虚拟机下的I/O技术研究

论文摘要

随着硬件技术的进步,虚拟化技术在部件、系统及应用级取得全面发展。Intel和AMD先后推出的一系列支持虚拟化技术的CPU从CPU、Memory角度对虚拟机技术起到了极大的推动作用,使得虚拟机环境下很大程度上提高了CPU和Memory的性能。然而在外围设备虚拟化方面,多个虚拟机需要共享使用现有PCI设备,而这些设备只向上层呈现单一的操作界面,导致虚拟机内对设备进行I/O操作的性能损失很大。I/O子系统虚拟化是虚拟技术的重要组成部分,其性能对系统整体性能的提高有至关重要的作用。本文以性能为着重点,结合测试数据对当今VMWare和Xen等虚拟机项目中I/O子系统驱动框架进行了分析,并给出相应优化策略:向下迁移方法将I/O操作过程中的仲裁、复用等机制移近硬件完成以提高I/O性能;旁路方法尽量减少虚拟机监控器在I/O操作中的参与,因此减少I/O操作过程中虚拟机之间切换带来的性能损失;设备驱动域方法是将不同类型的设备驱动进行分离,并实现成一个个更精巧的设备驱动域,提高设备I/O的性能。在设备驱动域的基础上,本文针对网卡设备的特点对网卡设备驱动域进行了研究,设计并实现了面向上层客户域的网卡设备聚合模型。通过该系统,向上层的多个客户域提供更强大的网络数据传输服务。网卡设备聚合模型主要对三个方面提供了支持:网卡设备资源的细粒度划分,向上层客户域提供更细粒度、更精确的网络带宽;通过自适应的加权调度算法向上提供面向网卡设备传输能力的负载均衡支持,获得了更高层次的针对设备传输能力的负载平衡效果;通过引入资源预约因子向上提供资源预约支持,令上层的多个客户域获得区分服务支持。最后,本文针对测试数据对已实现的网卡设备模型进行了分析讨论。结果表明:网卡设备驱动域内的聚合模型能够向上层提供更强大、更精确的设备虚拟化细粒度划分支持,不但能提高客户域的网络I/O性能,还增强了系统的鲁棒性、提高了系统的可靠性、可用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 虚拟机I/O子系统发展现状
• 1.3 本文主要工作
• 1.4 论文结构
• 第二章 当前虚拟机I/O子系统分析
• 2.1 split I/O框架分析及性能评测
• 2.1.1 split I/O模型
• 2.1.2 split I/O模型性能评测分析
• 2.2 direct I/O框架分析及性能评测
• 2.2.1 direct I/O模型
• 2.2.2 direct I/O模型性能评测分析
• 2.3 passthrough I/O模型
• 2.4 小结
• 第三章 虚拟I/O子系统性能优化策略
• 3.1 向下迁移方法
• 3.1.1 向下迁移模型设计
• 3.1.2 模型分析
• 3.2 旁路方法
• 3.2.1 旁路方法模型设计
• 3.2.2 模型分析
• 3.3 设备驱动域
• 3.3.1 设备驱动域模型设计
• 3.3.2 模型分析
• 3.4 小结
• 第四章 网卡设备驱动域下设备聚合模型的设计与实现
• 4.1 概况
• 4.2 Linux下设备绑定技术
• 4.3 设备聚合模型的设计与实现
• 4.3.1 网卡设备聚合设计
• 4.3.2 域间数据传递若干关键技术
• 4.3.3 网卡设备聚合实现
• 4.4 设备聚合模型下的资源管理技术
• 4.4.1 网卡资源细粒度划分策略
• 4.4.2 网卡设备资源分配的QoS保障技术
• 4.5 小结
• 第五章 性能评测
• 5.1 ftp性能测试
• 5.2 Netperf第三方软件性能测试
• 5.2.1 测试批量（bulk）网络流量的性能
• 5.2.2 测试请求/应答（request/response）网络流量的性能
• 5.3 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果