基于网卡虚拟化的高性能容器网络设计

单根I/O虚拟化技术为传统数据中心提供高效的服务器整合能力和灵活的应用部署能力,通过将多个网卡直通到虚拟机,减少额外包复制带来的性能损失,使得网络I/O具有接近主机的性能。然而,在网络功能虚拟化场景下单独使用单根I/O虚拟化技术会降低传统数据中心的网络I/O虚拟化性能。针对网络功能虚拟化长链场景,结合单根I/O虚拟化技术和软件虚拟化技术,设计基于网卡虚拟化的高性能容器网络。通过转发模块判断网络流量的目的地址,寻找最优的流量转发路径,实现流量的灵活转发。利用基于脚本程序的自动化部署模块,对每个节点业务进行支持动态增删服务的配置,便于用户对网络进行管理和修改。实验结果表明,在网络功能虚拟化长链场景下,相比单根I/O虚拟化技术,该网络延迟降低约20%,同时能够有效提高网络吞吐量,解决数据中心的网络I/O虚拟化问题。     

云环境下网络I/O虚拟化的研究与改进

云计算对网络的共性需求体现在无感知服务、资源动态适配、可靠性保障、虚拟化和安全性等方面,然而,虚拟化作为云计算数据中心的关键技术,就是最大化有限的物理资源提供有效的传输服务.为了解决高速网络I/O虚拟化在面临I/O密集的应用时导致的I/O性能降低问题,论文提出了网络I/O性能的优化方法:一种分层处理I/O调度的网络虚拟化模型,对云平台下的VM应用进行递进式的优化I/O策略.实验结果证明提出的模型能够提高网络I/O的性能并提高硬件资源的充分利用.     

InfiniBand:一种新型的高速互连网络

随着计算能力向数据中心的集中,消除性能瓶颈和改进系统管理变得比以往更加重要。I/O子系统是造成这类问题的关键。InfiniBand被认为是可以消除当前I/O架构性能瓶颈的一种新的I/O技术。该文首先分析当前I/O系统的瓶颈问题,然后从IBA整体架构、层次结构、通信机制与VI架构、链路特性与服务质量等方面介绍了InfiniBand的具体情况,最后将Infiniband与其它一些高性能互连网络和标准进行了比较。     

一种基于Xen平台的InfiniBand网络虚拟化技术

本文介绍了一种基于Xen平台的InfiniBand网络虚拟化技术,并通过网络通信资源划分、硬件命令代理、MSI中断处理以及存储地址转换和保护等方面对这种虚拟化技术的具体实现进行了详细描述。最后,本文对这种虚拟化的In-finiBand网络进行了性能测试,并针对其特点以及应用前景进行了分析。     

基于InfiniBand网络存储的研究与设计

本文介绍了传统的存储体系结构的缺陷以及网络存储的现状,并探讨一种新型I/O技术-InfiniBand,进而阐述基于InfiniBand的I/O体系结构的研究,以及IB模拟器的设计.     

用于高性能网络服务器的InfiniBand体系结构

随着Internet数据中心的快速发展 ,基于传统PCI总线的网络服务器越来越难以胜任数据密集型应用的要求。采用InfiniBand体系结构 (IBA)的高性能网络服务器可以充分发挥InfiniBand结构的优势 ,改善系统的I/O吞吐能力。首先介绍了当前总线技术面临的巨大问题 ,随后对InfiniBand体系结构的基本概念进行了介绍 ,对其主要特点做了深入分析 ,并将InfiniBand技术与其它互连技术做了比较 ;最后 ,提出了一个利用现有InfiniBand产品构建高性能网络服务器的结构。     

一种动态优先级排序的虚拟机I/O调度算法

I/O任务调度是影响I/O密集型虚拟机性能的重要因素。现有调度方法主要是针对虚拟机整机I/O带宽的优化,较少兼顾各虚拟域与全局性能,也无法满足域间差异化服务的要求。针对现有方法的不足,提出了一种动态优先级排序的虚拟机I/O调度算法DPS。该算法基于多属性决策理论,以离差最大化方法计算I/O任务的优先级评估属性权重,对I/O任务优先级进行综合评估;通过引入任务所在虚拟域价值,体现云计算环境下虚拟域重要性差异。在Xen系统中通过实验评测DPS调度虚拟化网卡的性能,结果表明,DPS能够有效提高指定域与全局的I/O任务截止期保证率、整机I/O带宽,并能为不同虚拟域的I/O应用提供差异化服务。     

众核处理器中硬件支持的I/O虚拟化优化技术研究

众核处理器中I/O资源被多个处理器核所共享。I/O虚拟化实现了I/O资源的高效共享和安全隔离,被越来越多的处理器设计所采用。硬件支持的I/O虚拟化从体系结构设计时就考虑对I/O虚拟化的支持,提供了一个全面、高效的I/O虚拟化的解决方案。深入研究了硬件支持I/O虚拟化的两大关键技术——DMA重映射技术和中断重定向技术,提出了基于Hint的IOTSB Cache管理方法和基于失效队列的失效方法来对DMA重映射进行优化,提出了多层可操控的中断模型和灵活可控的中断重定向实现方法来对I/O中断重定向进行优化。测试结果表明,提出的硬件支持的I/O虚拟化优化方法以很低的I/O性能开销实现了I/O资源的高效共享,提供了几乎接近无虚拟化环境下的I/O性能。     

基于单根I/O虚拟化的多根I/O资源池化方法

虚拟化技术在为现代数据中心提供高效的服务器整合能力和灵活的应用部署能力的同时,也对数据中心服务器的I/O系统设计提出了新的需求,现有I/O资源与服务器紧密绑定的I/O体系架构将产生成本上升、资源冗余、I/O连线复杂化等一系列问题.针对上述问题,提出了一种基于单根I/O虚拟化协议(single root I/O virtualization,SR-IOV)的多根I/O资源池化方法:基于硬件的多根域间地址和ID映射机制,实现了多个物理服务器对同一 I/O设备的共享复用,有效减少单体服务器所需的设备数量和连线数量,并进一步提高服务器密度;同时提出虚拟I/O设备热插拔技术和多根共享管理机制,实现了虚拟I/O资源在服务器间的实时动态分配,提高资源的利用效率.提出的方法在可编程逻辑器件(fieid-programmable gate array,FPGA)原型系统中进行了验证,其评测表明,方法能够在实现多根I/O虚拟化共享的同时,保证各个根节点服务器获得近乎本地直连设备的I/O性能.     

基于SRP的IB SAN设计与实现*

介绍了基于SRP的IB-SAN的整体结构,分析了SCSI read/write命令处理过程中的两个关键问题,即数据缓冲区的内存注册/注销方法和RDMA操作的执行者获取对方数据缓冲区信息的方式。实验结果表明,SRP能够使InfiniBand网络性能得到充分发挥,系统的总体I/O性能明显优于基于iSCSI协议的IB-SAN。     

桌面虚拟化环境下的交互式性能优化

硬件辅助虚拟化的提出,极大地提高了全虚拟化的性能。但是全虚拟化下类似网络教室等桌面虚拟化应用,在交互式性能方面还存在较大局限。交互式性能主要受I/O性能的影响:一方面I/O设备属于慢速设备;另一方面全虚拟化中采用模拟方式来共享设备。对全虚拟化的交互式性能进行了改进,充分利用多核处理器的物理特征来部署配置虚拟机,根据用户行为动态调整虚拟机的使用资源,依据虚拟化特征进行I/O调度的优化。最后,通过评测实验证明了改进方案的有效性。     

文件支持的Xen存储虚拟化研究

基于文件的虚拟磁盘存储是虚拟机技术实现的重要一环,为了提高虚拟机磁盘读写效率,着重研究了Xen基于文件的磁盘虚拟化,分析利用异步I/O技术提升虚拟机对虚拟磁盘的读写速度,同时阐述了不同格式的虚拟磁盘文件做为虚拟存储设备的优劣。     

基于SR-IOV的IO虚拟化技术

虚拟技术经过多年的发展,CPU虚拟化与内存虚拟化均已成熟,而I/O虚拟化方面却未出现大的变化,成为当前虚拟技术性能提高的瓶颈。近期Intel公司提出的SR-IOV技术通过在硬件层增加虚拟支持,与原有I/O虚拟化中采用的Passthrough技术相结合,极大的提高了物理设备的使用效率和客户域的I/O性能。文章在总结虚拟技术中采用过的I/O模型基础上,分析了SR-IOV技术的实现和特点。     

协作型虚拟机中设备虚拟化研究

针对当前系统虚拟化中设备模型难以通用、I/O执行效率低等问题,提出一种基于多核平台的设备虚拟化方案。将传统的消息式I/O处理转换成实时I/O处理,通过I/O传递协议消除I/O处理部件与虚拟机监控器(VMM)的紧耦合,在改善I/O处理效率的同时,提高设备虚拟化模型的通用性,结合协作型VMM完成对设备虚拟化的设计与实现。测试结果表明,该方案能提升I/O执行效率,适用于多种虚拟化系统。     

High performance network virtualization with SR-IOV

Virtualization poses new challenges to I/O performance. The single-root I/O virtualization (SR-IOV) standard allows an I/O device to be shared by multiple Virtual Machines (VMs), without losing performance. We propose a generic virtualization architecture for SR-IOV-capable devices, which can be implemented on multiple Virtual Machine Monitors (VMMs). With the support of our architecture, the SR-IOV-capable device driver is highly portable and agnostic of the underlying VMM. Because the Virtual Function (VF) driver with SR-IOV architecture sticks to hardware and poses a challenge to VM migration, we also propose a dynamic network interface switching (DNIS) scheme to address the migration challenge. Based on our first implementation of the network device driver, we deployed several optimizations to reduce virtualization overhead. Then, we conducted comprehensive experiments to evaluate SR-IOV performance. The results show that SR-IOV can achieve a line rate throughput (9.48 Gbps) and scale network up to 60 VMs, at the cost of only 1.76% additional CPU overhead per VM, without sacrificing throughput and migration.     

VBMq: pursuit baremetal performance by embracing block I/O parallelism in virtualization

Barely acceptable block I/O performance prevents virtualization from being widely used in the High-Performance Computing field. Although the virtio paravirtual framework brings great I/O performance improvement, there is a sharp performance degradation when accessing high-performance NAND-flash-based devices in the virtual machine due to their data parallel design. The primary cause of this fact is the deficiency of block I/O parallelism in hypervisor, such as KVM and Xen. In this paper, we propose a novel design of block I/O layer for virtualization, named VBMq. VBMq is based on virtio paravirtual I/O model, aiming to solve the block I/O parallelism issue in virtualization. It uses multiple dedicated I/O threads to handle I/O requests in parallel. In the meanwhile, we use polling mechanism to alleviate overheads caused by the frequent context switches of the VM’s notification to and from its hypervisor. Each dedicated I/O thread is assigned to a non-overlapping core to improve performance by avoiding unnecessary scheduling. In addition, we configure CPU affinity to optimize I/O completion for each request. The CPU affinity setting is very helpful to reduce CPU cache miss rate and increase CPU efficiency. The prototype system is based on Linux 4.1 kernel and QEMU 2.3.1. Our measurements show that the proposed method scales graciously in the multi-core environment, and provides performance which is 39.6x better than the baseline at most, and approaches bare-metal performance.     

基于Xen的I／O准虚拟化驱动研究

针对全虚拟化下客户端虚拟机无法“感知”虚拟机监视器的问题,对基于Xen的I／O准虚拟化驱动进行研究,通过实验可知,准虚拟化驱动能够消除全虚拟化方式下虚拟机监视器“黑箱”特性的限制,可以实现和虚拟机监视器的密切配合,从而提高I／O性能。在虚拟机Xen的全虚拟化环境中加入准虚拟化驱动,采用对比测试方法验证了该驱动能大幅提升网络性能。     

密码卡虚拟化技术研究与实现

密码卡是一种密码设备,位于网络安全平台的物理层,通过各种密码算法为上层应用系统提供加解密、数字签名等密码运算服务。从云计算安全方面考虑,密码卡需要具备高速运算的特点,并且 需要通过虚拟化技术实现高并发性。密码卡作为输入/输出(Input/Output,I/O)设备面临的挑战是,如何在虚拟化的情况下获得良好的 I/O 性能并有效地共享 I/O 设备。目前 I/O 虚拟化技术的发展相对滞后,影响了虚拟机的整体性能。基于此,该文提出了 3 种密码卡虚拟化设计方案,实现了基于现场可编程门阵列(FPGA)的软件虚拟化密码卡和基于单根 I/O 虚拟化技术的硬件虚拟化密码卡。在实际应用中,虚拟化密码卡通过高速外设部件互连标准(PCI-E)总线内置于服务器中,具备高性能并且通过软件调度 可以被多用户共享。结果表明,该技术可应用于金融、电信等信息安全领域,具备广阔的应用前景。