目標：描述計算虛擬化實現原理
區分三種內存復用技術
描述FusionCompute中計算虛擬化功能特性

一、什么是虛擬化
虛擬化是一個抽象層，它打破了物理硬件和操作系統之間的硬性連接
虛擬化是云計算的基礎。簡單的說，虛擬化使得在一臺物理的服務器上可以跑多臺虛擬機，虛擬機共享物理機的CPU、內存、IO 硬件資源，但邏輯上虛擬機之間是相互隔離的。
在計算機方面，虛擬化一般指通過對計算機物理資源的抽象，提供一個或多個操作環境，實現資源的模擬、隔離或共享等。
本質上，虛擬化就是由位于下層的軟件模塊，通過向上一層軟件模塊提供一個與它原先所期待的運行環境完全一致的接口的方法，抽象出一個虛擬的軟件或硬件接口，使得上層軟件可以直接運行在虛擬環境上。通過空間上的分割、時間上的分時以及模擬，虛擬化可將一份資源抽象成多份，亦可將多份資源抽象成一份。

二、CPU虛擬化

1、CPU的虛擬化
由單個CPU邏輯劃分成核心，每個核心可以通過超線程技術還提供每個核心兩個計算線程

2、超線程技術
“超線程”技術就是通過采用特殊的硬件指令，可以把兩個邏輯內核模擬成兩個物理超線程芯片，在單處理器中實現線程級的并行計算，同時在相應的軟硬件的支持下大幅度的提高運行效能，從而實現在單處理器上模擬雙處理器的效能。其實，從本質上說，超線程是一種可以將CPU內部暫時閑置處理資源充分“調動”起來的技術。

3、CPU單位和計算
CPU主頻：1.10GHz，也叫時鐘頻率，代表CPU運算速度或處理速度
總線頻率：代表CPU與內存進行數據交換速度
外 頻：CPU的基準頻率，代表整塊主板的運行速度
CPU的頻率計算
當有兩塊8核CPU，主頻為26GHz時
CPU的頻率=2（塊/路）*8（核）*2（線程）*2.6GHz=83.2GHz
4、CPU虛擬化技術可查看HCIA筆記

https://blog.csdn.net/weixin_43666279/article/details/107417311?utm_source=app

三、內存虛擬化
內存虛擬化，首先底層物理主機真實內存需要分配給上層多個虛擬機或者應用使用，那分配到的地址只有一個從0開始，而且地址空間不一定連續。所以在底層物理主機真實內存上加上一層底層物理主機虛擬地址，把內存映射給各個虛擬機或者應用使用，讓應用或者虛擬機認為自己分配到的是從0開始，地址空間連續的內存（HPA->HVA）
虛擬機拿到物理主機虛擬內存后，認為這些就是屬于自己的真實硬件內存（GPA），它要分配給上層應用去使用，也要進行內存的虛擬化映射給上層應用來使用，而上層應用也會認為自己拿到了從0開始，地址空間連續的內存（GPA->GVA）

通過內存映射實現HPA->HVA->GPA->GVA
1、內存虛擬化
把物理機真實的內存統一管理，包裝成多個虛擬機的內存給若干個虛擬機使用。KVM通過內存虛擬化共享物理系統內存，動態分配給虛擬機

2、KVM內存虛擬化
KVM中，虛機的物理內存即為qemu-kvm進程所占用的內存空間。KVM使用CPU 輔助的內存虛擬化方式。在Intel平臺，其內存虛擬化的實現方式為EPT (Extended Page Tables)技術。

3、影子頁表
Intel的CPU提供了EPT (Extended Page Tables，擴展頁表)技術，直接在硬件上支持GVA->GPA->HPA的地址轉換，從而降低內存虛擬化實現的復雜度，也進一步提升內存虛擬化性能。

4、虛擬機訪問物理真實內存的流程

CPU先訪問虛擬地址，虛擬地址去TLB表中查找，TLB表中放的是用于經常讀寫的物理地址，如果里面有對應的映射地址，就直接返回結果；如果沒有就要去頁表中的物理虛擬地址中查找對應映射關系的物理真實地址。

四、I/O虛擬化
1、I/O虛擬化需要解決兩個問題
設備發現:
需要控制各虛擬機能夠訪問的設備；
訪問截獲:
通過I/O端口或者MMIO對設備的訪問；

I/O虛擬化可以被看作是位于服務器組件的系統和各種可用I/O處理單元之間的硬件中間件層，使得多個guest可以復用有限的外設資源。
設備虛擬化(I/O虛擬化)的過程，就是模擬設備的這些寄存器和內存，截獲Guest OS對IO端口和寄存器的訪問，通過軟件的方式來模擬設備行為。

2、I/O虛擬化方式
在QEMU/KVM中，客戶機可以使用的設備大致可分為三類：
模擬設備：完全由 QEMU 純軟件模擬的設備

Virtio 設備：實現 VIRTIO API 的半虛擬化設備

PCI 設備直接分配 (PCI device assignment)

3、I/O虛擬化三種方式的優缺點
①、全模擬
優點：對硬件平臺依賴性低，可以方便模擬流行和較老久設備；兼容性高，不需要宿主機和虛擬機額外的支持
缺點：IO路徑比較長，VM-EXIT次數很多，性能較差
一般適用于IO性能要求不高的場景或者模擬一些老舊遺留設備

②、Virtio 半虛擬化
優點：實現Virtio API，減少VM-EXIT次數，提高客戶機IO執行效率，比普通模擬IO效率高很多
缺點：兼容性較差，需要客戶機與Virtio相關驅動的支持
IO頻繁時，CPU使用率較高

③、PCI直接分配
優點：較少VM-EXIT陷入Hypervisor，提高IO性能，克服兼容性差和CPU使用率高的問題
缺點：可添加PCI和PCI-E的設備有限

五、FusionCompute計算虛擬化管理
1、虛擬機生命周期管理
創建/刪除/回收，關閉/啟動/下電，暫停/恢復，休眠/喚醒，重啟/強制重啟，克隆，遷移/異構CPU熱遷移，快照，備份/恢復，磁盤遷移

2、虛擬資源管理
數據中心、集群、主機、虛擬機分層管理 ，虛擬機文件夾邏輯分組管理.，虛擬機分權管理，主機組，模板管理

3、虛擬資源配置管理
虛擬機資源(CPU 、內存、磁盤、網卡、外設等在線離線調整)，GPU 直通SRIOV，虛擬機啟動策略\時鐘策略、VNC鍵盤管理，虛擬機光驅，虛擬機USB，內存復用\QoS，CPU 超分\QoS，MUMA 調度支持

六、計算虛擬換功能特性
1、兼容性行業特殊操作系統（Tools）
兼容一個新的操作系統，需要廠商提供配套的PV驅動程序，華為具備PV驅動開發能力。FusionCompute除了兼容主流的Windows、Linux操作系統之外，還兼容國產中標操作系統 (特定的版本可能需要定制驅動)
PV驅動：虛擬機虛擬化驅動，安裝在GUEST os 里，調優。 對應VMware tools

2、集群（虛擬化集群管理VRM主備）
技術特點與價值：每個邏輯集群支持128物理機，適用于高性能、大規模業務群部署，降低冗余物理機比例
每邏輯集群支持8,000臺虛擬機 ，適合桌面云等規模大、性能要求不高業務部署
高可用性設計，VRM (虛擬化部署或者物理部署)主備部署，保證系統可用性

3、GPU
GPU虛擬化：通過虛擬化技術，把一個物理GPU虛擬成多個虛擬GPU給虛擬機使用，GPU虛擬化&直通的型號：P4/P40/M60/V100
GPU直通：通過直通技術，把一個物理GPU直接分配給虛擬機使用，僅支持GPU直通的型號：P100

4、熱添加
vRAM ，vCPU 不僅支持離線添加/刪除，支持在線添加平臺支持在虛擬機運行情況下調整CPU和內存規格，虛擬機不需要重啟即可生效。
應用價值
根據虛擬機的需求，靈活調整其配置
縱向擴展有效保證單個虛擬機QoS
與橫向擴展有機結合，保證集群QoS

注：系統會根據虛擬機OS的能力默認開啟或關閉熱添加功能。支持主流Linux系統虛擬機在線調整CPU和內存；支持主流Windows系統虛擬機在線調整內存，在線調整CPU需要重啟才能生效。

5、主機內存超分配
①、內存共享，寫時復制
內存共享：虛擬機之間共享同一物理內存空間 (藍色)，此時虛擬機僅對內存做只讀操作
寫時復制：當虛擬機需要對內存進行寫操作時 (橙色)，開辟另一內存空間，并修改映射

②、內存置換
內存置換：虛擬機長時間未訪問的內存內容被置換到存儲中，并建立映射，當虛擬機再次訪問該內存內容時再置換回來（將外部存儲（部分硬盤空間）虛擬成內存，比如Linux中的swap分區）

③、內存氣泡
內存氣泡：Hypervisor通過內存氣泡將較為空閑的虛擬機內存釋放給內存使用率較高的虛擬機，從而提升內存利用率

華為虛擬化平臺，通過智能復用以上三種技術將內存復用比提升至150%，領先C等友商；同等內存資源條件下，虛擬機密度提升150%，降低50%的硬件 (內存)采購成本
內存復用技術開啟之后，是三種技術一起使用，不存在單獨一項的使用

6、NUMA親和性調度
NUMA技術會將CPU及旁邊內存綁定形成一個Node節點。系統會根據虛擬機配置、NUMA高級參數物理主機NUMA配置自動計算虛擬機NUMA拓撲結構并設置虛擬機NUMA與物理機NUMA親和性，使虛擬機內存訪問性能達到最優
Host NUMA在BIOS界面中開啟或關閉
Guest NUMA在FusionCompute的集群資源控制中開啟或關閉，只能分配一個Node中的資源

7、虛擬機HA實現
1、VM 故障或計算節點故障；
2、管理節點查詢VM狀態，發現VM故障；
3、此時管理節點判斷VM有HA屬性，則根據保存的VM信息（規格、卷），選擇可用的CNA 啟動 VM；
4、CNA 節點收到 HA 請求，根據VM規格、卷信息啟動新的 VM；
5、啟動過程中，將 VM 之前的卷重新掛載，包括用戶卷。

七、拓展
1、虛擬機熱遷移原理
支持在不影響用戶使用或中斷服務的情況下在服務器之間實時遷移虛擬機，從而無需為進行計劃內服務器維護而安排應用中斷。

①、熱遷移條件
Ⅰ、虛擬機
虛擬機處于運行中的狀態；不能跟主機綁定；不能掛載（不是安裝哈）光驅、Tools等外設設備；最多同時能遷移8臺虛擬機
Ⅱ、主機
目標主機不能處于維護模式；目標主機需要用有足夠的CPU和內存資源；遷移過程中不能將源主機和目標主機下電或重啟；源主機和目的主機的CPU類型種類盡量保持一致，如果低代數往高代數遷移時可以支持的（因為高代數的CPU包含有低代數的CPU指令），如果高代數往低代數遷移，需要開啟集群IMC特性（因為高代數有些指令，低代數可能沒有）。IMC特性只針對Intel CPU做調整
Ⅲ、存儲
使用共享存儲
Ⅳ、網絡
目的主機關聯需遷移虛擬機所在的DNS（因為不同DNS之間時存在物理隔離的）；源和目的主機網絡要互通
②、遷移過程：
1）將虛擬機配置信息傳送到目標主機上創建空虛擬機
2）傳送虛擬機內存（迭代遷移）將虛擬機遷移時的初始內存及內存變更分片同步到機上。
3）暫停源虛擬機并傳送狀態在原主機上暫停虛擬機將最后的變更內存傳到目標主機
4）恢復目標虛擬機，在目標主機上恢復虛擬機，并在原主機上停止虛擬機。

2、名詞解釋
①、動態資源調度
指FusionCompute提供各種虛擬化資源池，包括計算，存儲，網絡資源池，可以根據策略實現對這些資源的調度和管理
具體包括：DRS（計算資源調度自動化，負載均衡），FusionCompute的計算集群，配合基于VIMS文件系統的共享存儲；DRS算法實時監控集群中每個計算節點的資源使用情況，引用VMOTION功能，智能遷移負荷高節點上虛擬機到資源充足的節點上；均衡各節點資源使用并保障業務有充足資源可用。因此，DRS是實現自動負載均衡的基礎
DPM（動態節能調度，分布式電源管理），電源管理自動化功能會周期性地檢查集群中服務器的資源使用情況，如果集群中資源利用率不足，則會將多余的主機下電節能，下電前會將虛擬機遷移至其他主機；如果集群資源過度利用，則會將離線的主機上電，以增加集群資源，減輕主機的負荷

②、資源動態調整
用戶會根據其負載均衡動態調度虛擬機的資源使用，包括離線/在線調整vcpu數量，內存大小，增加/刪除網卡，掛載虛擬機磁盤

③、資源動態管控
指QoS，當虛擬機搶占物理資源時，為保證關鍵業務的運行，可控制虛擬機的資源使用情況，包括CPU QoS，內存QoS，磁盤QoS（磁盤IO上限），網絡QoS（接收發送流量整形）

總結

以上是生活随笔為你收集整理的2.2、云计算FusionCompute计算虚拟化的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。