虛擬化技術應用所面臨的七重難關

目前全球高端服務器市場主要被RISC架構的產品占據，約占服務器市場近40%的份額。但隨著開放式系統應用的深入、普通用戶對高端服務器的需求增加、集群系統的技術成熟，RISC的地位進一步動搖。主要體現在，新興行業和競爭激烈的傳統行業因成本帶來的巨大壓力而產生的對8至16路通用服務器（此處"通用服務器"是相對采用RISC架構芯片的服務器而言，即采用x86或安騰架構處理器的服務器。）的需求；高性能集群系統的成功應用，導致放棄使用大型機而采用基于集群技術的通用多路服務器所形成的市場，尤其對星群的高性能集群的需求的增長。

虛擬化給高端服務器帶來機會

盡管需求一再攀升，但商用高端服務器與傳統的高性能計算技術的代表超級計算機一樣也面臨著困境——計算機的實際計算能力大大低于系統理論的峰值。不僅如此，人們在編制供它們使用的并行程序時的付出也與其產出不成比例。因此，滿足對高效能的需求已成為人們設計商用高端服務器的重大挑戰。目前高性能計算機仍沿用馮。諾依曼模型為基礎的以CPU為核心的計算模式。作為這一模式基礎的CPU技術目前已經發展到了追求線程級并行（TLP）的多核時代，其代表就是片上服務器（server-on-chip），例如Sun的UltraSPARCT1"Niagara"處理器芯片。但是，問題仍然沒有解決——由于應用的復雜、種類的繁多、規模的巨大，單一的編譯器或操作系統仍然無法智能地去挖掘蘊藏在其中的全部并行性。

利用虛擬機這一技術可以在單一服務器上支持不同的應用軟件和操作系統，而且還能夠動態地將資源分配到最需要的地方，可以減少數據處理過程中所需的服務器數量。有了虛擬機，企業在每次部署新的操作系統時，就無需遷移現有的應用軟件，從而能延長那些雖然已經過時，但仍非常重要的應用軟件的使用周期。這樣，那些基于WindowsNT的應用程序就可以再次煥發生機。

除此之外，人們發現利用虛擬技術，也能進一步發掘應用間的時間和空間的并行性。當然，虛擬機技術帶來的隔離性、安全性、靈活性更增添了這一技術的魅力。中科院計算所目前正在研究的項目的主要內容就是圍繞如何利用虛擬機技術構造高端商用服務器，研究新型的高端服務器和相關技術，同時考慮虛擬SMP的入侵防護技術。除了這些方面，基于虛擬化技術的商用高端服務器，在各種環節的研發中還存在諸多技術挑戰。

虛擬機及其協同技術

虛擬機是構造虛擬SMP服務器的基礎，它是由虛擬機監控（VMM）軟件創建和管理。傳統的VMM例如Xen和VMware面向單一節點，節點既可以是單一CPU也可以由SMP構成。這時由這些VMM所構造的虛擬機（VM）所能夠利用的資源例如CPU、內存、磁盤、通信帶寬等就僅限于這個單一的物理節點。從這個意義上說，虛擬機間的協同也就等價于傳統服務節點或服務器間的協同，無法充分利用基于虛擬機技術創新所帶來的益處。因此，必須突破目前虛擬機構造中資源的局限性，使得一個虛擬機不僅能夠從它的宿主物理節點上取得資源，而且能夠利用網絡從其他非宿主的物理節點上獲取資源，從而實現資源在虛擬機間的流動，實現部件級的虛擬化。這里的部件泛指CPU、內存、磁盤、網絡等構成傳統計算機的部件。

計算所要研究的分布式超級虛擬機監控軟件（distributed hyper virtual machine monitor，DHVMM）是實現部件級虛擬化的關鍵支撐。基于DHVM提供的強大的部件級虛擬化能力，虛擬機間的協同就轉變為資源和作業的調度和遷移。該項目將強調部件在虛擬機間的流動，當一個虛擬機有大量作業到達或有繁重作業而出現負載尖鋒時，不采用傳統的方法如作業/進程的遷移，而是通過DHVMM將網絡環境中可利用的其他虛擬機上的空閑部件"流動"到資源緊張的虛擬機上，通過動態地增強重載虛擬機的計算能力、存儲能力、通信能力來處理其上的作業。同時，當作業的負載高峰過去后，被動態增強的虛擬機可以自由、實時地釋放"富余"的部件，供系統中其他虛擬機在需要的時候動態地獲取，計算所將這種技術稱為能力服務計算。

共享內存技術

SMP服務器的核心是內存共享技術，例如著名的Snoopy或者directory協議等。這些技術通常需要一定程度硬件的支持才能獲得期望的高性能，例如SGIAltix的cc-NUMA內存共享技術，因此成本高昂、擴展性差。隨著網絡技術特別是Myrinent和Infiniband網絡技術的發展，基于軟件實現的內存共享技術，例如分布式共享內存DSM技術由于成本低廉和可擴展性好而開始發展起來。

計算所研究的這個項目要求實現多個物理服務器的整合（8個以上），因此更適合于使用不依賴硬件支持的基于軟件的內存共享技術，以獲得更好的通用性和平臺獨立性。傳統的DSM技術不得不使用復雜的以lock和barrier為基礎實現的融貫性和一致性協議，導致延遲開銷很大。隨著UPC為代表的分割的全局地址空間模型編程技術的發展，為發展新型的內存共享技術提供了客觀的需求。

另一方面，高效能服務器設計中的一個重要問題是提高編程的效率，而阻礙并行編程效率的首要問題就是進程或線程間的通信和同步問題，所以事務塊寄存器技術得以發展，因為它取消了過去在并行程序中必須使用的lock和barrier等同步操作。同時，由于顯式同步的減少或取消使得線程因數據依賴或同步依賴導致的進程等待時間大大減少，使系統吞吐率提高，從而使得內核負載的飽滿程度得以大幅提升，進一步提高了系統的生產率。該項目計劃將以DHVMM為基礎，發展全新的以軟件實現的內存共享技術。

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