Part1：3D虚拟化技术透析及竞争分析

由于每篇blog字数限制，因此咱们分四章节来介绍这个vGPU专题。这是第一篇。

一：3D虚拟化技术透析及竞争分析

sVGA、vSGA、vDGA、vGPU、GPUPass-through，天哪，太多的缩写了，我要疯掉了！

小伙伴们别急，让咱们一个一个来分析这些所写的含义。

1名词解释

lsVGA：VMware公司技术缩写，意思是:软件3D模拟渲染技术；

lvSGA：VMware公司技术缩写，意思是：虚拟共享图形加速技术

lvDGA：VMware公司技术缩写，意思是：虚拟专用图形加速技术

lGPUPass-through：Citrix公司技术缩写，意思是：GPU透传技术

lSharedGPU：Citrix公司技术缩写，意思是：GPU共享技术；

lvGPU：业内统一术语，意思是：以相似于服务器虚拟化上将CPU虚拟化的技术，将GPU卡虚拟化后，提供给虚拟机使用。

目前，Citrix公司和NVIDIA公司合做，开发出了业界首个vGPU技术！

2不一样技术的适用场景分析

2.1sVGA的原理：VMware设计的虚拟的WDDM驱动程序（WindowsDisplayDriverModel）1.1版本兼容驱动。原理图以下：

简单地说，就是经过软件模拟出软件GPU卡的能力，实际上仍是消耗CPU的负荷，只能；目前sVGA技术只能支持到DirectX9.0和OpenGL2.1的渲染技术，利用服务器内存模拟技术最大只能虚拟512M显存。

这种技术只适用于改善普通用户桌面使用体验。至于渲染技术只支持DirectX9.0和OpenGL2.1有什么问题，请参见2.5章节的解释。

2.2vSGA的原理：多个虚拟机均分安装在物理服务器上的显卡资源

原理图以下：

事实上，vSGA的工做原理上是基于API的共享，即用于欺骗应用程序API的虚拟显卡驱动程序安装于guestOS中并运行于内核模式。这个vGPUDriverAPI事实上功能分为前向接口和后向接口两个功能，他们的功能分别是：

1)FrontEnd（前向接口）功能：

lGPU操做的API拦截，包括：

nparameterspassed传递过来的GPU调用参数

nordersemantics传递过来的GPU调用语义

l包装以上的函数调用，并将数据传给后向接口

l终结虚拟仿真的显卡驱动的GPU调用，并提供向真实显卡的互操做和执行结果

2)BackEnd（后向接口）功能：

l负责将前向接口传来的数据交给真实的GPUdriver进行处理

l解包前向接口传来的函数调用

l映射内存指针

l执行真实的GPU操做

l返回执行结果

l将执行结果返回前向接口

下图就是这个API的原理示意图：

好吧，按照VMware的说法，这种技术是用户共享GPU处理能力，貌似确实实现了相似vGPU的能力，可是事实如此吗？

咱们上面分析了vSGA的实际工做原理，了解到这种技术其实是欺骗应用程序API的虚拟显卡驱动程序。那么结果也就一目了然了，作过图形设计的码农们应该更清楚：

l“APIRemoting”看似很简单,但它的处理是极其复杂，须要消耗大量的额外资源来作驱动的模拟仿真、API截获、API传递、API队列等待、API真实驱动处理、结果回传等多种复杂的软件计算过程

l虚拟显卡驱动的设计须要对所支持的全部GPU的API进行仿真,但行业标准的API规范也在不断改进和更新，这种设计须要不断持续的支持.

l另外，还须要面对不一样的API标准，如:OpenGL,DirectX,CUDA,OpenCL…

就目前该技术的实际应用来看，vSGA和sVGA同样，也只是支持DirectX9.0和OpenGL2.1的渲染技术，已经够旧了吧。此外，vSGA支持的最大虚拟显存听起来是是512M，事实上虚拟的GPU显存，其中一半为GPU提供，一半为服务器内存模拟，所以，最大只能使用到256M的真实GPU显存。

从用户反馈来看，vSGA对改善部分情形图形软件体验仍是有所帮助的。

至于和Citrix的对比，请参见2.5章节。

2.3vDGA的原理：为每一个虚拟机分配独立的安装在物理服务器上的物理显卡

这个技术和咱们后文中介绍的来自Citrix的GPUPass-Through技术是相似的，只是我弄不明白，V公司非要弄这么多简写差很少的名词吗？

下图就是vDGA的技术原理图：

关于这种技术的原理，咱们在Citrix的GPUPass-Through部分也介绍过不少次了，此处再也不详述它的原理。从功能上二者是高度类似的，毕竟V公司是抄袭Citrix的，想当年，Citrix的GPUPass-Through都发布多久了，vDGA才姗姗来迟。

功能类似，可是易用性就不必定了，去问问VMware，vDGA能把显卡透传给上面运行的什么操做系统平台上，若是回答者够老实，他就只能回答你说，只能运行在Windows764-bit平台。若是你的开发软件只能跑在XP上怎么办？I’msorry.

够清楚了吧。好了，V公司看到vDGA发布时间远晚于CitrixGPUPass-Through，功能也PK不过GPUPass-Through，他们只好说《VMware在性能上目前领先于竞争对手》（百度文库上能够找到这个ppt，名字就叫作VMwareGPU虚拟化技术介绍）。对于他们这种作法，就好象一个巨人和一个矮子，明明在外形上矮子已经落败，他恰恰嘴硬说：“他那么大个有什么用，个人力气比他大”。

哈哈，谁更威武，不是已经一目了然了嘛。固然，你有难处，我表示理解。

2.4GPUPass-through的原理：为每一个虚拟机分配独立的安装在物理服务器上的物理显卡

这部分的原理我就再也不详述了，基本上Citrix的GPUPass-through技术和VMware的vDGA技术一模一样，可是在具体的功能上，双方仍是有明显差距，Citrix功能更全面，也是被业界证实真正具备生产环境下实施能力的解决方案。

下图标就是二者技术的功能性对比。

2.5SharedGPU的原理：将GPU卡透传给Hypervisor之上的XenApp平台

SharedGPU技术其实是将CitrixGPUPass-Through和CitrixXenApp技术完美结合的产物。

你们都知道CitrixXenApp的原理，我以一张简图为例再次解释一下：

XenApp的优点在于虽然只在一个操做系统上安装过一次应用程序，可是这个应用程序却能够被多个用户同时使用，若是GPU资源也能被这么分享，岂不是完美。这就是SharedGPU的原理。这就实现了多个用户同时分享一个GPU卡的能力。

咱们看看下面的原理图：

在上面这张图中，底层服务器安装了一块GPU卡，在硬件平台之上咱们安装了Hypervisor层，随机咱们在此之上安装了三个XenApp虚拟机（都是WindowsServer操做系统），每一个虚拟机上面都安装了CitrixVDA客户端软件，此外还有供最终用户使用的应用程序。随后运行在Hypervisor平台上的NVIDIA驱动程序直接将GPU资源发布给虚拟机使用。

请注意我上面使用的一个单词是：“直接”。为何这么说？请注意2.2章节的vSGA是如何作到的？vSGA要消耗大量的额外资源来作驱动的模拟仿真，说到底，真正能使用到多少百分比的GPU资源仍是个未知数。

咱们首先来看看VMwarevSGA和CitrixSharedGPU技术在功能上的对比：

是骡子是马，拉出来溜溜就知道孰强孰弱了。咱们还有必要就上面的DirectX和OpenGL技术作一个解释，在介绍2.1的sVGA和2.2的vSGA技术时咱们都提到了这两种技术都是只支持DirectX9.0和OpenGL2.1的渲染技术，那么这有什么意义吗？咱们来看看DirectX和OpenGL是干什么用的。

1)DirectX

lDirectX是DirecteXtension的简写，能够进一步简写成DX。为微软公司开发的多媒体编程接口，目前只支持Windows平台。

lDirectX发展到如今已经有11代产品了，目前最经常使用的有两个DirectX11.1和Direct9.0c。前者是Windows7/8的标准配置，后者是WindowsXP的标准。对于不少新游戏而言都以DirectX11为接口。

2)OpenGL

lOpenGL是由开源社区提供的免费开源的多媒体编程接口，全称是OpenGraphicsLibrary。OpenGL功能很是强大，可是使用起来也是至关的复杂，开源社区为任何操做系统提供OpenGL支持，因此适用范围也是至关的广。不少游戏开发采用OpenGL做为渲染方式，这样能够方便的向Linux和OSX等平台移植。

l在非Windows平台下，目前仅能使用OpenGL进行加速，而在Windows平台下视频功能能够由DirectX或者OpenGL完成。因为开发商的选择不一样，一般的硬件都是支持者两种加速方式的。客观的来讲在超高端硬件上对OpenGL的支持更好。

好吧，看完DirectX和OpenGL的解释后你应该知道2.1的sVGA和2.2的vSGA技术有多弱了吧。

VMware自吹vSGA技术能够支持多少种3D设计软件，还有一个办法戳破他们的谎话就是去Nvidia主页上看看有多少种应用程序是在vSGA技术下获得认证的，我这里有个图能够分享一下：

OK，真相大白，咱们继续。

2.6vGPU技术出场：将GPU卡资源切片分给Hypervisor之上运行的VM

概念不作解释了，理解什么是vCPU就知道什么是vGPU。

正如第一节的名词解释所述，vGPU不是哪家公司的专有名字，而是业内通用术语。在去年NVIDIA公司宣布与Citrix公司合做后，最先现身的时间点是今年5月份在CitrixSynergy2013大会上，CitrixCEOMarkB.Templeton演示了NVIDIA的vGPU技术如何和CitrixXenDesktop产品结合，其流畅的渲染技术得到了满堂喝彩。此后NVIDIACEO黄仁勋也登台介绍了NVIDIA的GRID图形虚拟化处理平台以及vGPU技术。

在此次会议上，双方宣布思杰与NVIDIA将会在今年下半年推出业界首个为主机共享应用提供直接GPU共享的方案，并配合支持最新的OpenGL标准，此外还为开发提供远程性能的新代码。

有兴趣的朋友能够看看下面几个视频：

http://v.youku.com/v_show/id_XNjEyMTA2OTUy.html

Citrix营销副总裁-KrishnaSubramanian说明CitrixXenServer如何透过NVIDIAGRIDVGPU提供最棒的服务。

也能够从NVIDIA主页上找到相关信息：

http://www.nvidia.cn/object/xendesktop-vgpu-cn.html

回到正题，在本月1日，哈，也就是咱们的国庆节，Citrix发布了第一个技术预览版的vGPU解决方案，也是目前全球第一个真正实现该技术的商业化产品。你们能够访问下面的网址获取第一手的信息：

CitrixVirtualGPUSolutionTechPreview

此次发布的ReleaseNotes请参见下面的连接地址：

vGPUTechPreviewReleaseNotes

让咱们也来看看它的原理图吧：

看到了吗？这才是真正的vGPU技术，虚拟机经过NVIDIADriver直接访问切片后的GPU资源，而不是像vSGA技术那样，经过欺骗应用程序API的虚拟显卡驱动程序来调用GPU，后者白白消耗掉大量的计算能力。

从图中咱们能够看出，vGPU技术是须要Hypervisor层面支持的，目前就只有XenServer支持。vSphere？好像还要等很多时间吧。

3竞争分析

那到底我用那个技术好呢？VMware也说好，Citrix也说好？怎么办？

在2.4章节介绍CitrixGPU透传技术和2.5章节介绍SharedGPU技术时咱们都分别针对这两项技术和VMware的对应方案做了onebyone的对比。有须要能够往上翻页看看细则。如今咱们来一个大餐，看一个放大的图，把全部的技术中放在一块儿，看看各有什么优缺点。

你若是看不清楚，能够访问个人ShareFile云盘空间直接下载这个jpg文件：

https://citrix.sharefile.com/d/s49dcfead9f74e168

从上面的具体分析能够看出如下几点：

1.Citrix是真正的跨平台技术，不管是那种3D解决方案，不但支持本身的XenServer，也支持VMware的Hypervisor平台；

2.就目前的技术来看，即便没有刚发布的vGPU技术，Citrix在GPU共享领域的能力都要远胜于VMware的技术；

3.Citrix的3D虚拟化技术不管是在操做系统支持层面仍是显存支持，又或者是在对渲染技术的支持版本上，要远优于VMware的解决方案；

4.在实施能力上，Citrix的PVS技术能帮助用户批量实施，而不用像VMware那样只有预览技术而没有实施能力；

5.如今有了真正的vGPU技术，将会给设计行业的客户带来更多更好的选择！