高性能網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)研究.pdf

1、近年來，迅猛發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)和相對(duì)滯后的軟件計(jì)算模式，使虛擬化技術(shù)成為近來研究熱點(diǎn)之一。經(jīng)過多年發(fā)展，CPU與內(nèi)存虛擬化技術(shù)日趨成熟，I/O虛擬化雖然快速發(fā)展但卻相對(duì)滯后，嚴(yán)重影響了虛擬機(jī)整體性能。如何改進(jìn)I/O虛擬化技術(shù)，提高I/O設(shè)備虛擬化性能及其利用率，一直是當(dāng)前虛擬化技術(shù)研究重點(diǎn)之一。當(dāng)今國際上有三種主流的I/O虛擬化技術(shù)，分別是完全模擬模型，半虛擬化模型和直通模型，這些I/O虛擬化技術(shù)在不同程度上實(shí)現(xiàn)了I/O設(shè)備虛擬化功能

2、，并通過硬件級(jí)支持不斷提高 I/O設(shè)備虛擬化的性能，但在性能方面仍然存在一定差距。
　　本文在深入研究當(dāng)今主流的I/O虛擬化技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)這些挑戰(zhàn)提出了一系列系統(tǒng)的解決方案。本文提供一套更全面更高效的I/O虛擬化方案。具體研究工作如下：
　　1.從CPU開銷入手，將網(wǎng)卡硬件中的中斷延遲技術(shù)引入網(wǎng)絡(luò)虛擬化中，在保證網(wǎng)絡(luò)吞吐量不降低的同時(shí)，大大降低CPU開銷。提出了一種可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)繁忙程度自動(dòng)調(diào)整、可在模式之間自動(dòng)切換的

3、I/O虛擬化機(jī)制，并在Xen虛擬機(jī)中實(shí)現(xiàn)了這一機(jī)制。這種機(jī)制在單個(gè)虛擬機(jī)情況下，CPU開銷下降8％；在九個(gè)虛擬機(jī)情況下，CPU開銷下降50%，而網(wǎng)絡(luò)吞吐量完全沒有下降。在此機(jī)制基礎(chǔ)上抽象出雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)——物理層與虛擬層，利用雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的中斷延遲數(shù)值，實(shí)施了進(jìn)一步優(yōu)化。
　　2.針對(duì)SR-IOV在可擴(kuò)展性和依賴特殊硬件支持這兩方面的不足，提出了一種通用的基于SR-IOV的I/O虛擬化架構(gòu)并在多種虛擬機(jī)上實(shí)現(xiàn)。在該 I/O虛擬化架構(gòu)

4、中，SR-IOV設(shè)備驅(qū)動(dòng)具有很高的移植性，它的實(shí)現(xiàn)與底層的VMM無關(guān)，并提出了三種優(yōu)化方法來減少虛擬化開銷，設(shè)計(jì)了大量試驗(yàn)來評(píng)測該架構(gòu)的性能，結(jié)果表明該架構(gòu)能夠達(dá)到物理線路數(shù)據(jù)傳輸速率(9.48Gbps)，在同時(shí)運(yùn)行60虛擬機(jī)時(shí)，每個(gè)虛擬機(jī)只需增加額外的1.76%CPU開銷，并保證吞吐量沒有降低，我們認(rèn)為該虛擬化架構(gòu)從吞吐量、可擴(kuò)展性和較低CPU開銷各個(gè)方面都優(yōu)于I/O半虛擬化。
　　3.在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下為瘦客戶端設(shè)計(jì)了一種分布式動(dòng)態(tài)