怎么做好VMware vSphere 性能優化

這期內容當中小編將會給大家帶來有關怎么做好VMware vSphere 性能優化，文章內容豐富且以專業的角度為大家分析和敘述，閱讀完這篇文章希望大家可以有所收獲。

前言

下面主要介紹如何對VMware  vSphere架構的CPU、內存、存儲、網絡及虛擬機進行性能調優。將貫穿觀念中那些有性能限制的領域，打消虛擬化和性能相悖的舊觀念，最重要的是通過一個個小的案例展現如何在虛擬化環境中實現性能調優，讓虛擬化技術發揮其最大優勢，助力業務提升效率，按需擴展，靈活多變。

CPU性能優化

CPU資源的分配對于保證虛擬化環境的最佳性能很重要。現在的處理器一般為每個進程都配比了多核處理器，還提供了多種技術幫助提高虛擬化環境的性能，比如Intel-VT和AMD-V等硬件虛擬化及加速技術。CPU虛擬化技術使得虛擬機可以直接在物理處理器上執行大多數的指令，可以使多個虛擬機一起運行來直接訪問一個物理處理器。

物理CPU與虛擬CPU之間的關系

在做CPU性能優化前，理解什么是物理CPU?什么是虛擬CPU?是個很重要的前提。目前幾乎所有的處理器，無論X86架構還是Power架構，對每一個封裝都有多個物理處理器內核。一般規格為4、6、8、12核，有的甚至更多。在VMware  ESXi中，每一個物理處理內核被檢測為一個物理CPU，如果Intel處理器上有超線程，那么每個物理處理器內核都會有兩個硬件線程，ESXi就能檢測到每個線程作為一個物理CPU。虛擬CPU是針對虛擬機上的CPU而言，每個虛擬機至少配置一個虛擬CPU。VMM調度每個虛擬CPU在任何可用的物理CPU上運行，可以定義任何虛擬機在給定時間內可以同時訪問的物理CPU的數量。

ESXi CPU如何工作

VMware vSphere  ESXi中的CPU通過復雜的調度算法接收和執行用戶及外界的指令，按照設定好的策略依次執行，下面將介紹一下ESXi中CPU的幾個主要的動作。

CPU的比例分配算法：

當發生在多個虛擬機之間競爭資源的時，ESXi則使用比例分配算法來決定哪一個虛擬機應該使用更多的CPU和內存資源。比例分配算法可以讓VMware  ESXi調度程序通過將每個執行語境在可用物理處理器資源的一個共享相關聯，從而進行重要的調度計算。根據資源配置標準，如分享、保留、限制，所計算出的分享權益會被分配到每個執行語境上。

CPU聯合調度：

我們常見的聯合調度分為嚴格聯合調度和寬松聯合調度。這種嚴格聯合調度主要出現在VMware  ESXi的早期版本中，當執行聯合調度時，CPU調度程序在多處理器虛擬機的每個微CPU上會有一個累積的偏移。當一個單進程應用在多處理器的虛擬機上運行時，只有一個微CPU在物理處理上運行，而其他的微CPU都處于閑置狀態，因此，只需要要求一個物理CPU可用就可以了。

寬松聯合調度主要出現在VMware  ESXi5版本以后，使得每個虛擬機上的每個微CPU進程都可以被單獨追蹤，偏移值是通過測量最慢的微CPU和其他每個微CPU之間的差異得到的。

ESXi的CPU性能調優

眾所周知，VMware是虛擬化領域的領頭羊，其為ESXi虛擬化層提供的默認設置在性能方面可以滿足大多數企業的應用場景和需求。對于更嚴苛的業務需求，采用默認設置可能會影響虛擬化發揮其最大的優勢。如何調優，就成了管理員必備的要求。

CPU性能如何診斷?哪些指標是性能調優最在意的?可以幫管理員盡快定位問?VMware在眾多管理指令中提供了一個名為ESXtop的命令。通過輸出結果可以清晰的看到CPU等相關的性能問題。管理員通過root身份登陸ESXi服務器，并輸入C切換到CPU的分析界面。除了CPU可以監控CPU之外，也可以對內存、網絡等性能進行觀察。具體的使用方法，不在此文的討論范圍內。

表1：VMware esxtop CPU性能指標表

內存性能優化

內存的運算速度要比硬盤快很多，所以通常情況下，內存越大，服務器的應用速度較快。所有ESXi作為VM的載體，必然需要大內存的支持。那么在進行內存性能講解之前，先介紹一些ESXi中內存的分層。

虛擬主機的物理內存

這個是指實際物理主機的物理內存，比如一臺物理內存微256G的服務器，那么其實際物理內存就是256G;

虛擬機的物理內存

這個是指管理員實際分配給虛擬機使用的內存，可以被虛擬機直接調用的內存，僅僅對分配的虛擬機可見;

虛擬機的虛擬內存

這個是指虛擬機操作系統分配給應用程序的可用內存，這是虛擬機操作系統映射到虛擬機物理內存的地址空間;

ESXi內存如何工作

那么ESXi虛擬化軟件是如何管理硬件的物理內存的呢?使其可以同時運行多個虛擬機，并且內存之間相互隔離，保證數據的穩定性和可靠性。

首先ESXi會將所有的物理內存虛擬化，為其上運行的不同的虛擬機創建一個個連續的虛擬內存地址空間。這些內存地址空間映射到虛擬機的物理內存，形成不同的內存空間。內存空間之間相互隔離，確保虛擬機內容的獨立性和安全性。所有物理內存的分配調用，都需要ESXi來進行管理。特別需要注意的是，在向虛擬機分配物理內存前，ESXi管理程序會將主機物理內存置零，避免主機上不同虛擬機之間的信息泄漏，引起頁面錯誤。

內存回收

虛擬化中的內存回收是個很專業的話題，技術難度也很高，目前僅有VMware實現了內存過量功能的管理。為了實現內存的回收，VMware主要通過以下幾種方式進行，不同的環境采用不提供的方式，避免性能出現瓶頸，影響虛擬機的正常運行。

透明頁共享

透明頁共享(TPS)是主機物理內存回收的一種簡單而有效的方式。原理是將相同鏡像或者應用的內存冗余頁做成單一的共享頁面，只保留一個內存頁的副本。因此，虛擬機主機內存占用總量減小，可以提供更多的內存給不同頁面的虛擬機，從而也實現了內存過量。

內存膨脹

為了實現內存膨脹，需要每個虛擬機安裝VMware  Tools，以為Tools內置了內存膨脹驅動來實現這一功能。當ESXi物理內存處于高壓狀態，就會觸發內存膨脹機制來收回內存。管理程序會通知虛擬機上的內存膨脹驅動，給超過閾值的虛擬機分配“空閑的”虛擬機物理內存頁去擴大內存。當然默認是沒有啟用的，啟用此功能會在一定程度上影響虛擬機的性能。

內存壓縮

ESXi通過內存壓縮技術可以將一部分本該分頁到磁盤的虛擬機內存也進行壓縮。壓縮的內存頁存儲在虛擬機主內存的壓縮高速緩存中。當檢測到內存頁壓縮比率低于50%時，該內存頁不會被壓縮，而是通過管理程序內存交換交換到磁盤，ESXi只會使用管理程序交換未壓縮的內存頁，不會把已壓縮的內存頁交換到磁盤。

管理程序內存交換

在VM的配置文件中，有個后綴名為.vswp的文件，這個就是內存交換文件。通過此方法，ESXi可以將供給虛擬機使用的物理內存與物理磁盤設備進行交換，以達到釋放內存的目的。此文件在虛擬機啟動的時候即被創建，文件大小與虛擬機的內存  一樣。

ESXi的內存性能調優

控制內存的占用比例即使用率，是保證VM及主機穩定、性能優越的前提條件。ESXi內置了內存性能調優工具-ESXtop。雖然VMware支持內存過量技術，但是建議不要隨便使用，畢竟過量會引發內存膨脹及內存交換，影響虛擬機的整體性能。

表2：VMware esxtop內存性能指標表

存儲性能優化

我們在設計虛擬化架構的時候，除了考慮CPU、內存、網絡等因素外，更要對存儲進行精心設計。不同的業務需求，對存儲的類型也是有不同的要求。因為存儲平臺不同，意味著使用的協議和存儲的特點也就不同。速度并非是選擇合適存儲的唯一條件，如協議、連通性、現有的基礎設施和費用都要總和考慮。目前存儲主要分為以下三種類型：

存儲區域網絡

簡稱SAN，是一種提供塊級存儲設備的專用網絡。主機與存儲之間通過光纖進行連接，多采用光纖交換機進行接口對接。SAN提供了一個存儲中心，與其配合使用，淡化了本地存儲的功能。主要協議有互聯網小型計算機系統接口(ISCSI)、以太網光纖通道(FCoE)及光纖通信(FC)。

網絡文件系統

除了塊存儲，ESXi也支持與網絡文件系統(NFS)的連接共享以存儲虛擬機和相關模板。主要通過網絡傳輸，不需要購買額外的HBA卡。

虛擬SAN

又稱VSAN，此概念是VMware在vSphere5.5以后推出的一個新特性。去除了使用NFS和SAN的限制，同時又保證了數據的高可靠性。通過將ESXi本地磁盤聚合在一起并將共享數據存儲呈現給ESXi主機。支持橫向及縱向靈活擴展，也是VMware近期主推的存儲架構。

如何設計物理存儲

合理的設計和選型物理存儲是虛擬化解決方案成功的重要環節。存儲設計的好壞，直接影響整體虛擬化環境的性能好壞。存儲的類型、RAID的配置、網絡和很多其他方面都會對虛擬化環境的性能產生很大影響，以下是對共享存儲的設計建議：

業務需求

技術永遠是為業務服務的，任何優秀的架構設計都需要對業務需求理解透徹，否則做出來的架構將不具備任何價值。所以業務需求的確定是著手設計的第一步。

RAID級別

又稱磁盤冗余陣列，不同的RAID級別，可以滿足不同等級的業務需求。簡單的說，RAID是一種將多個物理硬盤驅動器整合并作為一個或多個邏輯驅動器呈現的技術。主流的RAID級別有，0、1、5、、10等。數字越高，其安全等級越高，防止數據丟失能力越強。

固態盤的使用

隨著技術和硬件的不斷發展，硬盤的類型也得到了擴展。從之前的機械硬盤，到現在的固態硬盤和純閃存盤。速度越來越快，I/O吞吐越來越大。并不是說在整體的存儲架構中，哪種盤一定好，為了獲得最大的性能，一定要結合業務需求，合理搭配使用。對于永久數據的保存，建議使用機械硬盤。但是對于緩存區域和熱數據區，建議采用SSD或者Flash  disk。

IP存儲網絡

IP網絡存儲技術完全依賴于以太網的傳輸。在某些情況下，我們也要考慮結合IP存儲網絡來進行架構的非關鍵組件的彌補。從成本考慮，光存儲網絡和SSD等硬件雖然速度快，但是成本較高。例如ISO等鏡像問題，由于不是經常調用，可以存放于IP網絡存儲中，采用NFS或者ISCSI進行呈現。

如何設計虛擬存儲

VMware的VSAN不同于其他我們熟知的存儲，既不是NFS也不是VMF，它是vSphere  5.5版本以上才有的一種虛擬SAN存儲。它通過整合所有ESXi計算節點的本地硬盤資源，創建一個可以被集群中所有ESXi共同訪問的邏輯數據存儲。虛擬機文件等其他數據可以在主機之間復制，使得單個主機損壞，不會發生單點故障，影響業務正常。當然VSAN也有一些注意事項，避免性能瓶頸：

固態盤

VSAN中的每個存儲組必須有一塊SSD盤來創建數據存儲，而且要求有一個能夠直通的硬盤驅動控制器，可以將每個單獨的磁盤驅動數據提交給vSphere。其中SSD主要作為緩存層，一般SSD與機械盤的比例是1：10。

存儲策略

VMware將VSAN定義為軟件定義存儲，通過定義存儲策略對存儲資源進行管理。通過策略管理員可以定義一組特點的可用性、性能和大小的要求并允許vSphere在部署新的虛擬機的時候管理VMDK的位置和選擇正確的數據存儲。

網絡

由于是通過以太網進行連接，所以VSAN依靠同步復制在各個ESXi主機中復制數據，從而對網絡的要求較高。因為其對延遲的容忍度很低，網絡延遲的增加，可能會導致嚴重的性能下降。強烈建議采用至少10G網絡負載ESXi之間的復制壓力。

ESXi的存儲性能調優

網絡性能優化

網絡性能的好壞直接影響用戶最終的體驗。虛擬化的所有數據傳輸，幾乎都是通過網絡進行的。用戶對數據提取，主機與主機之間的數據復制等。越是復雜的網絡，越要精細化設計，做好合理的規劃，否則一旦投入生產使用，就會帶來很多不必要的麻煩。

ESXi的網絡設計

ESXi的網絡設計主要分為兩種，物理網絡設計和虛擬化網絡設計。不同的層次網絡設計，需要配置的和支持的團隊也不同，一般物理網絡的設計主要是由公司的網絡部門負責，而虛擬化網絡一般是云計算團隊負責。

物理網絡設計：

在網絡設計的過程中，應該確保每一條網絡路徑都應該是冗余的，避免單點故障。

確保主機與主機之間的復制通道具備足夠的帶寬，避免大流量造成數據延遲。

確保具備足夠的物理網絡上行鏈路，以提供網絡隔離和環境要求的冗余。

確保數據網絡、Kernel和管理網絡的隔離。

虛擬化網絡設計：

主要分為標準交換機和虛擬交換機，行業中一般較小的環境建議采用標準交換機，較大的環境建議采用分布式交換機。因為分布式交換機在可擴展性、功能性以及向后延續性都優于標準交換機。

標準交換機：

標準交換機是VMware最早的虛擬交換機，也是單機版交換機。每個主機的所有出入流量都要經過標準交換機，需要更多的管理開銷。

適用于小規模的部署。

確保每個主機上每個vSwitch的部署和配置是一致的，避免虛擬機飄移后，網絡無法通信。

分布式交換機：

適合大規模的部署，因為其實現了集中配置和管理，使主機設置更加統一。也是VMware平臺的網絡增強版。

合理使用網絡I/O控制

分布式交換機具備后期延伸的優勢，提供負載均衡策略。

ESXi的分布式交換機

其實如何選擇虛擬交換機完全取決于各自的業務需要。但是隨著VMware的更新技術的發展，越來越青睞分布式交換機的應用，尤其是大環境的部署與應用。那么我們在部署分布式交換機的時候可以得到哪些提高性能的好處呢?

具備較好的向后擴能力，否則VMware技術的發展路線

支持NIOC功能，實現不同虛擬機使用不同網絡資源的管理。尤其是在SDN中應用較廣，實現多個功能共享較少的網卡。

提供負載均衡功能，能夠有效的均衡跨物理網卡的流量負載。

提供Netflow和LLDP的管理功能，當虛擬化關鍵業務的時候，這個功能就顯得尤為重要。

ESXi的網絡性能調優

在以往的虛擬化環境管理工作中可以發現，絕大多數的性能問題主要來自于CPU、內存和存儲，網絡引發的性能瓶頸幾乎沒有。但是隨著SDN、NSX等技術的出現，對網絡的要求是越來越高，網絡的優化也就越來越重要。

ESXi主機層面性能優化

通過多年的工作經驗積累得出，好的網絡性能應該從ESXi主機層次開始。

首先選擇合適數量網卡的主機以保證冗余和性能。

虛擬交換機的負載均衡策略可以有效的對網卡之間的流量進行負載，避免單塊網卡的流量瓶頸。所以建議無論在大與小的環境，盡量采用分布式交換機。

如果網絡吞吐量增加，那么建議對ESXi的主機CPU也要進行增加。因為吞吐越大，需要的CPU處理量也就越大。

合理使用網絡I/O控制功能，采用共享而不是閾值來控制網絡流量。因為閾值是設置可以使用的最大限。而共享是依靠策略，通過優先級方式，對關鍵虛擬機進行流量優化。

vMotion的流量建議采用單獨的網卡進行隔離，避免與其它的流量沖突。遷移的流量和FT的流量都會使用kernel的網卡。

虛擬機層面的性能優化

在所有的虛擬機中安裝VMware tools，選擇使用VMXNET3增強型虛擬網卡，因為其提供了更高級的功能，比如巨型幀、接收端收放等等技術。

將有關聯的虛擬機盡量放在同一個ESXi主機上，因為相同主機的網絡是通過內核傳輸，速度實現最大化。但是并不是說，VM就不用做備份或者異地部署了，還是要依據業務的實際應用來分。

對于那些要求網絡延遲較小的應用，需要調整VMware高級設置中的網絡延遲敏感度，滿足業務需求。當然，默認的設置已經可以滿足大多數的用戶的應用場景。

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