|
0 引 言 隨著Intel公司和其他廠家向多核處理器轉(zhuǎn)移，通信設備制造商也隨之改變他們的編程思路，以便有效地利用這些增加的核。通常，通信設備傾向于利用已經(jīng)優(yōu)化和驗證，按時序邏輯執(zhí)行的高度專用軟件。但這樣的軟件卻很難移植到多核平臺。有了Intel VT，設備制造商無需重新修改現(xiàn)有軟件，就可在多核處理器上執(zhí)行多線程應用，從而使移植更簡單。 Intel虛擬化技術(shù)具有如下優(yōu)點： (1)為分離內(nèi)核與非分離內(nèi)核服務的隔離提供必要的環(huán)形結(jié)構(gòu)； (2)簡化了VMM設計，使分離內(nèi)核代碼很小，這樣使得建立在數(shù)學上可驗證的分離內(nèi)核成為可能； (3)虛擬化允許不需修改的OS，簡化了單線程現(xiàn)有軟件移植到多核處理器。這給最終客戶一個選項，即可同時運行非SMP OS的多個例程。 (4)Intel VT-d允許直接訪問分配的設備。網(wǎng)絡接口的分離是系統(tǒng)安全的主要組成部分。Intel的虛擬化技術(shù)允許在VM中有效共享物理I／O設備，而不需要訪問所有網(wǎng)絡流量的一個“服務”分區(qū)，因而允許把網(wǎng)絡流量導向到特定的OS和指定的應用。 (5)Intel VT也支持使用可信平臺模塊(TPM)提供能認證VMM，客體OS和應用，保證它們在磁盤上的映像不被篡改。TPM是個微控制器，存儲密鑰，口令和數(shù)字證書。TPM按可信計算小組(Trusted Compu-ting Group)定義，屬于TPM的微控制器可從很多制造商那里獲得。 下面探討虛擬化技術(shù)在通信領域的幾種應用模式。 1 虛擬化技術(shù)在通信領域的應用 1．1 從單線程到多例程 設備制造商可以執(zhí)行單線程軟件的多個實例，每個實例在一個單獨的VM內(nèi)執(zhí)行，每一個VM處理整個任務的一部分。一個相應的VMM提供必要的軟件基礎結(jié)構(gòu)，以便在VM之間分配負荷。多核移植的例子包括蜂窩網(wǎng)絡中的多定位注冊；或擾動檢測系統(tǒng)之間的負荷劃分。電信設備制造商可以利用VMM在多核平臺上整合原有單線程應用的多個實例，避免為了利用多核架構(gòu)要花昂貴的研發(fā)周期修改已有代碼(見圖1)。大多數(shù)通信設備的處理可分為數(shù)據(jù)層、控制層和管理層。每一層有不同的處理要求，如內(nèi)存反應時間和帶寬要求，以及網(wǎng)絡I／O要求。通過使用Intel VT和實時VMM，制造商就可以在較少的處理器件上整合這些不同層。這樣就降低了設備和運行成本，成本的節(jié)省可讓設備制造商和他們的客戶(服務提供商)具有競爭力。整合的一個例子就是在移動無線業(yè)務中確定移動單元當前位置，被稱作HLR(Home Location Register)系統(tǒng)。實際上，很多這樣的系統(tǒng)是專用的，限定為32位尋址。使用Intel VT，多個HLR就可以配置到單一系統(tǒng)上。VMM考慮了多個HLR的負荷分配，也考慮了大于4 GB的HLR數(shù)據(jù)庫。 1．2 提升系統(tǒng)的可用性 通信系統(tǒng)的一個獨特要求就是極高的可靠性。要求通信系統(tǒng)能夠處理所有呼叫的99.999％。這相當于每年的停機時間小于5 min，其中還包括所有安排的維修，軟件和硬件的升級，以及系統(tǒng)的校正。由于與軟件設計相關，現(xiàn)在只有高端通信系統(tǒng)才能提供這個可靠性級別。用Intel VT，通信系統(tǒng)可以提供更大的可用性，而沒有傳統(tǒng)軟件的基礎成本。大多數(shù)可靠性問題是由通信軟件定制特性引起。Intel VT為通信系統(tǒng)所有層面提供了軟件故障隔離。通過執(zhí)行軟件活動的和備用的實例激活它，每一個執(zhí)行軟件位于自己的VM之內(nèi)。如果出現(xiàn)軟件故障，備用實例將繼續(xù)執(zhí)行并設置為活動狀態(tài)，直到VMM重新啟動故障實例。有了這個能力，軟件故障成本，傳統(tǒng)上的冗余硬件保護，就被去掉。除了冗余外，提供冗余硬件實現(xiàn)軟件在線升級的能力。如圖2所示，備用部分既可用于熱升級，也可用于容錯。用Intel VT，消除了冗余對硬件的需要。現(xiàn)在只需簡單的升級，重啟動，并指定它為活動實例就完成軟件升級。如果新軟件出錯，仍能求助于以前的軟件版本。 1．3 服務器負荷遷移 負荷遷移是虛擬化企業(yè)服務器的一個普遍特性；它也適用于通信領域。例如，在很多話音通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(VoIP)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)中，有一個叫作軟交換的設備。軟交換機處理呼叫建立和管理的各個方面。軟交換機有一個能力設置層，一旦超出就必須用新交換機替換或擴容。手工配置新交換機的過程很費時。InteI VT簡化了這個過程，允許一個完整的交換機實例從一個硬件平臺遷移到另一個硬件平臺。此外，簡化了網(wǎng)絡的擴充，首先在可控的實驗室環(huán)境中做所有配置，然后再把該配置投入到實際運行的交換機上，這樣降低了與擴充相關的風險。利用實際環(huán)境的測試和流量模式，在現(xiàn)場部署之前完全可以配置和測試擴充交換機。一旦測試了擴充交換機配置，實施了遷移策略，接著進行在線升級。圖3示出該遷移，擴充交換機已被添加到網(wǎng)絡，一個安裝的交換機的區(qū)被遷移到擴充交換機。這是一個比現(xiàn)有解決方案更簡單的管理模型。 1．4 面向通信的操作系統(tǒng) 與其他市場相比，通信市場包含很多定制的OS。很多時候，這些系統(tǒng)用特定的產(chǎn)品開發(fā)，也沒有提供很好的維護性。虛擬化允許利用這個有價值的專用OS，且仍能隨新技術(shù)向前進化。通過提供專用OS操作環(huán)境，Intel VT允許在通用或流行OS上進行新開發(fā)，同時提供到專用OS的鏈接。在提供支持這些已有的OS中，Intel VT邁出了第一步。它提供了遷移到高級硬件技術(shù)如多核，而無需OS內(nèi)的多處理器支持。它不需要修改OS，也無需通過二進制轉(zhuǎn)換改善性能。因此，為了預定目的，可以利用專有技術(shù)，從而節(jié)約了重新驗證和軟件開發(fā)的成本。 1．5 共享與分配I／O設備 通信市場要求硬件／軟件解決方案提供高性能的I／O成本一直是設計中的一個因素，獲得每瓦最大性能是每個設計的目標。在虛擬化解決方案中，有兩種方法提供訪問高性能I／O，即共享I／O和直接分配模型。在共享I／O中VMM提供通過仿真復用技術(shù)訪問I／O設備。客體OS以虛擬設備出現(xiàn)。VMM復合虛擬設備訪問實際I／O設備。共享I／O機制引起性能降低，因為其引人了復合和仿真層；但在遷移中提供了最大的靈活性。由于性能影響，通信系統(tǒng)*享I／O限于對性能要求不高的任務，如管理層。在直接I／O分配中，給VM專門分配一個I／O設備。針對直 I／O，Intel VT(Intel VT-d)能應對這種需求。目前，這樣的分配出現(xiàn)在PCI總線上，商用VMM被構(gòu)建成應對這種需求。VMM隱藏了訪問沒有分配給一個特殊的客體OS的PCI設備。 對于直接I／O分配存在著技術(shù)上的挑戰(zhàn)。最大的挑戰(zhàn)出現(xiàn)那些執(zhí)行DMA操作的設備。由于客體OS不知道已經(jīng)被移到內(nèi)存中它已知起點之上的位置，所以它就可能給駐留在內(nèi)存區(qū)間之外的DMA設備提供地址。為了克服這個問題，VMM可以重新映射這些內(nèi)存訪問，也可以用硬件動態(tài)的實現(xiàn)。在VMM重新映射地址情況中，要求客體OS既要知道被重新定位到一個新的內(nèi)存中，也要知道VMM相應的限制重定位。在硬件重映射DMA地址(如用Intel VT-d)情況中，VMM用VM基本地址和VM設備的分配規(guī)劃硬件。直接I／O分配比以VM動態(tài)遷移能力為代價的共享I／O性能改善高一個數(shù)量級。對于通信設備中所有高吞吐量接口性能改善是必要的，因而需要折衷考慮。 1．6 對平臺分區(qū)以提高通信性能 為了通用目的，在體系結(jié)構(gòu)設計時，通信系統(tǒng)設計者常常處于矛盾境地：通常情況下，設計人員偏好于使用通用操作系統(tǒng)(GPOS)、及其各種操作界面和其他通用軟件，但是GPOS提供的網(wǎng)絡性能難以令人滿意。虛擬化技術(shù)可用于化解這個矛盾，通過創(chuàng)建一個分區(qū)，運行一個較小內(nèi)核的操作系統(tǒng)(OS)，執(zhí)行與性能相關的應用部分，提供直接訪問網(wǎng)絡設備，而另一分區(qū)運行一個GPOS，執(zhí)行對性能要求相對較小的那部分應用，如操作界面、系統(tǒng)配置，監(jiān)控、統(tǒng)計和報警管理等。Intel推出了這樣一個系統(tǒng)的應用原型，運行發(fā)現(xiàn)相同的應用在同樣的硬件，相同的GPOS上運行，性能提高了24％。 2 一個通信網(wǎng)絡商用虛擬化解決方案 商用產(chǎn)品Jaluna OSware提供優(yōu)化解決方案以滿足通信設備的嚴格要求。OSware提供一個健壯的平臺：直接和共享I／O，硬實時保證，有限中斷延遲時間(測量為21 ms)，高效的內(nèi)存虛擬化，能執(zhí)行商用和專用OS，而無需修改它們。圖4為虛擬化和非虛擬化環(huán)境中，OSware提供的運行在RedHat企業(yè)Linux上標準應用的同一網(wǎng)絡I／O性能。 |
