1、深信服超融合架构技术白皮书深信服科技有限公司2015 年 10 月版权声明深圳市深信服电子科技有限公司版权所有，并保留对本文档及本声明的最终解释权和修改权。本文档中出现的任何文字叙述、文档格式、插图、照片、方法、过程等内容，除另有特别注明外，其著作权或其它相关权利均属于深圳市深信服电子科技有限公司。未经深圳市深信服电子科技有限公司书面同意，任何人不得以任何方式或形式对本文档内的任何部分进行复制、摘录、备份、修改、传播、翻译成其他语言、将其全部或部分用于商业用途。免责条款本文档仅用于为最终用户提供信息，其内容如有更改，恕不另行通知。深圳市深信服电子科技有限公司在编写本文档的时候已尽最大努力保证其
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3、n vMotion 实时迁移DRS Distributed Resource Scheduler 分布式资源调度RAIDRedundant Arrays of Independent Disks 磁盘阵列IOPSInput/Output Operations Per Second 每秒读写（I/O）操作的次数VM Virtual Machine 虚拟机SDN Software Defined Network 软件定义网络NFV Network Function Virtualization 网络功能虚拟化修订记录修订版本号 作者 日期 备注V1.0 肖先东 2015-10深信服超融合架构技术白
4、皮书1目 录深信服超融合架构技术白皮书1 前言 31.1 IT 时代的变革 .31.2 白皮书总览 42 深信服超融合技术架构 .52.1 超融合架构概述 .52.1.1 超融合架构的定义 .52.2 深信服超融合架构组成模块 .52.2.1 系统总体架构 52.3 aSV 计算虚拟化平台 .62.3.1 概述 62.3.2 aSV 技术原理 .72.3.3 aSV 的技术特性 192.3.4 aSV 的特色技术 242.4 aSAN 存储虚拟化 .272.4.1 存储虚拟化概述 272.4.2 aSAN 技术原理 292.4.3 aSAN 存储数据可靠性保障 412.4.4 深信服 aSAN
5、 功能特性 .472.5 aNet 网络虚拟化 492.5.1 网络虚拟化概述 492.5.2 aNET 网络虚拟化技术原理 .502.5.3 aNet 功能特性 562.5.4 深信服 aNet 的特色技术 57深信服超融合架构技术白皮书23 深信服超融合架构产品介绍 603.1 产品概述 .603.2 产品定位 .604 深信服超融合架构带来的核心价值 .624.1 可靠性 .624.2 安全性 .624.3 灵活弹性 .624.4 易操作性 .625 超融合架构最佳实践 64深信服超融合架构技术白皮书31 前言1.1 IT 时代的变革20 世纪 90 年代，随着 Windows 的广泛使
6、用及 Linux 服务器操作系统的出现奠定了 x86 服务器的行业标准地位，然而 x86 服务器部署的增长带来了新的 IT 基础架构和运作难题，包括：基础架构利用率低、物理基础架构成本日益攀升、IT 管理成本不断提高以及对关键应用故障和灾难保护不足等问题。随着X86 服务器性能的提升，通过将 x86 系统转变成通用的共享硬件基础架构，充分挖掘硬件的潜力，提高硬件的利用效率，有效的降低硬件和运营成本，并且简化运维降低管理成本，最终帮助用户把更多的时间和成本转移到对业务的投入上。随着云计算和虚拟化技术向构建新一代数据中心方向发展，关键以虚拟化为基础，实现管理以及业务的集中，对数据中心资源进行动态调
7、整和分配，重点满足企业关键应用向 X86 系统迁移对于资源高性能、高可靠、安全性和高可适应性上的要求，同时提高基础架构的自动化管理水平，确保满足基础设施快速适应业务的商业诉求，支持企业应用云化部署。云计算其实并不是一种新的技术，而是在一个新理念的驱动下产生的技术组合。在云计算之前，企业部署一套服务，需要经历组网规划，容量规划，设备选型，下单，付款，发货，运输，安装，部署，调试的整个完整过程。这个周期在大型项目中需要以周甚至月来计算。在引入云计算后，这整个周期缩短到以分钟来计算。IT 业有一条摩尔定律，芯片速度容量每 18 个月提升一倍。同时， IT 行业深信服超融合架构技术白皮书4还有一条反摩
8、尔定律，所有无法追随摩尔定律的厂家将被淘汰。 IT 行业是快鱼吃慢鱼的行业，使用云计算可以提升 IT 设施供给效率，不使用则会拖慢产品或服务的扩张脚步，一步慢步步慢。我们现在正处于一场几十年未见的企业级数据中心革命性转变中，究其核心，这一转变是由“软件”基础设施的崛起而驱动。虚拟机、虚拟网络和存储设备能够以高速自动化的方式分配与重新配置，不会受到非动态设置的硬件基础设施的限制，在“软件定义数据中心”的模型下，用户首先考虑的是应用，根据应用的模式便可灵活的调配其所需的 IT 基础架构资源，也就是通过软件化的方式实现硬件资源调配。深信服的超融合架构是软件定义数据中心下的一套非常成熟的解决方案，除满
9、足上面所述的虚拟化，标准化和自动化诉求外，秉承深信服公司产品的优秀基因，向您提供简单易用，安全可靠的产品。1.2 白皮书总览本书介绍的内容大致如下：第一章、在前言部分，给您对云计算，云平台有一个概括性的认识，并对本文档的阅读给出指导。第二章、讲述超融合架构中的主要功能模块，各个功能模块的技术细节介绍。第三章、介绍深信服超融合架构涵盖的产品。第三章、向您介绍深信服超融合架构中的技术在为客户带来的核心价值。第四章、分享超融合架构在客户中的实际应用场景，并给出深信服超融合深信服超融合架构技术白皮书5架构产品的体验途径，非常欢迎您来试用。深信服超融合架构技术白皮书62 深信服超融合技术架构2.1 超融
10、合架构概述2.1.1 超融合架构的定义超融合基础架构，是一种将计算、网络和存储等资源作为基本组成元素，根据系统需求进行选择和预定义的一种技术架构，具体实现方式上一般是指在同一套单元节点（x86 服务器）中融入软件虚拟化技术（包括计算、网络、存储、安全等虚拟化），而每一套单元节点可以通过网络聚合起来，实现模块化的无缝横向扩展（scale-out），构建统一的资源池。2.2 深信服超融合架构组成模块2.2.1 系统总体架构深信服超融合架构图深信服超融合架构在基于底层基础架构（标准的 X86 硬件）上将计算、存储、网络、安全软件化，通过这种软件化的方式，即计算虚拟化 aSV、存储虚拟化 aSAN、网
11、络虚拟化 aNet，构建了数据中心里所需的最小资源单元，通过深信服超融合架构技术白皮书7资源池中的最小单元，提供了数据中心 IT 基础架构中所需的全部资源。后续章节，会针对超融合架构中的三大功能模块：aSV、aSAN、aNet 所涵盖的产品技术来做详细说明。2.3 aSV 计算虚拟化平台2.3.1 概述计算资源虚拟化技术就是将通用的 x86 服务器经过虚拟化软件，对最终用户呈现标准的虚拟机。这些虚拟机就像同一个厂家生产的系列化的产品一样，具备系列化的硬件配置，使用相同的驱动程序。虚拟机的定义： 虚拟机 (Virtual Machine) 是由虚拟化层提供的高效、独立的虚拟计算机系统，每台虚拟机
12、都是一个完整的系统，它具有处理器、内存、网络设备、存储设备和 BIOS，因此操作系统和应用程序在虚拟机中的运行方式与它们在物理服务器上的运行方式没有什么区别。虚拟机与物理服务器相比：虚拟机不是由真实的电子元件组成，而是由一组虚拟组件（文件）组成，这些虚拟组件与物理服务器的硬件配置无关，关键与物理服务器相比，虚拟机具有以下优势:抽象解耦1.可在任何 X86 架构的服务器上运行；2.上层应用操作系统不需修改即可运行；分区隔离1.可与其他虚拟机同时运行；2.实现数据处理、网络连接和数据存储的安全隔离；深信服超融合架构技术白皮书8封装移动1.可封装于文件之中，通过简单的文件复制实现快速部署、备份及还原
13、；2.可便捷地将整个系统（包括虚拟硬件、操作系统和配置好的应用程序）在不同的物理服务器之间进行迁移，甚至可以在虚拟机正在运行的情况下进行迁移；深信服的超融合架构解决方案中的计算虚拟化采用 aSV 虚拟化系统，通过将服务器资源虚拟化为多台虚拟机。最终用户可以在这些虚拟机上安装各种软件，挂载磁盘，调整配置，调整网络，就像普通的 x86 服务器一样使用它。计算虚拟化是超融合的架构中必不可少的关键因素，对于最终用户，虚拟机比物理机的优势在于它可以很快速的发放，很方便的调整配置和组网。对于维护人员来讲，虚拟机复用了硬件，这样硬件更少加上云平台的自动维护能力，这样整个 IT 系统的成本显著降低。2.3.2
14、 aSV 技术原理2.3.2.1 Hypervisor 架构深信服超融合架构技术白皮书9Hypervisor 是一种运行在物理服务器和操作系统之间的中间软件层,可允许多个操作系统和应用共享一套基础物理硬件，因此也可以看作是虚拟环境中的“元”操作系统，它可以协调访问服务器上的所有物理设备和虚拟机，也叫虚拟机监视器（Virtual Machine Monitor）。Hypervisor 是所有虚拟化技术的核心。非中断地支持多工作负载迁移的能力是 Hypervisor 的基本功能。当服务器启动并执行 Hypervisor 时，它会给每一台虚拟机分配适量的内存、CPU、网络和磁盘，并加载所有虚拟机的客
15、户操作系统。虚拟化技术架构Hypervisor，常见的 Hypervisor 分两类：Type-I（裸金属型）指 VMM 直接运作在裸机上, 使用和管理底层的硬件资源，GuestOS 对真实硬件资源的访问都要通过 VMM 来完成，作为底层硬件的直接操作者，VMM 拥有硬件的驱动程序。裸金属虚拟化中 Hypervisor 直接管理调用硬件资源，不需要底层操作系统，也可以理解为 Hypervisor 被做成了一个很薄的操深信服超融合架构技术白皮书10作系统。这种方案的性能处于主机虚拟化与操作系统虚拟化之间。代表是VMware ESX Server、Citrix XenServer 和 Micros
16、oft Hyper-V，Linux KVM。Type-II 型（宿主型）指 VMM 之下还有一层宿主操作系统，由于 Guest OS 对硬件的访问必须经过宿主操作系统，因而带来了额外的性能开销，但可充分利用宿主操作系统提供的设备驱动和底层服务来进行内存管理、进程调度和资源管理等。主机虚拟化中 VM 的应用程序调用硬件资源时需要经过:VM 内核-Hypervisor-主机内核，导致性能是三种虚拟化技术中最差的。主机虚拟化技术代表是VMware Server（GSX）、Workstation 和Microsoft Virtual PC、Virtual Server 等。由于主机型 Hypervis
17、or 的效率问题，深信服的 aSV 采用了裸机型Hypervisor 中的 Linux KVM 虚拟化，即为 Type-I（裸金属型）。KVM(Kenerl-based Virtual Machine)是基于 linux 内核虚拟化技术，自linux2.6.20 之后就集成在 linux 的各个主要发行版本中。它使用 linux 自身的调度器进行管理，所以相对于 xen，其核心源码很少。KVM 是基于硬件虚拟化扩展（Intel VT- X ）和 QEMU 的修改版，KVM属于 Linux kernel 的一个模块，可以用命令 modprobe 去加载 KVM 模块。加载了该模块后，才能进一步通
18、过工具创建虚拟机。但是仅有 KVM 模块是不够的。因为用户无法直接控制内核去做事情，还必须有一个运行在用户空间的工具才行。这个用户空间的工具，我们选择了已经成型的开源虚拟化软件QEMU，QEMU 也是一个虚拟化软件，它的特点是可虚拟不同的 CPU，比如深信服超融合架构技术白皮书11说在 x86 的 CPU 上可虚拟一个 power 的 CPU，并可利用它编译出可运行在power 上的 CPU，并可利用它编译出可运行在 power 上的程序。KVM 使用了QEMU 的一部分，并稍加改造，就成了可控制 KVM 的用户空间工具了。这就是 KVM 和 QEMU 的关系。如下图：一个普通的 linux
19、进程有两种运行模式：内核和用户。而 KVM 增加了第三种模式：客户模式（有自己的内核和用户模式）。在 kvm 模型中，每一个虚拟机都是由 linux 调度程序管理的标准进程。总体来说，kvm 由两个部分组成：一个是管理虚拟硬件的设备驱动，该驱动使用字符设备/dev/kvm 作为管理接口；另一个是模拟 PC 硬件的用户空间组件，这是一个稍作修改的 qemu 进程。同时，aSV 采用 KVM 优势有： 嵌入到 Linux 正式 Kernel(提高兼容性) 代码级资源调用（提高性能） 虚拟机就是一个进程（内存易于管理） 直接支持 NUMA 技术（提高扩展性） 保持开源发展模式（强大的社区支持）深信服
20、超融合架构技术白皮书122.3.2.2 aSV 的 Hypervisor 实现VMM (Virtual Machine Monitor)对物理资源的虚拟可以划分为三个部分：CPU 虚拟化、内存虚拟化和 I/O 设备虚拟化, 其中以 CPU 的虚拟化最为关键。经典的虚拟化方法： 现代计算机体系结构一般至少有两个特权级（即用户态和核心态，x86 有四个特权级 Ring0 Ring3）用来分隔系统软件和应用软件。那些只能在处理器的最高特权级（内核态）执行的指令称之为特权指令，一般可读写系统关键资源的指令（即敏感指令）决大多数都是特权指令（X86 存在若干敏感指令是非特权指令的情况）。如果执行特权指令
21、时处理器的状态不在内核态，通常会引发一个异常而交由系统软件来处理这个非法访问（陷入）。经典的虚拟化方法就是使用“特权解除”和“陷入-模拟”的方式，即将 GuestOS 运行在非特权级，而将 VMM 运行于最高特权级（完全控制系统资源）。解除了 GuestOS 的特权级后，Guest OS 的大部分指令仍可以在硬件上直接运行，只有执行到特权指令时，才会陷入到 VMM 模拟执行（陷入-模拟）。“陷入- 模拟” 的本质是保证可能影响 VMM 正确运行的指令由 VMM 模拟执行，大部分的非敏感指令还是照常运行。因为 X86 指令集中有若干条指令是需要被 VMM 捕获的敏感指令，但是却不是特权指令（称为
22、临界指令），因此“特权解除”并不能导致他们发生陷入模拟，执行它们不会发生自动的“陷入”而被 VMM 捕获，从而阻碍了指令的虚拟化，这也称之为 X86 的虚拟化漏洞。X86 架构虚拟化的实现方式可分为：1、X86“ 全虚拟化”（指所抽象的 VM 具有完全的物理机特性，OS 在其上运行不需要任何修改）Full 派秉承无需修改直接运行的理念，对“运行时监深信服超融合架构技术白皮书13测，捕捉后模拟”的过程进行优化。该派内部之实现又有些差别，其中以 VMWare 为代表的基于二进制翻译 (BT) 的全虚拟化为代表 , 其主要思想是在执行时将 VM 上执行的 Guest OS 指令，翻译成 x86 指令
23、集的一个子集，其中的敏感指令被替换成陷入指令。翻译过程与指令执行交叉进行，不含敏感指令的用户态程序可以不经翻译直接执行。2、X86“ 半虚拟化”（指需 OS 协助的虚拟化，在其上运行的 OS 需要修改）半虚拟化的基本思想是通过修改 Guest OS 的代码，将含有敏感指令的操作，替换为对 VMM 的超调用 Hypercall，类似 OS 的系统调用，将控制权转移到 VMM，该技术因 VMM 项目而广为人知。该技术的优势在于 VM 的性能能接近于物理机，缺点在于需要修改 GuestOS（如：Windows 不支持修改）及增加的维护成本，关键修改 Guest OS 会导致操作系统对特定 hyper
24、visor 的依赖性，因此很多虚拟化厂商基于 VMM 开发的虚拟化产品部分已经放弃了 Linux 半虚拟化，而专注基于硬件辅助的全虚拟化开发，来支持未经修改的操作系统。3、X86“ 硬件辅助虚拟化”：其基本思想就是引入新的处理器运行模式和新的指令，使得 VMM 和 Guest OS 运行于不同的模式下，Guest OS 运行于受控模式，原来的一些敏感指令在受控模式下全部会陷入 VMM，这样就解决了部分非特权的敏感指令的“陷入- 模拟”难题，而且模式切换时上下文的保存恢复由硬件来完成，这样就大大提高了“陷入-模拟” 时上下文切换的效率。以 Intel VT-x 硬件辅助虚拟化技术为例，该技术增加
25、了在虚拟状态下的两种处理器工作模式：根（Root）操作模式和非根（ Non-root）操作模式。深信服超融合架构技术白皮书14VMM 运作在 Root 操作模式下，而 Guest OS 运行在 Non-root 操作模式下。这两个操作模式分别拥有自己的特权级环，VMM 和虚拟机的 Guest OS 分别运行在这两个操作模式的 0 环。这样，既能使 VMM 运行在 0 环，也能使 Guest OS 运行在 0 环，避免了修改 Guest OS。 Root 操作模式和 Non-root 操作模式的切换是通过新增的 CPU 指令（如：VMXON,VMXOFF ）来完成。硬件辅助虚拟化技术消除了操作系
26、统的 ring 转换问题，降低了虚拟化门槛，支持任何操作系统的虚拟化而无须修改 OS 内核，得到了虚拟化软件厂商的支持。硬件辅助虚拟化技术已经逐渐消除软件虚拟化技术之间的差别，并成为未来的发展趋势。 vCPU 机制vCPU 调度机制对虚拟机来说，不直接感知物理 CPU，虚拟机的计算单元通过 vCPU 对象来呈现。虚拟机只看到 VMM 呈现给它的 vCPU。在 VMM 中，每个 vCPU 对应一个 VMCS（Virtual-MachineControl Structure）结构，当 vcpu 被从物深信服超融合架构技术白皮书15理 CPU 上切换下来的时候，其运行上下文会被保存在其对应的 VMC
27、S 结构中；当 vcpu 被切换到 pcpu 上运行时，其运行上下文会从对应的 VMCS 结构中导入到物理 CPU 上。通过这种方式，实现各 vCPU 之间的独立运行。 从虚拟机系统的结构与功能划分可以看出，客户操作系统与虚拟机监视器共同构成了虚拟机系统的两级调度框架，如图所示是一个多核环境下虚拟机系统的两级调度框架。客户操作系统负责第 2 级调度 ,即线程或进程在 vCPU 上的调度（将核心线程映射到相应的虚拟 CPU 上）。虚拟机监视器负责第 1 级调度, 即 vCPU 在物理处理单元上的调度。两级调度的调度策略和机制不存在依赖关系。vCPU 调度器负责物理处理器资源在各个虚拟机之间的分配
28、与调度,本质上即把各个虚拟机中的 vCPU 按照一定的策略和机制调度在物理处理单元上可以采用任意的策略来分配物理资源, 满足虚拟机的不同需求。vCPU 可以调度在一个或多个物理处理单元执行（分时复用或空间复用物理处理单元）, 也可以与物理处理单元建立一对一固定的映射关系（限制访问指定的物理处理单元）。内存虚拟化内存虚拟化三层模型深信服超融合架构技术白皮书16因为 VMM (Virtual Machine Monitor) 掌控所有系统资源，因此 VMM 握有整个内存资源，其负责页式内存管理，维护虚拟地址到机器地址的映射关系。因 Guest OS 本身亦有页式内存管理机制，则有 VMM 的整个系
29、统就比正常系统多了一层映射：A. 虚拟地址(VA)，指 Guest OS 提供给其应用程序使用的线性地址空间；B. 物理地址(PA) ，经 VMM 抽象的、虚拟机看到的伪物理地址；C. 机器地址(MA)，真实的机器地址，即地址总线上出现的地址信号；映射关系如下：Guest OS: PA = f(VA)、VMM: MA = g(PA)VMM 维护一套页表，负责 PA 到 MA 的映射。Guest OS 维护一套页表，负责 VA 到 PA 的映射。实际运行时，用户程序访问 VA1，经 Guest OS 的页表转换得到 PA1，再由 VMM 介入，使用 VMM 的页表将 PA1 转换为 MA1。 页
30、表虚拟化技术普通 MMU 只能完成一次虚拟地址到物理地址的映射，在虚拟机环境下，经过 MMU 转换所得到的 “物理地址”并不是真正的机器地址。若需得到真正的机器地址，必须由 VMM 介入，再经过一次映射才能得到总线上使用的机器地址。如果虚拟机的每个内存访问都需要 VMM 介入，并由软件模拟地址转换的效率是很低下的，几乎不具有实际可用性，为实现虚拟地址到机器地址的高效转换，现普遍采用的思想是：由 VMM 根据映射 f 和 g 生成复合的映射 fg，并直接将这个映射关系写入 MMU。当前采用的页表虚拟化方法主要是 MMU 类虚拟化（MMU Paravirtualization）和影子页表，后者已被
31、内存的硬件辅助虚拟化技术所替代。1、MMU Paravirtualization深信服超融合架构技术白皮书17其基本原理是：当 Guest OS 创建一个新的页表时，会从它所维护的空闲内存中分配一个页面，并向 VMM 注册该页面， VMM 会剥夺 Guest OS 对该页表的写权限，之后 GuestOS 对该页表的写操作都会陷入到 VMM 加以验证和转换。VMM 会检查页表中的每一项，确保他们只映射了属于该虚拟机的机器页面，而且不得包含对页表页面的可写映射。后 VMM 会根据自己所维护的映射关系，将页表项中的物理地址替换为相应的机器地址，最后再把修改过的页表载入 MMU。如此，MMU 就可以根
32、据修改过页表直接完成虚拟地址到机器地址的转换。2、内存硬件辅助虚拟化内存硬件辅助虚拟化技术原理图内存的硬件辅助虚拟化技术是用于替代虚拟化技术中软件实现的“影子页表”的一种硬件辅助虚拟化技术，其基本原理是：GVA（客户操作系统的虚拟地址）- GPA（客户操作系统的物理地址）- HPA（宿主操作系统的物理地址）两次地址转换都由 CPU 硬件自动完成（软件实现内存开销大、性能差）。以 VT-x 技术的页表扩充技术 Extended PageTable（EPT）为例，首先 VMM 预先把客户机物理地址转换到机器地址的 EPT 页表设置到 CPU 中；其次客户深信服超融合架构技术白皮书18机修改客户机页
33、表无需 VMM 干预；最后，地址转换时， CPU 自动查找两张页表完成客户机虚拟地址到机器地址的转换。使用内存的硬件辅助虚拟化技术，客户机运行过程中无需 VMM 干预，去除了大量软件开销，内存访问性能接近物理机。 I/O 设备虚拟化VMM 通过 I/O 虚拟化来复用有限的外设资源，其通过截获 Guest OS 对 I/O 设备的访问请求，然后通过软件模拟真实的硬件，目前 I/O 设备的虚拟化方式主要有三种：设备接口完全模拟、前端后端模拟、直接划分。1、设备接口完全模拟：即软件精确模拟与物理设备完全一样的接口，Guest OS 驱动无须修改就能驱动这个虚拟设备。优点：没有额外的硬件开销，可重用现
34、有驱动程序；缺点：为完成一次操作要涉及到多个寄存器的操作，使得 VMM 要截获每个寄存器访问并进行相应的模拟，这就导致多次上下文切换；由于是软件模拟，性能较低。2、前端后端模拟：VMM 提供一个简化的驱动程序（后端, Back-End），Guest OS 中的驱动深信服超融合架构技术白皮书19程序为前端(Front-End, FE)，前端驱动将来自其他模块的请求通过与 Guest OS 间的特殊通信机制直接发送给 Guest OS 的后端驱动，后端驱动在处理完请求后再发回通知给前端，VMM 即采用该方法。优点：基于事务的通信机制，能在很大程度上减少上下文切换开销，没有额外的硬件开销；缺点：需要
35、 GuestOS 实现前端驱动，后端驱动可能成为瓶颈。3、直接划分：即直接将物理设备分配给某个 Guest OS，由 Guest OS 直接访问 I/O 设备（不经 VMM），目前与此相关的技术有 IOMMU（Intel VT-d, PCI-SIG 之 SR-IOV 等），旨在建立高效的 I/O 虚拟化直通道。优点：可重用已有驱动，直接访问减少了虚拟化开销；缺点：需要购买较多额外的硬件。2.3.3 aSV 的技术特性2.3.3.1 内存 NUMA 技术深信服超融合架构技术白皮书20非统一内存访问（NUMA）是服务器 CPU 和内存设计的新架构。传统的服务器架构下把内存放到单一的存储池中，这对于
36、单处理器或单核心的系统工作良好。但是这种传统的统一访问方式，在多核心同时访问内存空间时会导致资源争用和性能问题。毕竟，CPU 应该可以访问所有的服务器内存，但是不需要总是保持占用。实际上，CPU 仅需要访问工作负载实际运行时所需的内存空间就可以了。因此 NUMA 改变了内存对 CPU 的呈现方式。这是通过对服务器每个 CPU的内存进行分区来实现的。每个分区（或内存块）称为 NUMA 节点，而和该分区相关的处理器可以更快地访问 NUMA 内存，而且不需要和其它的 NUMA节点争用服务器上的资源（其它的内存分区分配给其它处理器）。NUMA 的概念跟缓存相关。处理器的速度要比内存快得多，因此数据总是
37、被移动到更快的本地缓存，这里处理器访问的速度要比通用内存快得多。NUMA 本质上为每个处理器配置了独有的整体系统缓存，减少了多处理器试图访问统一内存空间时的争用和延迟。NUMA 与服务器虚拟化完全兼容，而且 NUMA 也可以支持任意一个处理器访问服务器上的任何一块内存区域。某个处理器当然可以访问位于不同区域上的内存数据，但是需要更多本地 NUMA 节点之外的传输，并且需要目标NUMA 节点的确认。这增加了整体开销，影响了 CPU 和内存子系统的性能。NUMA 对虚拟机负载不存在任何兼容性问题，但是理论上虚拟机最完美的方式应该是在某个 NUMA 节点内。这可以防止处理器需要跟其它的 NUMA 节
38、点交互，从而导致工作负载性能下降。深信服的 aSV 支持 NUMA 技术，使得 hypervisor 和上层 OS 内存互连，深信服超融合架构技术白皮书21这样 OS 不会在 CPU 和 NUMA 节点之间迁移工作负载 。2.3.3.2 SR-IOV通常针对虚拟化服务器的技术是通过软件模拟共享和虚拟化网络适配器的一个物理端口，以满足虚拟机的 I/O 需求，模拟软件的多个层为虚拟机作了 I/O 决策，因此导致环境中出现瓶颈并影响 I/O 性能。aSV 虚拟化平台提供的 SR-IOV 是一种不需要软件模拟就可以共享 I/O 设备 I/O 端口的物理功能的方法，主要利用 iNIC 实现网桥卸载虚拟网
39、卡，允许将物理网络适配器的 SR-IOV 虚拟功能直接分配给虚拟机，可以提高网络吞吐量，并缩短网络延迟，同时减少处理网络流量所需的主机 CPU 开销。技术原理：SR-IOV（Single Root I/O Virtualization）是 PCI-SIG 推出的一项标准，是虚拟通道（在物理网卡上对上层软件系统虚拟出多个物理通道，每个通道具备独立的 I/O 功能）的一个技术实现，用于将一个 PCIe 设备虚拟成多个 PCIe 设备，每个虚拟 PCIe 设备如同物理 PCIe 设备一样向上层软件提供服务。通过 SR-IOV 一个 PCIe 设备不仅可以导出多个 PCI 物理功能，还可以导出共享该
40、I/O 设备上的资源的一组虚拟功能，每个虚拟功能都可以被直接分配到一个虚拟机，能够让网络传输绕过软件模拟层，直接分配到虚拟机，实现了将 PCI 功能分配到多个虚拟接口以在虚拟化环境中共享一个 PCI 设备的目的，并且降低了软加模拟层中的 I/O 开销，因此实现了接近本机的性能。如图所示，在这个模型中，不需要任何透传，因为虚拟化在终端设备上发生，允许管理程序简单地将虚拟功能映射到 VM 上以实现本机设备性能和隔离安全。SR-IOV 虚拟出的通道分为两个类型：1、PF(Physical Function) 是完整的 PCIe 设备，包含了全面的管理、配置深信服超融合架构技术白皮书22功能， Hyp
41、ervisor 通过 PF 来管理和配置网卡的所有 I/O 资源。2、VF(Virtual Funciton)是一个简化的 PCIe 设备，仅仅包含了 I/O 功能，通过 PF 衍生而来好象物理网卡硬件资源的一个切片，对于 Hypervisor 来说，这个 VF 同一块普通的 PCIe 网卡一模一样。通过 SR-IOV 可满足高网络 IO 应用要求，无需特别安装驱动，且无损热迁移、内存复用、虚拟机网络管控等虚拟化特性。2.3.3.3 Faik-raid一般情况下，当主机系统有多块硬盘时，通过组建 Raid 以提升磁盘性能或提供磁盘冗余，往往成为人们的首选考量。 当今主流 raid 实现方案大致
42、可分为三种：硬件 raid(hardware raid)：通过购买昂贵的 raid 卡实现。软件 raid(software raid)：通过操作系统内软件创建阵列，raid 处理开销由 CPU 负责。主板 raid(fake raid)：通过主板内建 raid 控制器创建阵列，由操作系统驱动识别。相对于昂贵的硬件，主板 raid(fake raid)就成了我们不错的选择。Fake raid 仅提供廉价的控制器，raid 处理开销仍由 CPU 负责，因此性能与 CPU 占用基本与 software raid 持平。aSV 3.7 融入了对 Fake-RAID 的支持，现可支持 Fake-RAI
43、D 安装与使用Fake-RAID 存储，目前可以使用 intel 模式的raid0， raid1，raid5，raid10，LSI 模式的 raid02.3.3.4 虚拟机生命周期管理深信服超融合架构技术白皮书23aSV 提供了虚拟机从创建至删除整个过程中的全面管理，就像人类的生命周期一样，虚拟机最基本的生命周期就是创建、使用和删除这三个状态。当然还包含如下几个状态： 创建虚拟机 虚拟机开关机、重启、挂起 虚拟机上的操作系统安装 创建模板 更新虚拟机硬件配置 迁移虚拟机及/或虚拟机的存储资源 分析虚拟机的资源利用情况 虚拟机备份 虚拟机恢复 删除虚拟机在虚拟机生命周期内，虚拟机可能会在某一个时
44、间点经历上述这些状态。aSV 提供了完善的虚拟机生命周期管理工具，我们可以通过对虚拟机生命周期的规划，可以想要最大化的发挥虚拟机的作用。2.3.3.5 虚拟机热迁移虚拟化环境中，物理服务器和存储上承载更多的业务和数据，设备故障时造成的影响更大。 aSV 虚拟化平台提供虚拟机热迁移技术，降低宕机带来的风险、减少业务中断的时间。aSV 虚拟机热迁移技术是指把一个虚拟机从一台物理服务器迁移到另一台物理服务器上，即虚拟机保存/恢复(Save/Restore) 。首先将整个虚拟机的运行深信服超融合架构技术白皮书24状态完整保存下来，同时可以快速的恢复到目标硬件平台上，恢复以后虚拟机仍旧平滑运行，用户不会
45、察觉到任何差异。虚拟机的热迁移技术主要被用于双机容错、负载均衡和节能降耗等应用场景。 aSV 虚拟化平台热迁移提供内存压缩技术，使热迁移效率提升一倍，可支持并发多达 4 台虚拟机同时迁移。功能价值：1. 在设备维护过程中，通过热迁移手动将应用迁移至另一台服务器，维护结束后再迁回来，中间应用不停机，减少计划内宕机时间。2. 可结合资源动态调度策略，例如在夜晚虚拟机负荷减少时，通过预先配置自动将虚拟机迁移集中至部分服务器，减少服务器的运行数量，从而降低设备运营能耗上的支出。2.3.4 aSV 的特色技术2.3.4.1 快虚在实际的 IT 应用系统在部署虚拟化的时候，会存在虚拟化迁移的需求，为了实现
46、将 windows 主机系统下的应用系统平滑的迁移至 VM 环境中，除了传统的 P2V、V2V 工具，深信服采用技术创新，基于 Windows 环境中，推出了独有的快虚技术。快虚技术实现原理为：在 Windows 环境下，先创建一个虚拟磁盘文件, 并使用 Windows 驱动程序对虚拟磁盘进行保护，保证虚拟磁盘文件占用的物理扇区不会被移动. 获取虚拟磁盘文件所占的物理簇信息，并保存到当前系统盘下的配置文件中, 安装 aSV 的引导程序以及内核到当前 Windows 系统盘下，安装系统引导程序，并向系统引导中添加 aSV 的引导项，默认引导到 aSV 系统. 当在 aSV 中向虚拟磁盘读写数据时
47、，虚拟磁盘驱动根据读写的扇区位置重新定深信服超融合架构技术白皮书25位到虚拟磁盘文件所对应的物理扇区，实现数据的存取，下次进入 aSV 系统后仍然可以读写已有数据。通过快虚技术，既实现了将应用环境迁移到了虚拟机环境中，同时在现有的物理主机服务器之上，快速的构建了虚拟化底层的 hypervisor。2.3.4.2 虚拟机的 HAHA 全称是 High Availability(高可用性)。在 aSV 环境中，如果出现部署了 HA 的虚拟机所在主机的物理口网线被拔出、或存储不能访问等出现的物理故障时，会将此虚拟机切换到其他的主机上运行，保障虚拟机上的业务正常使用。aSV 存在后台进程，通过轮询的机
48、制，每隔 5s 检测一次虚拟机状态是否异常，发现异常时，切换 HA 虚拟机到其他主机运行。下面任意一种情况发生，都会触发 HA 虚拟机切换主机，1、连续三次检测到，虚拟机所连接的物理网卡被拔出（不包括网卡被禁用情况）深信服超融合架构技术白皮书262、连续两次检测到，虚拟机当前主机无法访问虚拟机的存储通过 aSV 的 HA 技术，对业务系统提供了高可用性，极大缩短了由于各种主机物理或者链路故障引起的业务中断时间。2.3.4.3 动态资源调度在虚拟化环境中，如果生产环境的应用整合到硬件资源相对匮乏的物理主机上，虚拟机的资源需求往往会成为瓶颈，全部资源需求很有可能超过主机的可用资源，这样业务系统的性
49、能也无法保障。aSV 虚拟化管理平台提供的动态资源调度技术，通过引入一个自动化机制，持续地动态平衡资源能力，将虚拟机迁移到有更多可用资源的主机上，确保每个虚拟机在任何节点都能及时地调用相应的资源。即便大量运行对 CPU 和内存占用较高的虚拟机（比如数据库虚拟机），只要开启了动态资源调度功能，就可实现全自动化的资源分配和负载平衡功能，也可以显著地降低数据中心的成本与运营费用。aSV 的动态资源调度功能其实现原理：通过跨越集群之间的心跳机制，定时监测集群内主机的 CPU 和内存等计算资源的利用率，并根据用户自定义的规则来判断是否需要为该主机在集群内寻找有更多可用资源的主机，以将该主机上的虚拟机通过虚拟机迁移技术迁移到另外一台具有更多合适资源的服务器上，或者将该服务器上其它的虚拟机迁移出去，从而保证某个关键虚拟机的资源需求。2.3.4.4 多 USB 映射当物理服务器部署虚拟化之后。其中类似金蝶等需要通过 usb key 进行应用加密的服务器，转化到虚拟化后，需要将插在虚拟化平台上的硬件 key，映深信服超融合架构技术白皮书27射给虚拟机，而且需要满足虚拟机热迁移、跨主机映射的需求。业界给出的方案有三种：一、采用主机映射：直接采用主机映射的方式来完成，缺点是不支持网络映射,无法支持热迁移、网络映射的需求。二、
