一种网卡硬件辅助虚拟化技术

经过多年的发展,CPU虚拟化和内存虚拟化技术已经成熟,但是I/O虚拟化技术一直是虚拟化技术发展的瓶颈,也制约着整个系统虚拟化性能的提升.目前,Intel的VT-d技术已经能够实现Passthrough I/O功能,而且还通过VT-d和网卡虚拟化实现了SR-IOV技术,有效地解决了I/O虚拟化中的诸多问题.     

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。     

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。     

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。     

一种独立式I/O虚拟化方法研究

当前虚拟化系统中的设备仿真过程与I/O指令串行执行,无法发挥真实体系结构中直接存储器访问、异步I/O等加速I/O访问技术的性能优势,致使虚拟平台I/O性能与真实I/O性能存在一定差距。针对该问题,提出一种独立式I/O虚拟化方法,通过将I/O仿真活动(如磁盘读写)分离成一个独立的进程,虚拟机监控器(VMM)只保留相应的接口,达到将VMM与I/O设备分离实现仿真与指令并行化执行的目的,并基于QEMU平台实现该方法。实验结果表明,采用该方法后的QEMU I/O读写性能优于原有I/O子系统。由于I/O指令不必再等待I/O仿真的结束,因此在提高CPU指令执行速度的同时,能够有效提高4.9%的磁盘读取速度及9.2%的VGA测试基准软件Viewpref得分。     

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.     

浅论服务器虚拟化

0前言将服务器的物理资源,通过虚拟技术变成多台可以相互隔离的虚拟服务器,不受限于物理上的界限,而是让CPU、内存、磁盘、I/O等硬件变成可以动态管理的共享资源。从而提高资源的利用率,简化系统管理,实现服务器整--这就是服务器的虚拟化。1服务器虚拟化的类型虚拟化管理所需的硬件设备为虚拟机监视器,软件是通过虚拟化平台进行管理。虚拟机监视器(Virtual Machine Monitor)把     

基于虚拟机的透明计算设备子系统设计及实现*

为解决在现有透明计算系统中磁盘等设备的虚拟化,需要对操作系统进行修改才能在端计算机上运行的问题,提出透明计算系统中一种基于虚拟机技术的设备子系统。以Intel VT硬件级虚拟支持和Xen虚拟化技术为基础, 在全虚拟化的虚拟机上运行用户操作系统: 通过运行在管理域用户空间中设备模型的虚拟磁盘和网络驱动,将用户域访问磁盘和网络的I/O请求跨网络地重定向到服务器进行处理, 从而实现端计算机上多操作系统的远程运行。在VT硬件平台和Xen虚拟机监控器上实现了原型系统,验证了该方法的可行性。     

云数据中心 I/O 资源池化

近年来,云计算的发展为数据中心带来了新的应用场景和需求.其中,虚拟化作为云服务的重要使能技术,对数据中心服务器I/O系统的性能、扩展性和设备种类多样性提出了更高的要求,沿用传统设备与服务器紧耦合的I/O架构将会导致资源冗余,数据中心服务器密度降低,布线复杂度增加等诸多问题.因此,文章围绕I/O资源池化架构的实现机制和方法展开研究,目标是解除设备与服务器之间的绑定关系,实现接入服务器对I/O资源的按需弹性化使用,从根本上解决云计算数据中心的I/O系统问题.同时,还提出了一种基于单根I/O虚拟化协议实现多根I/O资源池化的架构,该架构通过硬件的外设部件高速互连接口多根域间地址和标识符映射机制,实现了多个物理服务器对同一I/O设备的共享复用;通过虚拟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;采用现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array)构建了该架构的原型系统.结果表明,该架构能够为各个共享服务器提供良好的I/O操作性能.     

性能虚拟化存储系统的设计与实现

针对集中共享存储环境中不同应用间的性能隔离和性能保证问题,在容量虚拟化管理的基础上提出一种性能虚拟化管理机制,实现同时支持容量和性能虚拟化管理的虚拟存储系统。该系统采用扩展了接纳管理和空闲资源公平分配机制的比例带宽资源分配算法,实现虚拟磁盘间的性能虚拟化,避免多个虚拟磁盘间的性能干扰。     

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。     

Parallelization of a level set method for simulating dendritic growth

Processor virtualization is a parallelization technique that may be used to enhance the performance of parallel applications through the improvement of cache performance, overlapping of communication and computation. In this study, we use the processor virtualization technique to parallelize the level set method for solving solidification problems. Numerical results on a distributed memory machine are reported to show the performance of the resulting level set solver, and demonstrate the advantages of using processor virtualization.     

基于VMware的高校数据中心虚拟化设计

针对高校数据中心存在的问题,根据"先期保证独立高效,后续支持整合扩展"的原则,提出基于VMware Essentials Plus的数据中心虚拟服务器平台设计。该平台提供高可靠性和冗余性保证,整体性能高性能损失小,充分利用现有数据中心软硬件资源、虚拟网络架构等部件整合,为高校数据中心的虚拟化提供设计参考。实践证明,设计方案可靠可行,有效解决高校数据中心的虚拟化问题,满足高校信息化需求。     

一致持久的带外虚拟化系统

存储虚拟化能够全面提升存储区域网络的服务质量,而带外虚拟化与带内虚拟化相比具有性能高和扩展性好等优点．提出了运用按序操作、REDO日志以及日志完整性鉴别,共同保证带外虚拟化跨越系统崩溃或断电事故后仍旧可用;设计了一种基于关系模型的磁盘上虚拟化元数据组织方式,它具有可读性好和容易修改的优点;给出了通过分析磁盘分区表兼容典型遗留存储系统的有效方法,它具有庞大遗留系统零切割时间的特点．基于上述关键技术实现的原型系统,在典型实验中表现了很好的性能．     

基于硬件虚拟化的安全高效内核监控模型

传统的基于虚拟化内核监控模型存在两个方面的不足:(1) 虚拟机监控器(virtual machine monitor,简称VMM)过于复杂,且存在大量攻击面(attack surface),容易受到攻击;(2) VMM执行过多虚拟化功能,产生严重的性能损耗.为此,提出了一种基于硬件虚拟化的安全、高效的内核监控模型HyperNE.HyperNE舍弃VMM中与隔离保护无关的虚拟化功能,允许被监控系统直接执行特权操作,而无需与VMM交互;同时,HyperNE利用硬件虚拟化中的新机制,在保证安全监控软件与被监控系统隔离的前提下,两者之间的控制流切换也无需VMM干预.这样,HyperNE一方面消除了VMM的攻击面,有效地削减了监控模型TCB(trusted computing base);另一方面也避免了虚拟化开销,显著提高了系统运行效率和监控性能.     

x86服务器虚拟化平台性能测试

提出一种x86服务器虚拟化平台的性能测试系统。该系统支持Xen、VMware ESXi和Microsoft Hyper-V这3种虚拟化平台,可对平台上的虚拟服务器进行性能测试,同时获取虚拟化平台的性能数据。运用该系统对3种虚拟化平台完成性能测试,结果表明,Xen半虚拟化技术具有性能优势,而ESXi的总体表现最好。     

Prospects for virtualization of high-performance x64 systems

Prospects for applying virtualization technology in high-performance computations on the x64 systems are studied. Principal reasons for performance degradation when parallel programs are running in virtual environments are considered. The KVM/QEMU and Palacios virtualization systems are considered in detail, with the HPC Challenge and NAS Parallel Benchmarks used as benchmarks. A modern computing cluster built on the Infiniband high-speed interconnect is used in testing. The results of the study show that, in general, virtualization is reasonable for a wide class of high-performance applications. Fine tuning of the virtualization systems involved made it possible to reduce overheads from 10–60% to 1–5% on the majority of tests from the HPC Challenge and NAS Parallel Benchmarks suites. The main bottlenecks of virtualization systems are reduced performance of the memory system (which is critical only for a narrow class of problems), costs associated with hardware virtualization, and the increased noise caused by the host operating system and hypervisor. Noise can have a negative effect on performance and scalability of fine-grained applications (applications with frequent small-scale communications). The influence of noise significantly increases as the number of nodes in the system grows.     

企业级服务器虚拟化性能评估方法

随着计算机硬件性能及虚拟化技术的快速发展,越来越多的企业通过采用服务器虚拟化技术来降低信息中心机房的整合成本,提高硬件利用率。然而,在如何选择最佳的服务器硬件搭建高性能、低成本的虚拟化平台,尤其是在虚拟化应用层面上的性能评估是目前亟需解决的问题之一。介绍了四种服务器虚拟化的性能评估方法,分析比较了不同评估方法的特点和局限及其适用环境,为企业信息中心机房如何更好地去部署实施服务器虚拟化提供建设思路。     

Intel virtualization technology

A virtualized system includes a new layer of software, the virtual machine monitor. The VMM's principal role is to arbitrate accesses to the underlying physical host platform's resources so that multiple operating systems (which are guests of the VMM) can share them. The VMM presents to each guest OS a set of virtual platform interfaces that constitute a virtual machine (VM). Once confined to specialized, proprietary, high-end server and mainframe systems, virtualization is now becoming more broadly available and is supported in off-the-shelf systems based on Intel architecture (IA) hardware. This development is due in part to the steady performance improvements of IA-based systems, which mitigates traditional virtualization performance overheads. Intel virtualization technology provides hardware support for processor virtualization, enabling simplifications of virtual machine monitor software. Resulting VMMs can support a wider range of legacy and future operating systems while maintaining high performance.