杜雅紅，張 棟，黃 鑫

（中鐵信弘遠(yuǎn)（北京）軟件科技有限責(zé)任公司，北京100089）

在計算機技術(shù)中，虛擬化技術(shù)可以幫助有效地管理計算機中的各種實體資源[1-2]，比如：CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)和存儲等，它通過將計算機資源抽象出來并實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，讓資源可以有效地動態(tài)分配和跨域共享，突破了實體資源不可拆分以及受地域限制的這一技術(shù)難點，讓用戶可以更加靈活、有效地使用這些資源[3-4]。虛擬化資源通常是指擁有計算能力和存儲能力的資源[5]。

很多企業(yè)或者組織在是生產(chǎn)環(huán)境中使用虛擬化之前，都會對虛擬化技術(shù)的性能損耗進(jìn)行測試，以確保虛擬化技術(shù)可以滿足生產(chǎn)需要，但是，由于基礎(chǔ)硬件及應(yīng)用系統(tǒng)的不同，虛擬化的性能測試結(jié)果也不盡相同。鑒于此，本文進(jìn)行了基于鐵路標(biāo)準(zhǔn)硬件設(shè)施的虛擬化性能測試，為應(yīng)用系統(tǒng)選擇物理機或者虛擬化技術(shù)提供參考。

1 虛擬化技術(shù)介紹

1.1 VMware介紹

VMwarevSphere是一款商用的服務(wù)器虛擬化平臺，組件包括vCenter Server、ESXi、vSphereWeb Client、vSphereClient 和vSphereHost Client。虛擬機的管理程序ESXi是vSphere所有產(chǎn)品套件的核心，是其他產(chǎn)品所依賴的基礎(chǔ)。vCenter 可以集中管理VmwarevSphere環(huán)境，從而提高管理員對虛擬環(huán)境的控制[6]。

VMware 的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 VMware系統(tǒng)架構(gòu)

VMwarevSphere 主要組件及功能如下：

（1）VMwarevCenterServer：配置及管理虛擬化IT 環(huán)境的中樞節(jié)點。

（2）VMwarevSphereClient：用戶可以使用此Client 從WindowsPC連接到vCenter server 或者

ESXi。

（3）VMwarevSphereWebAccess：用戶可以通過此Web界面對虛擬機進(jìn)行管理、對遠(yuǎn)程控制臺進(jìn)行訪問。

（4）VMware虛擬機文件系統(tǒng)（VMFS）：ESXi虛擬機使用的高性能集群文件系統(tǒng)。

（5）VMwareVirtual SMP：允許單一的虛擬機同時使用多個物理處理器。

（6）VMwarevMotion和StoragevMotion：VMwarevMotion 可以將運行態(tài)的虛擬機從一個主機動態(tài)遷移到另一個主機，且遷移期間虛擬機不需要關(guān)機，業(yè)務(wù)不受影響。

（7）VMwareHighAvailability（HA）：可為虛擬機提供高可用性的功能。如果服務(wù)器出現(xiàn)故障，會在其他空閑主機上重新啟動故障主機上的虛擬機。

（8）VMwareDistributedResourceScheduler（DRS）：通過收集硬件資源，實現(xiàn)虛擬機的動態(tài)分配，同時平衡計算容量。

（9）VMwarevSphereSDK：用戶可以通過調(diào)用此接口來訪問VMwarevShpere的功能。

（10）VMware容錯：為虛擬機啟動容錯后，會為此虛擬機創(chuàng)建副本虛擬機。主虛擬機上的所有操作都會同步到副本虛擬機上。如果主虛擬機出現(xiàn)故障，則副本虛擬機將成為主活動虛擬機，保證業(yè)務(wù)連續(xù)可用性。

（11）vNetwork分布式交換機（vDS）：實現(xiàn)了分布式的虛擬交換機功能，使得虛擬交換機可以跨多個ESXi主機，簡化網(wǎng)絡(luò)運維工作量，并提高網(wǎng)絡(luò)容量。同時，虛擬機在跨主機遷移時，保證網(wǎng)絡(luò)配置不變。

1.2 KVM介紹

基于內(nèi)核的虛擬機（KVM，Kernel-basedVirtual Machine）是一個Linux 的內(nèi)核模塊，支持X86（32 bit 和64bit）、s390、Powerpc等CPU。KVM 的虛擬化需要硬件支持（如IntelVT 技術(shù)或者AMD 技術(shù)），是基于硬件的完全虛擬化[7-8]。

在KVM中，虛擬機被實現(xiàn)為普通的Linux進(jìn)程，由標(biāo)準(zhǔn)的Linux 調(diào)度程序進(jìn)行調(diào)度。但是，KVM 本身不執(zhí)行任何硬件模擬，需要QEMU 提供硬件I/O虛擬化。

KVM系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示。

KVM支持的功能包括：

（1）支持CPU 和內(nèi)存超分（Overcommit）。

（2）支持半虛擬化I/O（virtio）。

（3）支持熱插拔（CPU、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等）。

（4）支持對稱多處理（SMP，SymmetricMulti-Processing）。

（5）支持實時遷移（LiveMigration）。

（6）支持PCI 設(shè)備直接分配和單根I/O 虛擬化（SR-IOV）。

圖2 KVM系統(tǒng)架構(gòu)

（7）支持內(nèi)核同頁合并（KSM）。

（8）支持非一致存儲訪問結(jié)構(gòu)（NUMA，Non-Uniform Memory Access）。

2 虛擬化性能對比測試

2.1 測試環(huán)境

測試環(huán)境說明，如表1所示。

表1 測試環(huán)境說明

2.2 CPU對比測試

使用sysbench 測試框架，運行尋找質(zhì)數(shù)的程序，指定上限值，尋找該值范圍內(nèi)的質(zhì)數(shù)。上限分別取10000和100000000。上限是10000時，對比單位時間內(nèi)（1s）程序的執(zhí)行次數(shù)。上限是100000000 時，對比程序的運行時間。測試結(jié)果，如圖3、圖4 所示。

通過測試結(jié)果可以看出，不論是單位時間內(nèi)程序的運行次數(shù)還是限定上限時程序的運行時間，物理機和兩個虛擬機的表現(xiàn)都不相上下。也就是說兩種虛擬化對于單進(jìn)程的程序在CPU性能方面與物理機幾乎沒有差別。

2.3 內(nèi)存對比測試

RAMspeed 是一個用來測試計算機系統(tǒng)緩存和內(nèi)存性能的開源的命令行工具。使用RAMspeed 分別對3類主機進(jìn)行不同塊大小的整型和浮點型內(nèi)存讀

圖3 上限是10000的測試結(jié)果

圖4 上限是100000000的測試結(jié)果

寫測試，結(jié)果如圖5～圖8。

圖5 整型寫內(nèi)存測試

圖6 整型讀內(nèi)存測試

圖7 浮點型寫內(nèi)存測試

圖8 浮點型讀內(nèi)存測試

由圖5～圖8可知，在數(shù)據(jù)塊小于64 KB時，VMware對于內(nèi)存的讀寫速度要明顯高于KVM 和物理機；當(dāng)數(shù)據(jù)塊大于64KB時，兩種虛擬化和物理機的表現(xiàn)相差不大。所以對那些需要頻繁讀寫內(nèi)存里的小塊數(shù)據(jù)的應(yīng)用，VMware 可以提供更高的性能。

2.3 磁盤IO對比測試

使用fio進(jìn)行測試，fio是一個非常靈活的I/O測試工具，用來對硬件進(jìn)行壓力測試和驗證，它可以通過多線程或進(jìn)程模擬各種I/O操作，支持13種不同的I/O引擎。本次測試分別對硬盤驅(qū)動器（HDD）和固態(tài)驅(qū)動器（SSD）做了壓力測試，測試結(jié)果如圖9～圖12所示。

通過以上測試結(jié)果可以看出，兩種虛擬化在HDD盤的隨機讀時會有10%的性能損耗，其他情況下，可以提供和物理機同樣的性能。

2.4 網(wǎng)絡(luò)對比測試

圖9 HDD盤4KB隨機讀寫測試結(jié)果（隊列深度32）

圖10 HDD盤512KB順序讀寫測試結(jié)果（隊列深度32）

圖11 SSD盤4KB隨機讀寫測試結(jié)果（隊列深度32）

圖12 SSD盤512KB順序讀寫測試結(jié)果（隊列深度32）

使用iperf 進(jìn)行測試，iperf 是一個網(wǎng)絡(luò)性能測試工具，用來測試最大傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）帶寬性能。iperf 支持傳入多種參數(shù)，還支持UDP 特性，可以根據(jù)需要調(diào)整。同時，iperf 還可以測試帶寬，延遲抖動和數(shù)據(jù)包丟失。3種類型主機分別作為客戶端與服務(wù)器端，進(jìn)行TCP 和UDP 帶寬測試。其中，UDP 測試指定單線程帶寬為1Gbps，用10個線程同時發(fā)送數(shù)據(jù)占滿帶寬[9-10]。測試結(jié)果如圖13～圖14所示。

圖13 TCP測試結(jié)果

圖14 UDP測試結(jié)果

通過以上測試結(jié)果可以看出，VMware虛擬機作為TCP 客戶端時，能提供的帶寬會比物理機和KVM 虛擬機少10%左右；而作為UDP 服務(wù)器端時，KVM虛擬機提供的總帶寬都要比物理機低60%，VMware虛擬機比物理機低10%左右；作為UDP 客戶端時，KVM虛擬機提供的總帶寬要比物理機低20%左右。所以如果應(yīng)用系統(tǒng)以UDP 業(yè)務(wù)為主，選擇物理機或者VMware 虛擬機可以獲得比KVM 虛擬機更高的帶寬。

3 結(jié)束語

本文分別就CPU、內(nèi)存、磁盤I/O，以及網(wǎng)絡(luò)帶寬對物理機、KVM虛擬機和VMware虛擬機進(jìn)行了對比測試。通過測試發(fā)現(xiàn)，兩種虛擬化和物理機在CPU 性能方面并沒有很大差異；在內(nèi)存方面，頻繁讀寫內(nèi)存里的小塊數(shù)據(jù)時，VMware 的表現(xiàn)更加突出；在磁盤I/O方面，兩種虛擬化在HDD的隨機讀寫上表現(xiàn)稍差；在網(wǎng)絡(luò)帶寬方面，如果應(yīng)用系統(tǒng)以UDP業(yè)務(wù)為主，KVM虛擬機提供的帶寬相對較小。

本文每項測試都是針對單項指標(biāo)的測試，應(yīng)用系統(tǒng)的運行經(jīng)常需要同時使用這幾項指標(biāo)，所以應(yīng)用系統(tǒng)在選擇運行載體時需要綜合考慮這幾項指標(biāo)的影響，根據(jù)應(yīng)用特點選擇合適的運行載體。當(dāng)然，為了保證應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性，建議在不影響性能的情況下，使用多種運行載體。