拟化技术可以提供较好的客户操作系统独立性，不过其性能不高，在不同的应用下，可以消耗掉主机10%~30%的资源。而 OS Virtuali z ation可以提供良好的性能，然而各个客户操作系统之间的独立性并不强。无论是何种软件方法，隔离性都是由Hypervisor软件提供的，过多的隔离必然会导致性能的下降。

　　这些问题主要跟x86设计时就没有考虑虚拟化有关。我们先来看看x86处理器的Privilege特权等级设计。

x86架构为了保护指令的运行，提供了指令的4个不同 Privilege特权级别，术语称为Ring，从Ring 0～Ring 3。Ring 0的优先级最高，Ring 3最低。各个级别对可以运行的指令有所限制， 例如，GDT，IDT，LDT，TSS等这些指令就只能运行于Privilege 0，也就是Ring 0。要注意Ring/Privilege级别和我们通常认知的进程在操作系统中的优先级并不同。

　　操作系统必须要运行一些Privilege 0的特权指令，因此Ring 0是被用于运行操作系统内核，Ring 1和Ring 2是用于操作系统服务，Ring 3则是用于应用程序。然而实际上并没有必要用完4个不同的等级，一般的操作系统实现都仅仅使用了两个等级，即Ring 0和Ring 3，如图所示：

也就是说，在一个常规的x86操作系统中，系统内核必须运行于Ring 0，而VMM软件以及其管理下的Guest OS却不能运行于Ring 0――因为那样就无法对所有虚拟机进行有效的管理，就像以往的协同式多任务操作系统（如，Windows 3.1）无法保证系统的稳健运行一样。在没有处理器辅助的虚拟化情况下，挑战就是采用Ring 0之外的等级来运行VMM (Virtual Machine Monitor，虚拟机监视器)或Hypervisor，以及Guest OS。

　　现在流行的解决方法是 Ring Deprivileging（暂时译为特权等级下降），并具有两种选择：客户OS运行于Privilege 1（0/1/3模型），或者Privilege 3（0/3/3模型）。

　　无论是哪一种模型，客户OS都无法运行于Privilege 0，这样，如GDT，IDT，LDT，TSS这些特权指令就必须通过模拟的方式来运行，这会带来很明显的性能问题。特别是在负荷沉重、这些指令被大量执行的时候。

　　同时，这些特权指令是真正的“特权”，隔离不当可以严重威胁到其他客户OS，甚至主机OS。Ring Deprivileging技术使用IA32架构的Segment Limit（限制分段）和Paging（分页）来隔离VMM和Guest OS， 不幸的是EM64T的64bit模式并不支持Segment Limit模式，要想运行64bit操作系统，就必须使用Paging模式。

　　对于虚拟化而言，使用Paging模式的一个致命之处是它不区分Privileg 0/1/2模式，因此客户机运行于Privileg 3就成为了必然（0/3/3模型），这样Paging模式才可以将主机OS和客户OS隔离开来，然而在同一个Privileg模式下的不同应用程序（如，不同的虚拟机）是无法受到Privileg机构保护的，这就是目前IA32带来的隔离性问题，这个问题被称为 Ring Compression。

IA32不支持VT，就无法虚拟64-bit客户操作系统

　　这个问题的实际表现是： VMware在不支持 Intel VT的IA32架构CPU上无法虚拟64-bit客户操作系统，因为无法在客户OS之间 安全地隔离。

        我们谈到了目前IA32架构采用Ring等级带来的虚拟化难题，自然而言地，我们可以预料到 Intel Virtuali z ation Technology可以解决这些问题。

　　不错， Intel VT就是为此而生！

Intel VT下面的VMM其实可以认为就是主机操作系统

　　作为一个芯片辅助（Chip-Assisted）的虚拟化技术，VT可以同时提升虚拟化效率和虚拟机的 安全性，下面我们就来看看Intel VT带来了什么架构上的变迁。我们谈论的主要是IA32上的VT技术，一般称之为VT-x，而在Itanium平台上的VT技术，被称之为VT-i。

　　VT-x将IA32的CU操作扩展为两个forms（窗体）： VMX root operation（根虚拟化操作）和VMX non-root operation（非根虚拟化操作），VMX root operation设计来供给VMM/Hypervisor使用，其行为跟传统的IA32并无特别不同，而VMX non-root operation则是另一个处在VMM控制之下的IA32环境。 所有的forms都能支持所有的四个Privileges levels，这样在VMX non-root operation环境下运行的虚拟机就能完全地利用Privilege 0等级。

两个世界：VMX non-root和VMX root

　　 和一些文章认为的很不相同，VT同时为VMM和Guest OS提供了所有的Privilege运行等级，而不是只让它们分别占据一个等级：因为VMM和Guest OS运行于不同的两个forms。

　　由此，GDT、IDT、LDT、TSS等这些指令就能正常地运行于虚拟机内部了，而在以往，这些特权指令需要模拟运行。而VMM也能从模拟运行特权指令当中解放出来，这样既能解决Ring Aliasing问题（软件运行的实际Ring与设计运行的Ring不相同带来的问题），又能解决Ring Compression问题，从而大大地提升运行效率。Ring Compression问题的解决，也就解决了64bit客户操作系统的运行问题。

　　为了建立这种两个虚拟化窗体的架构，VT-x设计了一个Virtual-Machine Control Structure（VMCS，虚拟机控制结构）的数据结构，包括了Guest-State Area（客户状态区）和H ost-State Area（主机状态区），用来保存虚拟机以及主机的各种状态参数，并提供了VM entry和VM exit两种操作在虚拟机与VMM之间切换，用户可以通过在VMCS的 VM-execution control fields里面指定在执行何种指令/发生何种事件的时候，VMX non-root operation环境下的虚拟机就执行VM exit，从而让VMM获得控制权，因此VT-x解决了虚拟机的隔离问题，又解决了性能问题。

        我们可以看到VT带来的CPU内部运行架构的重大改变，然而在实际上用户可能完全不能感受出来，假如用户不能感受到实际操作上有所改变，或者性能没有增长，那么这个技术有没有用就很难说。因此我们实际测试了 Intel VT技术的性能表现。

为了搭建一个虚拟化环境，我们选用了 VMware Server 1.0.3虚拟机 软件。主流的虚拟机软件都开始支持x86虚拟化技术了――包括 Intel VT和 AMD-V。

软件虚拟化 领域的巨头VMware的产品是完全虚拟化的著名例子，一般的VMware Workst ation和VMware Server都属于H osted Architecture寄居架构，而企业级产品VMware ESX Server则属于Bare Metal Architecture裸金属架构，这种架构在商业化产品上很难得，可以充分地发挥硬件的 威力。我们使用VMware Server的原因是：易于使用。ESX Server难以配置。

Microsoft Virtual Server 2005 R2发布也有了一段时日，虽然仍不如VMware完善，不过提供了一些VMware不能提供的有趣特性。

Xen一般应用在Unix类Unix环境。

　 VMware Server包含了很多组件。

你可能不会相信，这么强大的 软件是免费的。

　 Intel方只有在支持VT的CPU上才能安装64-bit客户操作系统。

强大的 网络功能是VMware的特色：两个VMware虚拟 网卡。VMware可以实现非常复杂的虚拟化网络环境。

可以直接存取物理磁盘也是一个独特的优势，这可以带来性能上的提升。

一般而言，预先分配所有的磁盘空间（上一个选框）和分割磁盘为2GB的文件（下一个选框）可以提升性能。

SCSI类型的虚拟磁盘在实际使用SCSI的时候可以提供不错的性能，同时，在建立 服务器群集的时候，这是必须的。

提供虚拟SMP的支持，最多虚拟2个处理器（在硬件不支持SMP的时候都可以）。

同时运行两个虚拟机， VMware就建立两个VMware Server VMX进程。

每个虚拟机虚拟了两个CPU，因此每个VMware Server VMX进程就具有两个虚拟CPU线程，并分布在我们硬件的两个CPU核心上。

我们分别在Window Server 2003 R2 Enterprise Edition SP2的32bit和64bit环境下进行了测试――主机操作系统和客户操作系统都分别采用了这两种操作系统，并再分别测试了VT和无VT下的表现。主机的性能也进行了测试。

　　对于虚拟机应用而言，CPU性能、内存性能、IO性能是最重要的，因此我们选用了数种测试硬件来测试CPU性能、内存性能和磁盘性能，这只是一个初步的测试（尽管测试起来也比较复杂），如 网络IO性能的测试也很重要，不过并不在今次测试的范围内。

CPU性能

在仅运行单个虚拟机的情况下，理论测试表明，在32bit主机操作系统下打开VT并没有性能上的优势――64bit下则相反，打开VT可以获得更好的CPU性能。

　　虽然 VMware虚拟出来的显卡并不能支持“硬件”3D操作，不过OpenGL仍然可以运行，我们可以看出其虚拟OpenGL运行的性能非常之低，这时VT在32bit下的CPU表现不错。

　　总体而言，VT在CPU性能上没有显示出什么特别的地方，看来VT须要在更大的虚拟机负荷下才能表现出其性能上的优势。

内存性能

由于虚拟架构改变，VT下的内存性能表现非常好，如 WinRAR这样的成绩非常突出。

磁盘性能

虚拟机情况下的磁盘性能非常之强劲，这是因为相关的数据很容易地就可以缓冲的缘故，这需要大量的内存支持。

这是我们虚拟机所在的硬盘HD Tach RW测试成绩，虚拟机的虚拟磁盘都位于这个WD3200YS的前端。

32bit H ost OS/32bit Guest OS，VT打开下的HD Tach RW，读写速度和W DC3200YS前段速度一致，而突发速率则要高出不少。

32bit Host OS/64bit Guest OS下的突发传输更快，达到了349.1MB/s，这实际上表现了64bit系统比32bit系统的内存性能更加强劲。

64bit Host OS/32bit Guest OS，没有打开VT的情况下，也能提供很不错的突发速度：300.5MB/s。

64bit Host OS/32bit Guest，打开VT之后与上面对比，突发略有下降。

64bit性能

毫无疑问，64bit下可以提供更好的CPU性能、内存性能。

　　[IT168 评测中心观点]由于使用了负荷并不算强的理论测试 软件，因此仅能测试架构带来的理论性能表现：CPU理论性能方面并无太大差别，而内存性能则使用VT后具有明显的提升

在 Intel CPU上，通过VT的支持，可以实现如图的应用

　　同时， Intel的Long模式64bit无法提供内存隔离所需要的足够保护措施，而通过Intel VT技术，则能解决这个问题，因此Intel CPU只有具有VT技术的时候才能运行64bit虚拟机。更好的隔离性或许用户一眼无法看到，然而当客户操作系统异常崩溃的时候，你才可以感觉到它的用处。

VMware可以建立复杂的虚拟 网络环境，这些都可以在同一台主机上实现

　　VT技术通过为VMM提供了一个单独的VMX root oper ation环境，与普通虚拟机的VMX non-root oper ation环境隔离开来，通过让虚拟机也能执行Privilege 0特权指令，降低虚拟代码转换的损耗来达到提升性能的目的，测试中的负载很低，因此并没有体现出什么优势。我们预计在如上图般繁重复杂的虚拟环境下VT技术可以表现出明显的优势，频繁的虚拟机切换、特权指令执行、虚拟中断等，可以让VT架构得到充分的发挥。

　　在3~4个虚拟机的普通CPU负载下，VMware有望从芯片辅助的虚拟化技术中获益，我们期望在下一篇文章中对ESX Server 3.0进行测试，ESX看起来可以充分利用新的处理器特性，应该会有大量的性能提升。

以前的Vanderpool，现在的Intel Virtuali zation Technlogogy已经消除了困扰x86虚拟化厂商很长时间的许多硬件难题，提供了更好的性能和隔离/ 安全性，这也意味着所有聪明的技术设计人员能够最终实现自己的梦想：通过解决性能和管理问题来将 服务器虚拟化成熟地提供给各种应用环境。现在，虚拟化市场正在向成熟稳步迈进，更多的桌面用户、企业用户将可以享受这个“免费”的虚拟化技术带来的好处。

 

本文摘自IT168评测