虚拟网络控制器

68联网转载自2010年第3期的DellPowerSolutions.
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2010年第3期|dell.
com/powersolutions针对服务器虚拟化改进以太网网络控制器作者:DhirajSehgal、AbhijitAswath和SrinivasThodatiBroadcom和戴尔正与各虚拟化提供商合作,以改进DellPowerEdge服务器中的Broadcom网络控制器,进而帮助减少会影响虚拟化环境性能的瓶颈和开销.
在企业IT环境中,虚拟化可提供许多优势,使得组织能够整合和共享计算资源、提升控制能力和效率并经济实惠地运行其数据中心.
但是,要想充分利用虚拟化环境,只部署虚拟机(VM)是远远不够的.
您必须拥有一个高效的网络基础架构.
与戴尔系统中的其他硬件资源一样,Broadcom网络适配器已虚拟化为虚拟机.
虚拟化平台使用基于管理程序的体系结构(也称为虚拟机监视器[VMM]体系结构),该体系结构会隐藏计算平台的物理特性,并允许未经修改的虚拟机在主机上并行运行.
此设计意味着这样的虚拟化会降低性能.
目前,虚拟化体系结构包括带设备驱动程序、I/O堆栈和在虚拟化层顶部运行的应用程序的虚拟机.
虚拟化层包括设备仿真、I/O堆栈和管理以太网网络控制器的物理设备驱动器.
此虚拟化层增加了开销,使系统性能下降,增加了处理器的利用率并减少了可用带宽.
Broadcom作为千兆位以太网(GbE)和10千兆位以太网(10GbE)网络控制器方面的网络技术领导者,长期与各虚拟化供应商(包括VMware、微软、Citrix和戴尔)密切合作,以增强虚拟化的性能.
Broadcom控制器被作为板载LAN(LOM)、夹层卡和标准网卡(NIC)包括在一系列DellPowerEdge服务器中,并被作为戴尔整体虚拟化解决方案的一部分.
Broadcom目前正在进行一项包含两个阶段的工作,来针对虚拟化环境中的使用对其控制器加以改进,从而帮助使用戴尔系统的组织最大限度地利用其虚拟化计划的优势.
第一阶段的改进中,Broadcom通过提供多种其他功能消除了虚拟化瓶颈并提高了系统性能.
例如,现在,Broadcom以太网网络控制器支持使网络适配器可计算传输和接收的TCP校验的无状态卸载(如TCP校验和卸载),允许TCP层构建最长64KB的TCP消息并通过IP和以太网设备驱动器沿着堆栈在一次呼叫中发送的TCP大型发送卸载,从而使主机处理器不必计算虚拟化环境中的校验.
此外,在虚拟化环境中,Broadcom的巨型帧支持旨在通过减少中断来节约处理器利用率,通过允许系统专注于帧中的数据(而不是围绕数据的帧)来增加吞吐量.
但是,由于管理程序在虚拟化层中处理I/O和复制I/O副本时的单线程特性,使用此方法,性能仍会受到限制.
Broadcom还支持VMwareNetQueue和MicrosoftHyper-VVM队列(VMQ)功能,帮助消除了单队列瓶颈和避免了有状态卸载(如TCP卸载)的需求.
部分戴尔虚拟化解决方案支持Broadcom处理器中的InternetSCSI(iSCSI)主机总线适配器(HBA)模式,该模式在虚拟化环境中可提供卓越性能.
阶段1:消除瓶颈并提高系能Figure1.
BroadcomiSCSIHBAmodeinavirtualizedenvironmentHypervisororVMMVMwareiSCSIstackBroadcomiSCSIOSSCSIstackVM1OSSCSIstackVM2OSSCSIstackVMnBroadcomGbE/10GbENICThird-partyGbE/10GbENICExistingiSCSIandnetworkstackSignicantlyreducediSCSIprocessinginOSstackbenetstheguestOSandvirtualizationplatformOn-chipiSCSIprocessingfreesprocessorcycles,helpingtoreducepowerconsumptionandincreaseperformanceOn-chipiSCSI69转载自2010年第3期的DellPowerSolutions.
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com/powersolutions|2010年第3期使用多个队列增加处理器内核密度这一趋势导致虚拟机的使用数量增加,进而需要更多的处理器周期来将数据包发送至虚拟机.
使用网络控制器提供的硬件队列,虚拟化供应商免去了传统操作系统的单线程限制,优化了管理程序,以获得多硬件线程.
在VMware和MicrosoftHyper-V平台中,数据包必须穿越管理程序或父分区,原因在于控制器和虚拟机之间的直接路径不可用.
在出口处,首先从来源虚拟机复制数据包,用于在虚拟交换机中进行处理.
查找目标介质访问控制(MAC)地址和虚拟LAN(VLAN)ID来确定路径,然后将数据包复制到其他虚拟机的接收队列和/或提交到网络驱动器用于传输.
在入口处,数据包被指引至交换机,使用目标介质访问控制(MAC)地址和VLANID来确定可将数据包复制到哪个虚拟机或哪些虚拟机组.
路由查找、数据复制和筛选任务代表额外的处理器负载,并且非虚拟化环境中没有延迟.
相关的开销对网络性能的影响极大,尤其是10Gbps网络;将这些任务卸载到网络适配器,可以解决此问题.
其中,传输队列管理器可从多个队列传输数据包,并将接收数据包引向多个队列.
利用VMwareNetQueue和MicrosoftHyper-VVMQ功能,Broadcom控制器可承担这些任务,帮助满足宽带集中型应用程序的以下需求:在虚拟化环境中需要高性能和网络吞吐量.
存储卸载网络存储对于虚拟化环境至关重要,可实现顺利迁移,并将虚拟机的故障从一个物理机服务器转移到其他物理机服务器.
iSCSI已开始成为一个高性能、可访问并在许多虚拟化部署中普遍使用的网络存储技术.
BroadcomNetXtremeIIiSCSIHBA功能支持VMware、MicrosoftHyper-V和CitrixXen虚拟化,通过提供片上处理来提供虚拟化环境中所需的聚合功能,以帮助释放处理器资源,增加带宽和提高性能(如图1所示).
默认情况下,此图中显示的BroadcomGbE和10GbEiSCSIHBA功能由DellPowerEdge服务器上的VMwarevSphere4.
1平台提供.
BroadcomiSCSIHBA功能启用iSCSI协议(以及TCP协议和IP协议)的片上处理功能,通过一个以太网端口,以10Gbps线速帮助释放主机资源.
此功能提供增强的性能优势,可帮助满足带宽密集型应用程序的以下需求:针对管理程序,需要高性能块存储I/O,为虚拟机的所有实例提供服务.
iSCSI引导iSCSI引导功能允许服务器通过存储区域网络(SAN)引导操作系统,而无需本地磁盘存储.
本地磁盘存储是导致计算机系统出现故障的主要原因.
使用无磁盘服务器不仅可以增强系统可靠性,还能通过集中服务器映像的创建、分发和维护,帮助简化IT管理员的工作量;通过提高磁盘容量利用率,降低存储容量的整体需求;通过使用数据镜像和复制,提高数据冗余.
在虚拟化环境中,SAN的使用持续增长,而管理员继续认识到将本地存储从单个服务器移到集中管理的存储阵列所带来的益处,网络引导选项(如iSCSI引导)无疑会成为整个企业数据中心内越来越常见的一种功能.
Broadcom、VMware、微软和Citrix正致力于创建简单、功能丰富的iSCSI引导选项.
在虚拟化环境中,该选项用iSCSI来替代本地存储.
默认情况下,DellPowerEdge服务器上的VMwarevSphere4.
1启用BroadcomGbENetworking70转载自2010年第3期的DellPowerSolutions.
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2010年第3期|dell.
com/powersolutions和10GbEiSCSI引导功能.
而戴尔平台上支持BroadcomiSCSIHBA模式和在管理程序中针对10GbE控制器使用iSCSI引导.
1Broadcom第二阶段的改进虚拟化活动现在正在进行中,主要任务是利用单根I/O虚拟化(SR-IOV)技术;这些改进功能预计会在使用BroadcomNetXtremeII57712控制器的戴尔系统上提供.
采用SR-IOV技术的以太网网络控制器旨在提高I/O吞吐量和降低处理器占用,同时提高可扩展性和设备的共享能力.
SR-IOV允许将以太网网络控制器的I/O设备直接分配至多个虚拟机,从而有助于从充分利用网络适配器的全部带宽.
规定了PCII/O虚拟化和共享技术的PCIExpress(PCIe)SR-IOV规范是在采用SR-IOV技术的Broadcom控制器中实施SR-IOV的基础.
该规范规定了能让多个系统映像或者虚拟机共享PCIe硬件资源(参见图2)的PCIe规范扩展.
BroadcomSR-IOV设备提供具备多个虚拟功能(VF)的物理功能(PF).
虚拟功能是精简的PCIe功能,而虚拟机上提供了与功能的主要数据移动相关的资源.
虚拟功能可在不同虚拟机之间串行共享:先将虚拟功能分配给一个虚拟机,然后进行重置,再分配给另一个虚拟机.
此外,虚拟功能可从虚拟功能转换为物理功能.
PCIeSR-IOV的全面支持包括增强现有功能及为平台和操作系统增加新功能.
支持SR-IOV的网络控制器设备驱动程序也必须要进行重新设计,以支持物理功能和虚拟功能之间的多余通信路径.
VMwareVMDirectPath在分布式系统中,高吞吐量和低延迟尤其重要.
其中,节点的I/O延迟会影响群集和总体应用程序的性能.
保持实施可扩展的SR-IOV网络适配器的大型数据库群集中的数据一致性时需要低延迟.
使用VMwareVMDirectPath网络插件体系结构和采用SR-IOV技术的Broadcom设备,可以将虚拟功能直接分配至虚拟机,从而提供近原生性能,免去了在管理程序中额外复制I/O,并支持全面的虚拟化功能,包括VMwarevMotion技术和MicrosoftHyper-V动态迁移(参见图3).
对于I/O设备和高性能的虚拟机,需要将PCI设备直接分配至虚拟机.
借助动态VMDirectPath或UniformPassThrough版本2(UPT版本2),设备界面可一分为二,从而支持性能关键操作(如TX/RX生产者变址寄存器、中断屏蔽寄存器)和在VMwareESX中运行的管理驱动程序中不经常发生的仿真操作的直通.
为了实施动态迁移,默许情况下,会使用虚拟功能,并将其从直通模式切换至仿真模式,从而最大程度地减少要检查或还原的设备状态.
虚拟机内存和来宾操作系统中的大多数状态没有察觉到迁移.
阶段2:集成SR-IOV增强功能Figure2.
SR-IOV-capableBroadcomcontrollerinavirtualizedenvironmentHypervisororVMMPFdevicedriverVirtualNICVM1VFdevicedriverVM2VFdevicedriverVMnSR-IOV-capableBroadcomcontrollerVFPFVF1有关适用于戴尔系统的Broadcom适配器中iSCSI功能的详细信息,请参阅2010年第2期的DellPowerSolutions中的"AuniednetworkingapproachtoiSCSIstoragewithBroadcomcontroller"(统一的联网方法:带Broadcom控制器的iSCSI存储)(作者:DhirajSehgal、AbhijitAswath和SrinivasThodati):dell.
com/downloads/global/power/ps2q10-20100411-broadcom.
pdf.
Figure3.
VMwareVMDirectPathwithanSR-IOV-capableBroadcomcontrollerHypervisororVMMPFdevicedriverVirtualNICVM1VFdevicedriverVM2VFdevicedriverVMnSR-IOV-capableBroadcomcontrollerVFPFVFNICembeddedswitch71转载自2010年第3期的DellPowerSolutions.
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com/powersolutions|2010年第3期支持动态VMDirectPath需要重新设计操作系统平台和网络设备驱动器.
VMware平台实施允许性能关键部分直通的网络插件基础体系结构,通过对vmxnet驱动程序进行分区,以包括特定于虚拟机的外壳和特定于硬件的模块或网络插件驱动器.
特定于虚拟机的外壳实现了操作系统网络堆栈的接口,并与管理程序进行交互,以进行配置.
特定于硬件的网络插件驱动程序与数据路径中的硬件交互,并使用虚拟机外壳接口,实现特定于操作系统的呼叫.
VMwareESX控制外壳所使用的网络插件,并根据虚拟功能将插件加载到虚拟机,以及将虚拟功能映射到虚拟机地址空间.
NIC嵌入式交换机对于点到点和基于交换机的配置,还需要I/O虚拟化和共享,实现虚拟机、虚拟功能、芯片组、交换机、终端和网桥的互操作性.
利用Broadcom的NIC嵌入式交换机,可以实现虚拟机之间、从虚拟功能到虚拟功能以及从外部端口发出或接收的以太网交换.
网络是虚拟化环境的重要组成部分,已经针对虚拟化需求进行改进的网络控制器可以帮助最大限度地提高性能.
Broadcom以虚拟化为中心的改进,能够让使用戴尔系统的组织利用卸载技术和灵活、实时的I/O增强功能来帮助实现高效的虚拟化.
Broadcom的带有TCP和iSCSI卸载的以太网网络控制器的SR-IOV功能和I/O直通功能,可提供近原生性能和低延迟.
展望未来,Broadcom计划继续支持在戴尔服务器平台上实施虚拟化,从而帮助IT组织加快对虚拟化基础架构的采用,同时提高性能并控制成本.
DhirajSehgal是Broadcom的以太网控制器资深产品线经理.
AbhijitAswath是Broadcom的以太网控制器软件资深产品线经理.
SrinivasThodati是戴尔的PowerEdgeM系列服务器资深产品营销经理.
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