云計算的根本是計算資源虛擬化，在云計算蓬勃發(fā)展的今天，各廠商紛紛推出虛擬化平臺產(chǎn)品，如何衡量一款產(chǎn)品性能的好壞，也成為業(yè)內(nèi)新的技術(shù)挑戰(zhàn)。從技術(shù)層面分析，虛擬化平臺是在虛擬機(jī)操作系統(tǒng)與物理服務(wù)器硬件之間增加了一個調(diào)度層，勢必會對應(yīng)用程序操作硬件產(chǎn)生一定影響；同時其自身運(yùn)行也需要耗費一定的計算資源，對整個物理服務(wù)器的資源使用會產(chǎn)生損耗，這些都是在性能測試設(shè)計中需要考慮的方面。

　　根據(jù)云計算中最為關(guān)鍵的3個要素：計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲資源，虛擬化平臺性能測試也對應(yīng)地分為計算性能測試、網(wǎng)絡(luò)性能測試和存儲性能測試3個主要方面。

　　1.計算性能測試設(shè)計

　　計算資源是云計算的重中之重，所有業(yè)務(wù)的展開都是依托于計算資源的能力提供，因此計算性能也是衡量云計算性能的最重要指標(biāo)。計算性能測試設(shè)計分為兩個方面：①對虛擬化平臺自身消耗硬件系統(tǒng)性能進(jìn)行評估；②不同虛擬化平臺對虛擬機(jī)操作系統(tǒng)業(yè)務(wù)調(diào)度的影響進(jìn)行比較。

　　1.1 虛擬化平臺性能消耗測試設(shè)計不同廠家的虛擬化平臺采用了不同的底層技術(shù)，當(dāng)前業(yè)內(nèi)主流的4大類虛擬化底層平臺為：VMware的ESX/ESXi、Microsoft的Hyper—V和開源的XEN與KVM。這些不同的底層平臺對CPU和內(nèi)存等計算資源的調(diào)度方式各不相同，很難找到一個通用的技術(shù)工具來統(tǒng)一衡量。如果變換角度，通過測試在同一硬件平臺下虛擬機(jī)操作系統(tǒng)和物理機(jī)操作系統(tǒng)對資源的使用性能，可以推算出虛擬化平臺自身的運(yùn)行損耗。

　　第1步，選擇一款物理服務(wù)器平臺，然后在此服務(wù)器上安裝測試使用的操作系統(tǒng)，可以選擇Windows或Linux系統(tǒng)。接著安裝常用的計算性能測試軟件，如Windows Server系統(tǒng)自帶的評測工具或開源的Benchmarker等，測算當(dāng)前系統(tǒng)計算性能得分。如果采用Linux Server系統(tǒng)，則可以安裝如Imbench和Geekbench等測試工具，進(jìn)行評測。性能測試后得到測試結(jié)果TestResult1。

　　第2步，在物理服務(wù)器上安裝虛擬化平臺軟件，創(chuàng)建一個虛擬機(jī)，并將物理服務(wù)器的CPU和內(nèi)存等計算資源都分配給此虛擬服務(wù)器。然后在此虛擬服務(wù)器上安裝同樣的操作系統(tǒng)與測試工具，運(yùn)行相同的測試項目，得到測試結(jié)果TestResult2。

　　比較兩個測試結(jié)果的差值，可以得到虛擬化平臺對物理資源的損耗估計值。如果希望得到更準(zhǔn)確的損耗估計，需要測試同一款虛擬化平臺安裝在不同物理服務(wù)器上，部署多個操作系統(tǒng)和測試工具情況下的測試結(jié)果，并進(jìn)行縱向比較，得到更多的參考數(shù)據(jù)。

　　1.2 虛擬化平臺調(diào)度性能測試設(shè)計虛擬化平臺性能損耗測試是縱向測試，比較的對象為物理服務(wù)器和虛擬服務(wù)器環(huán)境下的測試結(jié)果。而虛擬化平臺調(diào)度性能測試則為橫向測試，比較的對象主要為相同物理服務(wù)器和軟件環(huán)境下不同虛擬化平臺的性能測試結(jié)果。兩者的測試方法區(qū)別不大，但環(huán)境設(shè)定存在差異。

　　第1步，選取相同的物理服務(wù)器硬件平臺，安裝虛擬化平臺軟件，并創(chuàng)建虛擬服務(wù)器，此時不需要安裝最大化部署計算資源，只需考慮業(yè)務(wù)環(huán)境需求創(chuàng)建對應(yīng)大小CPU和內(nèi)存資源的虛擬機(jī)即可。然后在虛擬機(jī)上安裝操作系統(tǒng)與測試工具，取得測試結(jié)果TestResult1。

　　第2步，更換虛擬化平臺軟件，創(chuàng)建同樣資源大小的虛擬服務(wù)器并安裝運(yùn)行環(huán)境，取得測試結(jié)果TestResult2。比較兩個測試結(jié)果，可以得到不同虛擬化平臺的調(diào)度運(yùn)行性能。如果希望得到更準(zhǔn)確的調(diào)度性能結(jié)果，建議將相同測試運(yùn)行多次，取平均值再進(jìn)行比較。

　　2.網(wǎng)絡(luò)性能測試設(shè)計

　　在虛擬化環(huán)境下，用戶關(guān)心的流量轉(zhuǎn)發(fā)已經(jīng)由物理節(jié)點鏈路延伸到服務(wù)器內(nèi)部，從測試設(shè)計考慮，網(wǎng)絡(luò)性能測試也相應(yīng)地增加了虛擬鏈路與虛擬交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)性能等相關(guān)內(nèi)容。虛擬鏈路(虛擬網(wǎng)卡)性能測試重點關(guān)注的是虛擬化平臺為虛擬服務(wù)器提供的虛擬網(wǎng)卡的轉(zhuǎn)發(fā)性能，即測試模型主要以單點到單點的轉(zhuǎn)發(fā)為主。虛擬交換機(jī)性能測試則關(guān)注的是在限定的物理服務(wù)器平臺下，虛擬交換機(jī)可以提供的最大全虛擬服務(wù)器節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)性能，即測試模型主要以多點到多點的轉(zhuǎn)發(fā)為主。

　　2.1 虛擬鏈路性能測試設(shè)計：虛擬鏈路性能測試結(jié)果主要與虛擬機(jī)采用的虛擬網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動類型有關(guān)，同時受限于虛擬化平臺的軟件轉(zhuǎn)發(fā)能力。測試過程重點關(guān)注同一物理機(jī)內(nèi)部的虛擬機(jī)之間的流量轉(zhuǎn)發(fā)能力。對跨物理交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)的不同物理服務(wù)器之間的轉(zhuǎn)發(fā)能力，由于會受到物理網(wǎng)卡及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的影響，測試結(jié)果往往體現(xiàn)的是整個系統(tǒng)的性能，對單一虛擬化平臺性能衡量不夠精確。

　　測試虛擬鏈路性能常用的方法是在同一物理服務(wù)器內(nèi)部創(chuàng)建2臺虛擬機(jī)(圖1)，在相同的操作系統(tǒng)和軟件環(huán)境下，使用相同的測試工具(如NetPerf和Iperf等)測試流量轉(zhuǎn)發(fā)性能。對于測試結(jié)果有兩點注意事項：①比較不同廠家虛擬化平臺產(chǎn)品的虛擬鏈路性能時，需要保證測試的物理平臺與虛擬機(jī)操作系統(tǒng)相同。②測試結(jié)果有時還會受到測試工具所在操作系統(tǒng)的影響，測試過程中需要對TCP滑動窗口大小和傳輸報文負(fù)載大小等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以取得虛擬化平臺能夠承載的最大值和最接近真實應(yīng)用數(shù)據(jù)模型情況下的測試結(jié)果。

圖1 虛擬鏈路性能測試模型

　　2.2 虛擬交換機(jī)性能測試設(shè)計：虛擬化平臺上通常需要部署大量虛擬機(jī)，因此也需要測試在復(fù)雜環(huán)境下大量虛擬機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)對虛擬交換機(jī)vswitch的影響，從而得到vswitch的最大轉(zhuǎn)發(fā)性能。同樣，此測試設(shè)計只對同一物理服務(wù)器內(nèi)部流量轉(zhuǎn)發(fā)模型有意義，對于跨物理服務(wù)器的流量模型，測試結(jié)果無法準(zhǔn)確衡量虛擬交換機(jī)的性能。

　　虛擬交換機(jī)性能測試需要測試大量虛擬機(jī)同時進(jìn)行流量轉(zhuǎn)發(fā)隋況下的性能，假設(shè)建立虛擬機(jī)為a1，a2，...，am；bl，b2，...，bn，流量模型可以分為Backbone或Fullmesh兩類(圖2)。

圖2 虛擬交換機(jī)性能測試模型

　　Backbone模型是建立每個a節(jié)點到每個b節(jié)點的雙向流量，而a節(jié)點內(nèi)部和b節(jié)點內(nèi)部沒有流量交互，測試結(jié)果可以衡量兩組虛擬機(jī)之間的流量交互性能。Fullmesh模型則是在所有節(jié)點之間都要建立流量交互，以測試虛擬交換機(jī)連接所有虛擬機(jī)均有多條流量轉(zhuǎn)發(fā)情況下的性能。

　　測試時，需要根據(jù)實際業(yè)務(wù)模型來選取測試的流量模型。如果虛擬機(jī)部署為應(yīng)用與數(shù)據(jù)庫兩類，只有互相訪問，而沒有內(nèi)部交互，則可以選擇Backbone模型進(jìn)行測試；如果部署同一類型用于分布式計算的虛擬機(jī)，相互之間都會有流量產(chǎn)生，則選擇Fullmesh模型測試更加適合。

　　由于測試過程中需要大量虛擬機(jī)同時收發(fā)流量，則常規(guī)的單一開源測試軟件如NetPerf或Iperf等很難滿足需求，需要配合STAF等自動化測試平臺軟件才能完成任務(wù)的同步下發(fā)和管理。此類測試還有一些常用的專業(yè)測試工具，如Spirent的STCv、IXIA的IxVM等測試軟件。這類軟件的原理是根據(jù)模板建一個虛擬機(jī)，此虛擬機(jī)唯一的工作任務(wù)就是收發(fā)流量測試，不需要再安裝操作系統(tǒng)與額外的軟件工具。相對來說操作簡單，同時可以提供更加豐富的數(shù)據(jù)。缺點是開銷較大。

　　虛擬交換機(jī)性能測試同樣完全受限于物理服務(wù)器硬件平臺和虛擬化平臺的能力，因此只有在相同物理平臺下，比較不同廠商的測試結(jié)果才有意義。

　　3.存儲性能測試設(shè)計

　　在云計算虛擬化平臺中，使用的存儲設(shè)備資源可以為FC SAN、iSCSI、NFS、Samba等網(wǎng)絡(luò)存儲方式，無論使用哪種存儲方式，虛擬化平臺都會將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最終以文件形式形成虛擬機(jī)的磁盤文件或直接以卷的形式供虛擬機(jī)使用。因此，測試設(shè)計時只需要考慮測試場景均采用同種存儲方式進(jìn)行搭建下的測試即可。

　　關(guān)注的存儲性能測試結(jié)果主要是IOPS和吞吐率兩個指標(biāo)。lOPS指每秒I/O吞吐數(shù)量，是存儲性能的常規(guī)測試指標(biāo)，體現(xiàn)了虛擬化平臺對存儲I/O處理方面的能力。吞吐率指虛擬化平臺能夠處理的存儲流量大小，單位為Mbps，通常分為讀和寫兩個方向的結(jié)果，受限于磁盤的磁道寫人性能，通常讀速率性能要遠(yuǎn)大于寫速率性能。

　　測試時，為了比較不同廠家虛擬化平臺產(chǎn)品的存儲性能，需要在相同硬件環(huán)境下，采用相同的存儲介質(zhì)與存儲方式測試同一個指標(biāo)，進(jìn)而將得到的測試結(jié)果進(jìn)行比較。測試工具可以選擇專用的存儲測試軟件，如IOmeter、IObench和IOzone等，也可以選用通用的測試平臺，如phoronix-test-suite的存儲相關(guān)性能測試套件等。安裝測試方法和前面的計算與網(wǎng)絡(luò)性能測試類似，都是先給虛擬機(jī)安裝Windows或Linux操作系統(tǒng)，然后再安裝測試工具軟件進(jìn)行測試。

　　4.小結(jié)和展望

　　對于云計算虛擬化平臺產(chǎn)品，往往還會包括各種各樣的功能，如快照、備份、遷移、克隆等，這些相關(guān)特性也都有對應(yīng)的性能測試內(nèi)容，但是考慮到各廠商的實現(xiàn)均有差異，相關(guān)的性能測試也未能形成標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果可比較性不強(qiáng)。

　　該研究中所述的計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲性能測試，是當(dāng)前云計算虛擬化平臺產(chǎn)品中被業(yè)內(nèi)所公認(rèn)的主要性能測試項目，其測試結(jié)果也已成為衡量云計算虛擬化平臺產(chǎn)品的關(guān)鍵性能指標(biāo)。

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本文標(biāo)題：基于云計算的虛擬化平臺性能研究

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