虚拟化架构下基于SR-IOV的网络带宽分配的研究

摘要

虚拟化已经成为了云计算的主流技术，它可以在一台物理机器上模拟出多个服务器，共享一个物理机的硬件资源，提高服务器的利用率。近年来，针对CPU和内存如何在各虚拟机之间公平有效地共享机制已经日趋成熟，而针对网络资源在各虚拟机之间的分配机制却相对滞后。不像CPU和内存，网络物理链路带宽的分配需要根据虚拟机的用户付费情况在各虚拟机之间按比例分配,同时，很多用户需要虚拟机提供可靠的网络虚拟化解决方案。然而由于虚拟机中的网络带宽不仅跟网络数据包的接收方有关，它还受到发送端发送速率的影响。这已经成为了网络带宽在虚拟机中分配需要解决的一大难点。
　　目前网络数据中心是按固定流量费率收费，网络物理带宽在各虚拟机之中按需分配，客户根据虚拟机使用流量付费。而很多客户为应付高峰期的突发流量事件，需要虚拟机能够保证一定的带宽，并能从中受益。本文在深入研究和分析SR-IOV网络数据包接收流程的基础上，提出了一种在各虚拟机之间按比例分配带宽从而保证各虚拟机带宽的机制。本文的主要贡献如下：
　　（1）本文提出了对网络虚拟化的三种不同要求，高效地利用网络物理链路带宽、保证各个虚拟机最小的带宽需求以及确保各虚拟机网络带宽的隔离性。同时本文分析了现有云计算平台网络虚拟化技术的缺陷。按固定费率收费的网络虚拟化模型不能保证虚拟机最小的网络带宽。
　　（2）在传统的I/O虚拟化过程中，由于每次虚拟机对物理资源等一些敏感资源的访问都必须要求宿主机介入，对虚拟机的访问做合法性的验证，这使宿主机和虚拟机频繁进行切换，给虚拟化I/O访问增加了很大的开销。而SR-IOV网络硬件虚拟化通过对单个I/O设备虚拟出多个VF，分配给虚拟机，利用VT-d技术减少了不必要的数据拷贝和上下文切换，从而提高了I/O的性能。因此，本文针对基于SR-IOV网络硬件虚拟化的KVM平台做研究。在本文研究中，我们搭建了KVM虚拟化平台，并创建了多个基于SR-IOV网络虚拟化的虚拟机。
　　（3）本文分析了SR-IOV网络数据包接收机制-NAPI的主要流程，包括网络中断和轮询接收缓冲区中的网络数据包两个过程。并根据NAPI提出了控制带宽的策略-控制每个VF对应的最大中断频率和采用令牌桶算法来对每个虚拟机带宽进行整形，来实现各个虚拟机按比例分配带宽的机制。
　　（4）在虚拟化平台中实现了该网络带宽分配的机制，并通过在各虚拟机中运行netperf等开源的benchmark，测量各个虚拟机的网络带宽分配情况。实验结果表明这两种算法在不引入大的网络开销的基础上，对各个VM的带宽分别作了粗粒度和细粒度的分配。

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第一章 绪论

1.1 虚拟化技术简介

1.2 虚拟化技术的分类

1.3 系统虚拟化技术

1.4 本文的研究内容和结构安排

1.5 本章小结

第二章 I/O虚拟化技术

2.1 I/O虚拟化解决方案

2.2 I/O虚拟化技术的现有缺陷和三个基本要求

2.3 I/O虚拟化技术的主要工作

2.4 本章小结

第三章 NAPI下虚拟机网络带宽的影响因素

3.1 NAPI

3.2 NAPI在虚拟化环境下的性能分析

3.3 SR-IOV平台上对网络带宽影响因素分析

3.4 本章小结

第四章 虚拟机网络带宽控制机制设计与实现

4.1 虚拟机网络带宽分配器的总体设计

4.2 PF and VF的信箱机制

4.3 ITR控制虚拟机网络带宽算法

4.4 TBF虚拟机网络带宽控制算法

4.5 本章小结

第五章 实验分析

5.1 实验平台配置

5.2 实验设计

5.3 实验结果与分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

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