基于IBM小型机虚拟化技术应用探讨

【摘 要】本文简要介绍了企业私有云计算中小型机服务器虚拟化的概念、基于IBM POWERVM的虚拟化技术以，企业实施POWERVM小型机虚拟化的方法及步骤，小型机虚拟化的技术特性。

【关键词】云计算；服务器虚拟化；IBM POWERVM；VSCSI技术；NPIV技术；SEA技术；IVE技术

1 云计算概念

“云计算”（cloud computing）概念由Google提出的一种信息资源架构，在此架构中，用户所需要的应用、资源及数据全部驻留在互联网中不特定位置的服务器上，用户只需提出对IT信息资源的需求就可以从云中获得相应的IT服务，包括IT硬件、平台、软件，按资源使用量付费，就像我们使用水电服务一样使用IT基础设施。

近几年云计算由于概念迅速向生产转化，大型企业集团在企业内部建设适合本企业的私有云环境。在企业内部通过实施私有云，对企业基础IT资源进行整合，由于IT部门采购统一的服务器、存储、网络、备份、云计算平台、软件应用平台，把这些资源进行云计算虚拟化，通过网络交付业务部门使用。

2 服务器虚拟化简述

服务器虚拟化是云计算的基础架构服务（IAAS），服务器虚拟化技术目的就是将服务器物理CPU、内存、磁盘、I/O等资源抽象成逻辑资源池，让一台服务器变成几台甚至上百台相互隔离的虚拟服务器，从而提高资源的利用率，简化系统管理，实现服务器整合，让IT资源对业务的变化更具适应力。

在企业内部小型机是承载核心业务系统的首选服务器设备，采用虚拟化技术可以将企业一台小型机服务器划分为多台可以运行不同业务系统的虚拟小型机服务器，通过小机虚拟化技术可以降低企业采购小型机服务器的数量，减小设备采购成本，提高小型机服务器利用率，有利用于小型机的集中化管理。

小型机虚拟化技术发展也经历了物理分区技术阶段、裸机Hypervisor虚拟化技术阶段、主机Hypervisor虚拟化技术阶段。

（1）物理分区技术：一种基于物理资源的分区技术，可以实现分区间完全的电气隔离。如：HP nPar，SUN Domains，IBM Power LPAR。

优点：分区之间物理隔离，互不影响；几乎无系统开销。

缺点：以物理处理器卡为单位划分分区资源，分区资源颗粒度大，资源无法在分区之间共享和动态调配，管理和使用复杂。

（2）裸机级Hypervisor虚拟化技术：一种基于微码的硬件虚拟化技术，Hypervisor直接运行在硬件设备至上，用作一个硬件控件和来宾操作系统。如：IBM Z/VM、IBM PowerVM、VMWare ESX。

优点：资源颗粒度小，分区间资源共享，可灵活动态调配，不受物理板卡的限制；管理和使用简单、有效；是目前主流的虚拟化技术。

缺点：有一定的系统开销。

（3）主机级Hypervisor虚拟化技术：Hypervisor利用主机操作系统实现虚拟化分区。如：HP Integrity VM、Linux KVM。

优点：虚拟化平台通常对硬件兼容性没有太多的要求；基于主机的虚拟化hypervisor安装、使用以及维护都很简单；成本优势明显。

缺点：虚拟机必须彼此竞争使用资源；系统开销较大。

IBM虚拟化技术最初起源于20世纪60年代的IBM大型机。在1967年第一个虚拟化管理程序（hypervisor）诞生，它支持跨虚拟机共享内存，为每个用户提供单独的内存空间。hypervisor被用于整合物理硬件和更迅速地部署环境（比如开发环境）。在1997年IBM开始将大型机上的虚拟化技术向中端平台转移，在中端上创建了虚拟化管理程序hypervisor。

IBM hypervisor是做为主机固件的形式存在的，这与其他基于管理程序的解决方案不同。这使得OS、硬件和管理程序之间集成非常紧密，管理程序是介于OS与提供虚拟化功能的硬件之间的系统软件。2004年发布了高级Power虚拟化技术（Advanced Power Virtualization，APV），它是IBM第一款真正的虚拟化解决方案，支持共享资源。它在2008年被重新命名为PowerVM。

3 企业IBM小型机POWERVM实施

IBM基于Power5/6/7/8处理器架构的小型机都支持PowerVM虚拟化技术，企业采购的P520/P550至P780/P790都可以进行虚拟化实施。POWER Hypervisor在基于POWER5以上的服务器架构上总是启用的，它负责跨共享的物理处理器分配逻辑分区工作负载，并负责确保分区安全性，它可以提供分区间通信，支持虚拟I/O服务器的虚拟 SCSI和虚拟以太网功能。

4 实施PowerVM虚拟化步骤

4.1 规划服务器分区划分

IBM服务器利用PowerVM虚拟化技术可以对服务器CPU进行规划分区使用，对CPU的划分有两种分配方式，一种是以CPU为单位进行独占式划分，这种分配方式CPU被分区独立使用，另一种是将CPU划分为CPU资源池，以微分区的方式分配给分区使用，CPU可以以0.1的划分粒度进行分配，以微分区分配的CPU和内存资源可以在分区运行时进行动态调整，以满足分区在业务高峰期对计算资源和内存资源的需求。

IBM POWER服务器支持双VIOS配置，根据服务器性能配置和业务系统运行规划，确定实施单VIOS还是双VIOS服务器配置，使用双VIOS配置可以使用服务器的磁盘IO、网络IO、光纤通道IO保持两个或多个通过的冗余配置，以满足企业核业务系统运行安全性的需要。

4.2 规划分区网络及存储使用模式

根据业务需求划分虚拟服务器网络是使用SEA虚拟网卡还是使用LHEA逻辑网卡方式，SEA网卡是由于VIOS服务器经过桥接分配给虚拟服务器使用，LHEA网卡由支持IVE（Integrated Virtual Ethernet adapter）虚拟化技术的网卡直接将网卡虚拟成逻辑网卡分配给虚拟服务器使用，使用LHEA网络分配方式网络效率高但分区不能进行动态迁移。虚拟服务器存储分配方式有VSCSI方式和NPIV两种分配方式，VSCSI方式是由VIOS将由于SAN存储上识别的LUN、本地磁盘或逻辑映射给虚拟服务器使用，NPIV方式是由支持NPIV（N_Port ID Virtualization）的光纤通道卡将虚拟光纤通道直接映射给存储LUN使用，NPIV映射方式存储利用率高并能高效使用存储特有特性，做为虚拟分区的启动盘使用需要存储支持SAN BOOT功能。 4.3 划分VIOS、虚拟服务器资源并映射虚拟通道卡

在划分完成以后，利用IBM HMC硬件管理控制台为VIOS服务器、虚拟服务器划分CPU、内存资源、虚拟通道适配器资源。在分配完VIOS资源后需要首先安装VIOS服务器，然后完成VIOS服务器虚拟通道适配器与虚拟服务器的通道配置器映射后，就可以安装承载业务系统的虚拟小型机服务器了。

5 PowerVM 的特性和功能

（1）VIOS服务器：负责向使用它的虚拟分区提供I/O服务。VIOS把物理主机适配器提供给一个或多个VIO客户端分区共享。这有助于消除对专用网络和/或I/O的需求，从而减少了成本。IBM的实现方法使用了共享以太网和虚拟SCSI来支持共享网络和磁盘I/O。

（2）微分区和共享处理器逻辑分区：允许客户端将它的CPU资源分一部分给虚拟分区，并且最高支持一个CPU的1/10的资源。虚拟服务器可以在任何物理服务器上运行，因为物理处理器是完全共享的。可以通过使用未封顶分区的特性来扩大CPU数量和它们的授权容量（Entitled Capacity，EC），允许系统在突发的CPU密集时期，从共享处理器池的其他逻辑分区获得未使用的CPU资源，使虚拟分区可以自动动态扩展所获得的资源。

（3）动态分区迁移：在IBM的POWER6架构中引入分区迁移技术，可以将正在运行的虚拟分区（LPAR可以是AIX或Linux）从一个物理服务器移动到另一个服务器，在迁移过程中虚拟服务器不用停机可以不间断的提供业务服务。

（4）共享专用容量：允许专用处理器分区将空闲CPU周期捐献出来，以便在空闲处理器池中使用。

（5）NPIV虚拟化：支持从多个客户端LPAR直接访问光纤通道适配器，简化了光纤通道SAN环境的管理，支持NPIV特性的适配器所生成的虚拟光纤适配器实际上由虚拟分区所有，虚拟分区通过NPIV虚拟化光纤适配器可以支持访问存储上的逻辑卷（LUN），这使得虚拟分区访问存储的性能得到了很大的提高。

企业实施了基于IBM POWERVM小型机的虚拟化以后，以少量的高性能服务器可以虚拟出多套运行不同业务系统的虚拟小型机，结合IBM的集群技术、数据库高可用技术、POWERVM的动态资源分配和迁移技术，可以为企业核心应用系统提供一个高度安全的运行环境，同时也降低了企业IT资源的总体拥有成本（TCO）。

【参考文献】

[1]IBM 红皮书.PowerVM Virtualization on IBM System p：Introduction and Configuration[Z].