兩種IO虛擬化技術(shù)

1、IO虛擬化：虛擬直接連接VMDc技術(shù)解析發(fā)布日期：2010-2-21 0:32:05 作者： 出處：IT168在上一篇文章中，我們已經(jīng)看到了I/O虛擬化的必要性，并解析了VMDq虛擬機(jī)設(shè)備隊(duì)列技術(shù)，現(xiàn)在，我們將繼續(xù)介紹I/O虛擬化技術(shù)中的一種：VMDc（Virtual Machine Direct Connect，虛擬機(jī)直接連接），這是一種通過新的IO虛擬化方法來提升虛擬IO性能的方法。 IO虛擬化：虛擬設(shè)備隊(duì)列VMDq技術(shù)解析 I/O虛擬化的方法有很多種，現(xiàn)在使用的主要有兩種，它們都是純軟件的，它們分別是：設(shè)備模擬和額外軟件界面，如下圖所示： 設(shè)備模擬：VMM對(duì)客戶機(jī)摸擬一個(gè)I/O

2、設(shè)備，通過軟件完全模擬設(shè)備的功能，客戶機(jī)可以使用對(duì)應(yīng)真實(shí)的驅(qū)動(dòng)程序，這個(gè)方式可以提供完美的兼容性（而不管這個(gè)設(shè)備事實(shí)上存不存在），但是顯然這種模擬會(huì)影響到性能。作為例子，各種虛擬機(jī)在使用軟盤映像提供虛擬軟驅(qū)的時(shí)候，就運(yùn)行在這樣的方式，以及Virtual PC的模擬的真實(shí)的S3 Virge 3D顯卡，VMware系列模擬的Sound Blaster 16聲卡，都屬于這種方式，一般的虛擬網(wǎng)卡也是這種方式。 額外軟件界面：這個(gè)模型比較像I/O模擬模型，VMM軟件將提供一系列直通的設(shè)備接口給虛擬機(jī)，從而提升了虛擬化效率，這有點(diǎn)像Windows操作系統(tǒng)的DirectX技術(shù)，從而提供比I/O模擬模型更好的

3、性能，當(dāng)然兼容性有所降低，例如VMware模擬的VMware顯卡就能提供不錯(cuò)的顯示速度，不過不能完全支持DirectDraw技術(shù)，Direct3D技術(shù)就更不用想了。相似的還有VMware模擬的千兆網(wǎng)卡，等等，這些品牌完全虛擬的設(shè)備（例如，VMware牌顯卡，VMware牌網(wǎng)卡）需要使用特制的驅(qū)動(dòng)程序部分直接地和主機(jī)、硬件通信，比起以前完全模擬的通過虛擬機(jī)內(nèi)的驅(qū)動(dòng)程序訪問虛擬機(jī)的十兆百兆網(wǎng)卡，可以提供更高的吞吐量。 可以看到，這兩種純軟件實(shí)現(xiàn)的方式有些類似于完全虛擬化和部分虛擬化的分別，不管哪種方式，都是軟件實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向硬件實(shí)現(xiàn)會(huì)不會(huì)更好呢？ 現(xiàn)有方案：基于軟件的共享 和處理器上的Intel VT

4、-i和VT-x一樣，Intel VT-d技術(shù)是一種基于North Bridge北橋芯片（或者按照較新的說法：MCH/IOH）的硬件輔助虛擬化技術(shù)，通過在北橋中內(nèi)置提供DMA虛擬化和IRQ虛擬化硬件，實(shí)現(xiàn)了新型的I/O虛擬化方式。Intel VT-d技術(shù)通過硬件實(shí)現(xiàn)的如硬件緩沖、地址翻譯等措施，增加了兩種設(shè)備虛擬化方式： 通過VT-d實(shí)現(xiàn)的直接分配設(shè)備虛擬化方式 直接分配：虛擬機(jī)直接分配物理I/O設(shè)備給虛擬機(jī)，這個(gè)模型下，虛擬機(jī)內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)程序直接和硬件設(shè)備直接通信，只需要經(jīng)過少量，或者不經(jīng)過VMM的管理。為了系統(tǒng)的健壯性，需要硬件的虛擬化支持，以隔離和保護(hù)硬件資源只給指定的虛擬機(jī)使用，硬件同時(shí)還

5、需要具備多個(gè)I/O容器分區(qū)來同時(shí)為多個(gè)虛擬機(jī)服務(wù)，這個(gè)模型幾乎完全消除了在VMM中運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序的需求。例如CPU，雖然CPU不算是通常意義的I/O設(shè)備不過它確實(shí)就是通過這種方式分配給虛擬機(jī)，當(dāng)然CPU的資源還處在VMM的管理之下。 原生共享，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，設(shè)備需要支持PCI SR-IOV規(guī)范，并需要系統(tǒng)支持VT-d 原生共享：這個(gè)模型是I/O分配模型的一個(gè)擴(kuò)展，對(duì)硬件具有很高的要求，需要設(shè)備支持多個(gè)Function接口，每個(gè)接口可以單獨(dú)分配給一個(gè)虛擬機(jī)，這個(gè)模型無疑可以提供非常高的虛擬化性能表現(xiàn)。 最后這種設(shè)備虛擬化方式到了網(wǎng)卡上的實(shí)現(xiàn)就是VMDc方式，這種方式上，網(wǎng)卡需要提供多個(gè)Funct

6、ion以提供給虛擬機(jī)，每個(gè)虛擬機(jī)直接連接到網(wǎng)卡的Function上，所以叫做Virtual Machine Direct Connect虛擬機(jī)直接連接。 VMDc利用SR-IOV功能將虛擬機(jī)的虛擬網(wǎng)卡直接映射到物理網(wǎng)卡的Virtual Function上 支持VMDc技術(shù)的網(wǎng)卡提供了多個(gè)Function，F(xiàn)unction有兩類：Physical Function（用來配制管理網(wǎng)卡）和Virtual Function，每一個(gè)虛擬機(jī)都可以映射到一個(gè)Virtual Function，不同的虛擬機(jī)使用不同的Virtual Function，從而提供了充足的性能以及虛擬機(jī)隔離能力IO虛擬化：虛擬設(shè)備隊(duì)列

7、VMDq技術(shù)解析發(fā)布日期：2010-2-21 0:17:39 作者： 出處：IT168現(xiàn)在人們已經(jīng)接受并開始逐步實(shí)施虛擬化技術(shù)，為提供理想的性能和可靠的安全性，硬件虛擬化技術(shù)必不可少。它的發(fā)展是循序漸進(jìn)的，在我們最熟悉的世界，硬件虛擬化是先從處理器開始，再到芯片組，再到IO設(shè)備，因?yàn)槊恳粋€(gè)階段都以上一個(gè)階段作為基礎(chǔ)，如下圖所示： 其中VT-x和VT-d技術(shù)已經(jīng)被人熟悉（競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手也有類似的技術(shù)） 現(xiàn)在的階段就處在IO虛擬化階段，一個(gè)老生常談的問題是：外部IO已經(jīng)逐漸跟不上處理器等的發(fā)展。無論你需不需要虛擬化，你都需要解決IO的問題。何況，隨著處理器的架構(gòu)越來越先進(jìn)，核心數(shù)越來越多，提高

8、資源利用率的需求使這些機(jī)器越來越傾向于虛擬化。 現(xiàn)在IO虛擬化的問題和處理器虛擬化等的問題差不多，就是人們希望硬件輔助方案能解決軟件方案的性能損耗問題。在IO設(shè)備上，頻繁的VMM切換以及對(duì)中斷的處理是導(dǎo)致虛擬化效率低下的兩個(gè)重點(diǎn)因素，如下圖所示： 軟件實(shí)現(xiàn)的IO虛擬化網(wǎng)絡(luò)吞吐量低下 硬件的IO虛擬化就是為了解決這個(gè)問題，對(duì)應(yīng)的解決方案相關(guān)的很多，我們這次介紹的是Intel的VMDq：Virtual Machine Device Queue，虛擬機(jī)設(shè)備隊(duì)列。這是一個(gè)專門用于提升網(wǎng)卡的虛擬化IO性能的技術(shù)，對(duì)于服務(wù)器來說，最關(guān)鍵的IO組成部分就是網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)了，甚至網(wǎng)絡(luò)更為重要一些。 虛擬化的精髓就

9、是多個(gè)虛擬機(jī)共享一定的硬件資源，特別地：網(wǎng)卡。盡管VT-d技術(shù)提供了不同的虛擬機(jī)直接使用不同的網(wǎng)卡的可能性，不過多個(gè)虛擬機(jī)共用一塊或者數(shù)塊網(wǎng)卡仍然是絕大多數(shù)情況。對(duì)于VT-d技術(shù)，一些人可能會(huì)很高興地看到，不同的顯卡也可以通過它在不同的虛擬機(jī)之間直接分配，如Paralles Workstation Extreme軟件可以主機(jī)和虛擬機(jī)直接使用不同的Quadro顯卡進(jìn)行渲染工作（是的，它和前面說的還有些距離，不過原理相同）。 因?yàn)檫@樣的緣故，實(shí)際上所有的提供上網(wǎng)能力的虛擬機(jī)軟件都內(nèi)置了一個(gè)虛擬交換機(jī)，大部分還在這個(gè)基礎(chǔ)上提供了路由器的功能，作用就是和真實(shí)的交換機(jī)/路由器一樣，將多臺(tái)虛擬機(jī)連成一個(gè)或

10、者多個(gè)網(wǎng)絡(luò)： VMDq實(shí)際上將這個(gè)虛擬交換機(jī)的一部分功能用硬件進(jìn)行加速 VMDq實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)半軟半硬的虛擬交換機(jī)，和原有的純軟件方案相比，新的方案提供了更高的性能、更低的資源占用率，它怎么實(shí)現(xiàn)的呢？ VMDq技術(shù)提供了一個(gè)屬于ISO OSI 9層網(wǎng)絡(luò)模型中的第二層的分類/排序引擎實(shí)現(xiàn)了交換機(jī)的部分功能，為了提供合適的性能，它必須使用到一堆緩存隊(duì)列，因此支持VMDq的網(wǎng)卡通常也支持RSS接收方擴(kuò)展功能 在支持VMDq的網(wǎng)卡上，用硬件實(shí)現(xiàn)了一個(gè)Layer 2分類/排序器，通過MAC地址或者VLAN來講數(shù)據(jù)包發(fā)送到指定的虛擬機(jī)隊(duì)列中去（這堆隊(duì)列叫做pool），最后的VMM軟件只需要非常簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)復(fù)制工作就可以完成虛擬交換機(jī)的任務(wù)。從而極大地提升了虛擬化網(wǎng)絡(luò)效率。 支持VMDq隊(duì)列的網(wǎng)卡通常也支持RSS隊(duì)列，例如Intel 82576EB網(wǎng)卡支持8個(gè)虛擬機(jī)隊(duì)列，支持16個(gè)RSS隊(duì)列，它們實(shí)質(zhì)上都是16個(gè)發(fā)送/接收隊(duì)列對(duì)的劃分，另外意味著，每個(gè)虛擬機(jī)可以分配到兩個(gè)發(fā)送/接收隊(duì)列對(duì)。 Hyper-V 1.0，也就是Windows Server 2008攜帶的版本，所有的網(wǎng)絡(luò)IO都需要經(jīng)過經(jīng)過純軟件實(shí)現(xiàn)的虛擬交換機(jī) Hyper-V 2.0，也就是Windows Serve