摘 要:針對一些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在設(shè)計時面臨的技術(shù)和市場挑戰(zhàn)，討論了應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備挑戰(zhàn)的幾種解決方案，如調(diào)整軟件適應(yīng)多處理器平臺，超虛擬化技術(shù)以及全透明實時虛擬化技術(shù)。著重探討基于Intel虛擬化技術(shù)的實時虛擬化軟件解決方案是如何簡化這樣的挑戰(zhàn)以及與其他解決方案相比，基于Intel虛擬技術(shù)的實時虛擬技術(shù)解決方案的優(yōu)勢。應(yīng)用結(jié)果表明，該方案可行且高效。

關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施; 多核處理器; 均衡多處理器; 虛擬化技術(shù)

中圖分類號:TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

文章編號:1004-373X(2010)10-0140-03

Service of Network Infrastructure Improved byVirtualization Technology

LI Fang-she

(Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044， China)

Abstract:Several solutions to address the challenges from network device are doscissed， such as adjustment of the existed. software for multi-core processor platform， para virtualization technology and full transparent real-time virtualization technology， aiming at the challenges from technology and market in the design of network device.The methods of simplifying the challenges byreal-time virtual software solution based on Intel virtualization technology，and theadvantages of real-time virtual software solution by comparing with other solutions are discussed. The result of application shows that the solution is feasible and effective.

Keywords:network infrastructure; multi-core processor; symmetric multi-processor; virtulization technology

電信運營商通常要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商為其提供的設(shè)備要能處理更多的呼叫，又要消耗較少的功率，并且要支持越來越多的增值服務(wù)。以往，通過增加處理器的處理能力，或者提高設(shè)備密度來滿足這些需求。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在利用多核處理器就可以實現(xiàn)更高的密度、更強(qiáng)的處理能力而且功耗更低。這里首先分析網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計遇到的挑戰(zhàn)，然后介紹應(yīng)對的措施。

1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)

1.1 降低運營商的成本

每個移動電話運營商都需要部署很多天線以提供有競爭力的地理覆蓋。天線需要基站(BTS)運作。從經(jīng)濟(jì)上考慮，一個運營商和其他運營商分擔(dān)公共基站成本而不是建造自己的基站是明智的。多個運營商之間共享一個基站就要求能夠在惟一的基站上安全地響應(yīng)不同的運營商，要求每個運營商保持完全控制和管理他們自己的那一部分。換而言之，不同運營商使用的軟件必須安全地彼此隔離，必須嚴(yán)格地加強(qiáng)訪問共享或公共資源的規(guī)則，一個共享資源潛在的故障不能危及其他共享資源提供的服務(wù)。

強(qiáng)大的硬件允許處理更多的呼叫，支持更多的最終用戶和更大的流量，因此在一定流量下可減少處理所需板子的數(shù)目，也就意味著降低了功耗?，F(xiàn)在，提高處理器速度不再依賴增加功率，而是通過多核處理器和均衡多處理(SMP)刀片。但是，該技術(shù)的進(jìn)化給軟件設(shè)置了新的約束，例如在SMP硬件之上或當(dāng)核數(shù)增加時運行軟件的伸縮問題。

1.2 為終端用戶提供增值服務(wù)

傳統(tǒng)電話系統(tǒng)(POTS)已經(jīng)穩(wěn)定運行了數(shù)年，它和IP網(wǎng)絡(luò)融合存在一些新問題。IP族協(xié)議是面向通用操作系統(tǒng)如Linux而開發(fā)的，而電話信令軟件主要基于專用實時操作系統(tǒng)(RTOS)。融合和產(chǎn)品面市時間要求其能夠遵從IP相關(guān)協(xié)議的進(jìn)化，在原有的OS中集成IP協(xié)議棧沒有負(fù)擔(dān)。同時，還要利用原有OS中已實現(xiàn)的信令協(xié)議。

移動電話設(shè)施在幾年中已經(jīng)歷了:從GSM到GPRS到UMTS到HSDPA及更遠(yuǎn)(LTE， 4G，…)，為終端提供了更高的帶寬，提供了傳輸高質(zhì)量多媒體流和其他增值服務(wù)。新設(shè)計設(shè)備必須以無成本或很低的成本利用已有軟件，同時要能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的未來進(jìn)化。

在用戶終端提供新的用戶服務(wù)不僅要求強(qiáng)大的內(nèi)容提供服務(wù)器，而且要求通信網(wǎng)絡(luò)的支持，以便正確地支持用戶預(yù)訂的服務(wù)質(zhì)量(QoS)和安全級別。用戶設(shè)備管理也要求與通信網(wǎng)絡(luò)的某些緊密集成。更豐富與更靈活的軟件環(huán)境有助于解決這樣的需求。因此，需要在電信運營商要求的有較高處理能力的新硬件上容納這些不同軟件環(huán)境。

1.3 縮短產(chǎn)品面市時間

對于一個提供增強(qiáng)處理能力和較高密度的新硬件平臺，產(chǎn)品面市時間主要由軟件開發(fā)，調(diào)試和驗證決定。所以，重用已有的、已經(jīng)驗證了的軟件是很重要的。要使產(chǎn)品面市時間盡可能短，需要環(huán)境重用而不做更改。這有助于繼續(xù)支持先前確保的服務(wù)質(zhì)量，驗證階段可無縫地進(jìn)行，并更快地進(jìn)入市場部署。

1.4 提高可靠性和安全性

電信網(wǎng)絡(luò)必須高度可靠。萬一出故障，運營商就不得不付出高昂代價。因此，制造商提供的軟硬件設(shè)備的可用性必須維持至少5個9(即99.999%)，意味著每年計劃的和非計劃的不可用時間小于5 min。

要滿足這樣的性能且不降低當(dāng)前系統(tǒng)的可用性。軟件必須設(shè)計成限制出現(xiàn)故障。實際上，無論什么情況，必須提高可用性，允許更好的故障隔離和檢測，更快的故障恢復(fù)和更靈活的運行、管理、維護(hù)和預(yù)防，允許更靈活的升級。一個理想的設(shè)計應(yīng)該能使多個無需修改的已有軟件同時運行在多核架構(gòu)上，在安全隔離分區(qū)之間共享硬件資源。

1.5 多核處理器提供增強(qiáng)的處理能力減少了物理尺寸和功耗

在單個處理器內(nèi)聚集多核是提供更高處理能力、減少功耗的有效途徑。這要求以前從多個不同板子訪問I/O外設(shè)現(xiàn)在變成了從單個板上訪問。支持1個四核處理器的板子所需的功率遠(yuǎn)少于4個單處理器板子所需的功率?？偟纳嵋矔档汀?/p>

1.6 已有的軟件必須不加修改地運行在多核處理器上

要使原先為單核架構(gòu)設(shè)計的實時軟件適應(yīng)多核SMP架構(gòu)是一件困難的事。實時環(huán)境中用的調(diào)度策略針對單核處理器?？紤]到面市時間和成本因素，一個理想的解決方案就是重用實時軟件而無需任何修改。這要求隱藏硬件的多核屬性，為軟件設(shè)計提供常用的單核硬件屬性。

對于通用操作系統(tǒng)，為了適應(yīng)SMP架構(gòu)，可能遇到類似的要求。整合獨立硬件和軟件的系統(tǒng)意味著在單一環(huán)境中聚集幾個軟件。把不同的系統(tǒng)版本合并為單一的系統(tǒng)，這是一個痛苦和長期的任務(wù)。它增加了產(chǎn)品的上市時間和成本。

針對上述挑戰(zhàn)，目前的解決方案有:使軟件適應(yīng)多核環(huán)境，通過超虛擬化隱藏多核以及全透明實時虛擬化。

2 幾個解決方案比較

2.1 使軟件適應(yīng)多核

由于同類多核SMP處理器可降低總體成本，如果軟件能適應(yīng)這樣的處理能力，這種方法無疑具有吸引力，一旦適應(yīng)，在多核處理器上運行的軟件可發(fā)揮硬件提供的全部好處。但是，這種方法有幾個缺點:把操作系統(tǒng)從單處理器移植到SMP硬件架構(gòu)是一件復(fù)雜的工作，需要很多繁瑣的分析，需要調(diào)整系統(tǒng)以達(dá)到期望的性能水平(即雙核性能接近單核性能的2倍)。

這個問題不僅與操作系統(tǒng)有關(guān)，而且從單處理器移植會影響應(yīng)用軟件，尤其是實時軟件。實時環(huán)境的調(diào)度屬性通?；贔IFO策略。移植到多核后，使得較低優(yōu)先級的任務(wù)和較高優(yōu)先級的任務(wù)并行運行，很可能破壞很多同步假設(shè)。所以，應(yīng)用需要調(diào)整并完全驗證。

把多個運行在不同刀片的獨立系統(tǒng)整合到單個SMP系統(tǒng)可能會失去某些配置的靈活性。某些低端硬件配置或許仍需要不同種類操作系統(tǒng)(有些運行RTOS，有些運行通用OS)的單處理器刀片，或者運行同一系統(tǒng)的不同OS分區(qū)。移到單一SMP操作系統(tǒng)環(huán)境可能會失去配置的靈活性。在4個獨立處理器上運行一個系統(tǒng)環(huán)境的4個例程，從物理上分割了這個系統(tǒng)。這有一些優(yōu)勢:系統(tǒng)的一個例程故障不影響其他例程。系統(tǒng)一個例程的安全問題不會自動地影響其他三個例程。當(dāng)移植到四核平臺上成為單一軟件系統(tǒng)時，就會喪失這個優(yōu)勢。

2.2 超虛擬化

超虛擬化提供了由虛擬機(jī)監(jiān)控器控制底層硬件的客體系統(tǒng)。每個客體系統(tǒng)彼此分離地運行在自己的分區(qū)內(nèi)，不能干擾運行在同一平臺上其他分區(qū)中的系統(tǒng)。此外，為實時系統(tǒng)提供了一個貌似單處理器的情景，避免了調(diào)整應(yīng)用的負(fù)擔(dān)。這樣，實時環(huán)境可以運行在處理器的每一個核上。在同一個硬件平臺上并行運行不同的系統(tǒng)或不同的系統(tǒng)版本，不必經(jīng)歷繁瑣、復(fù)雜的系統(tǒng)集成工作。把物理資源(包括多核處理器)劃分成不同的軟件環(huán)境，在軟件級有多個故障域。從安全角度上看，有多個安全域，一個域安全出問題不會波及其他域。不過，這種超虛擬化方法的某些方面有待改進(jìn):

如果要維持良好的性能，所付出的代價是客戶系統(tǒng)的硬件抽象層要適應(yīng)虛擬機(jī)監(jiān)控器接口。盡管在一定范圍內(nèi)這是可以理解的，但是在適應(yīng)OS中引入了延遲，可能需要重新驗證一部分軟件。超虛擬化通常由改變客體系統(tǒng)運行環(huán)境實現(xiàn):在Intel X86體系結(jié)構(gòu)上改變執(zhí)行環(huán)(環(huán)壓縮)，改變可用地址空間(地址空間壓縮)。

當(dāng)目標(biāo)處理器不提供虛擬化支持時，超虛擬化是最好的解決方案。一個例子是，當(dāng)某些訪問機(jī)器狀態(tài)的指令在用戶模式中執(zhí)行時，不會引起異常。

隨這種透明虛擬化的支持，可使用一個更好的解決方案。

2.3 全透明實時虛擬化

全透明虛擬處理器與適當(dāng)?shù)奶摂M機(jī)監(jiān)控器結(jié)合能實現(xiàn)目前所確定的所有需求?；贗ntel虛擬化技術(shù)的新處理器能使虛擬機(jī)監(jiān)控器透明地在單個處理器上，也可以在多核處理器上運行多個無需修改的客體OS。如圖1所示。

圖1 全透明實時虛擬化系統(tǒng)框圖

這種解決方案的好處在于:

(1) 多個RTOS例程可以并行運行在一個SMP多核處理器上而不會影響所支持的應(yīng)用，可重用二進(jìn)制代碼，無需修改客體 OS，所以使得產(chǎn)品能在最短時間面市，開發(fā)成本最小。另外，可實現(xiàn)實時操作系統(tǒng)(RTOS)與通用操作系統(tǒng)(GPOS)混用，即一個或多個GPOS如Linux 或 Windows可以同時運行在多核處理器，既可以運行在一個專用核上，也可以運行在與其他OS(甚至與一個或幾個RTOS)共享的多核上。

(2) 設(shè)備可以有效地、安全地在不同的客戶操作系統(tǒng)之間共享。

(3) 可以透明地監(jiān)控客體系統(tǒng)，萬一出現(xiàn)故障，依據(jù)配置可以自動重新啟動。因此，系統(tǒng)的整體可靠性增強(qiáng)了，無需修改客體操作系統(tǒng)。在多核處理器內(nèi)多個客體 OS可能共享同一個核。如果多個客體 OS運行在同一個核上，以這樣的方法調(diào)度客體 OS，即維持RTOS的實時屬性。這種方法可用于嵌入式和實時系統(tǒng)。

(4) 把物理內(nèi)存分區(qū)，每一個內(nèi)存分區(qū)分配給一個指定的客體 OS。這樣，每個客體 OS就使用自己的內(nèi)存管理機(jī)制和策略，而不會干擾其他客體OS。保護(hù)內(nèi)存分區(qū)且彼此隔離以便沒有OS能讀出或?qū)懭氲狡渌鸒S內(nèi)存分區(qū)。這種方法允許使用MMU的OS，如Linux或 Windows CE，和不使用MMU的OS，如Nucleus 或 VxWorks，協(xié)同運行在一個單核上。

每個客體 OS使用的I/O設(shè)備惟一地分配給該客體 OS。原來的設(shè)備驅(qū)動程序可以不加修改的重用。

(5) 把幾個客體 OS所需的硬件資源，如CPU和實時時鐘，虛擬化以便在所有需要訪問它們的客體 OS之間共享。

(6) 在同一處理器上同時運行不同的OS僅是問題的一部分?？腕w OS也需要通信和共享設(shè)備或其他硬件資源。典型的OS支持多進(jìn)程，為進(jìn)程提供內(nèi)存分配和調(diào)度策略，提供同步，共享訪問系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)接口，以及進(jìn)程間通信等服務(wù)。

這種解決方案不僅能使一個RTOS的幾個例程運行在多核處理器上，無需修改它們，而且允許在設(shè)備上運行Linux系統(tǒng)例程，無需專用刀片或處理器。因此，這就給原來系統(tǒng)帶來全新的性能。

3 基于Intel技術(shù)的實時虛擬化技術(shù)在位置查找注冊 (HLR)系統(tǒng)中的應(yīng)用

在含有2個雙核低電壓Intel@Xeon處理器的ATCA Intel NetStructure@MPCBL0040板上，能使多個RTOS和1個Linux例程同時運行在同一板上。RTOS及它們的應(yīng)用無需修改運行，好像運行在一個單處理器機(jī)器上。建立這樣的系統(tǒng)要做的就是為每個分區(qū)配置適當(dāng)?shù)奈锢碣Y源。如圖2所示。

圖2 實時虛擬化技術(shù)在位置查找注冊 (HLR)系統(tǒng)中的應(yīng)用

由于每個OS獨立于其他OS，且有1個專用的核(除了與Linux共享處理器的核外)，沒有明顯的同步開銷，系統(tǒng)能提供接近4倍于單核處理器的處理能力。該系統(tǒng)能同時訪問4個數(shù)據(jù)庫，最優(yōu)化地使用了高性能多核處理器，不會影響原HLR應(yīng)用特性。4個未做修改的數(shù)據(jù)庫可以通過運行在1個核上的標(biāo)準(zhǔn)Linux(Red Hat Enterprise Linux ES 4)用網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)進(jìn)行通信。系統(tǒng)與其數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的獨立意味著4個系統(tǒng)中1個系統(tǒng)出故障不會妨礙其余3個系統(tǒng)的運行務(wù)。

4 結(jié) 語

基于Intel虛擬化技術(shù)能夠解決許多網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備遇到的挑戰(zhàn)，能使設(shè)備制造廠家基于多核處理器設(shè)計設(shè)備，從而提供較高的處理密度，降低材料費和總成本。在一個多核處理器上通過簡單配置，整合多個無需修改的實時軟件，保持了它們的QoS屬性。運行已有的、實時和通用軟件，無需復(fù)雜的、長時間的重新設(shè)計和集成。在同一多核處理器上整合不同版本的通用軟件，無需經(jīng)歷軟件環(huán)境集成過程，便使系統(tǒng)最優(yōu)化，進(jìn)而使產(chǎn)品具有特色且性能卓越。

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