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.     

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.     

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。     

基于全局地址空间的高效I/O虚拟化方法研究

针对多操作系统核心下网络I/O资源的高效共享问题,提出的基于全局地址空间的I/O虚拟化方法.方法采用了半虚拟化的设计思想,基于全局地址空间支持,主、从核心在通信的关键路径上均可对网络设备直接发起I/O操作,从而获得最佳的I/O虚拟化性能.本文以HPP结构为实例,研究了将提出的I/O虚拟化方法应用到HPP结构下对InfiniBand网络进行虚拟化的关键技术,实现了从核心I/O通信时的OS旁路和主核心旁路.对曙光6000原型系统的测试表明,在主、从核心配置相同的情况下,从核心使用虚拟化InfiniBand的通信性能与主核心相当,I/O虚拟化对应用性能的影响小于2％.     

国产自主服务器的虚拟化技术研究

为了适应国产处理器的服务器技术发展需求,探讨了虚拟化技术在未来的国产自主服务器上的使用技术,并结合国产自主服务器虚拟化技术现状,在CPU虚拟化、内存虚拟化和设备I/O虚拟化等方面做了进一步研究,分析了国产自主服务器的虚拟化实现技术。     

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.     

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。     

一种灵活高效的虚拟CPU调度算法

目前,虚拟化已经广泛应用于数据中心,但主流的虚拟CPU调度策略并没有实现对I/O性能的保障,尤其当延时敏感型负载的虚拟机和计算敏感型负载的虚拟机竞争CPU资源时,其性能显著下降.针对上述问题,本文提出了一种灵活、高效的虚拟CPU调度算法（FLMS）.FLMS通过采用虚拟机分类、虚拟CPU绑定、多类时间片等技术降低了虚拟机的响应延时,同时基于多处理器架构重新设计了负载均衡策略,优化了虚拟CPU迁移.FLMS通用于目前主流的虚拟化方案,在软件虚拟化方式下相比于最新的优化方案延时降低了30%,带宽有10%的提升;在使用硬件辅助虚拟化的系统中,通过FLMS能够获得接近原生系统的I/O性能,并且保证了整个系统的公平性.     

基于单根I/O虚拟化的密码设备中断频率优化方法

针对虚拟化环境下中断频率过大影响密码设备密码运算性能的问题,提出了一种降低中断频率的性能优化方法。首先建立了中断频率控制模型,通过实验验证了该模型的合理性和正确性;然后基于单根I/O虚拟化,在虚拟功能驱动层加入速度监测模块来实时监测加密速度的变化,并且当该模块监测到加密速度降低时自动调整虚拟功能中断频率上限,降低由中断频率过大带来的I/O传输消耗。实验结果表明,中断频率上限的调整显著提高了I/O密集型加密过程的加密速度。     

异构多核系统中编译器指导的I/O代理技术

在异构多核系统中,精简设计的从处理器核无法运行操作系统,且不支持终端打印和读写文件等常用I/O操作。为此,提出编译器指导、主处理器代理执行的I/O操作技术,采用信息交互、中断处理等方法,实现聚合代理并优化从处理器代码中的I/O操作功能。实验证明,编译器指导的I/O代理性能比系统级I/O代理高5倍以上。     

基于硬件队列扩展的网卡虚拟化方案

多核架构的虚拟平台对偏重于I/O访问的应用普遍存在虚拟化性能开销大的问题。为此,提出一种基于驱动域的网卡虚拟化方案。通过具有独立中断的硬件队列对网卡进行硬件扩展,减少网卡I/O访问中虚拟机监控器的参与,提高访问效率。测试结果表明,在消息长度达到1 024 Byte时,使用虚拟接口的时延仅比非虚拟化环境高10%。     

龙芯3号处理器多核虚拟化技术

MIPS 处理器是精简指令集（RISC）处理器中的一个重要代表,通常应用于嵌入式系统中.近年来,随着MIPS处理器性能的大幅度提升,其应用渐渐扩展到了高性能服务器领域.龙芯3号处理器是MIPS架构的典型代表.在目前的服务器研究领域中,多核技术是一项重要的技术指标,而虚拟化技术是另一项重要的技术指标.当前,虽然虚拟化技术得到了快速发展,但是龙芯3号处理器上的虚拟化技术却鲜有成果.基于龙芯3号处理器的多核虚拟化技术面临许多问题,虚拟多核架构结构复杂、核间通信方式难以模拟等都会为龙芯3号处理器上的多核虚拟化带来困难.分析了多核龙芯3号处理器的硬件结构以及物理多核的核间中断通信方式,在此基础上介绍了龙芯3号处理器上多核虚拟化关键技术.主要在多核处理器虚拟化总体架构设计、虚拟多核结构设计以及虚拟多核的核间通信方式等方面进行了讨论.实验的结果表明,在龙芯3号处理器上,该多核虚拟化方法具有良好的效果.     

基于微内核的虚拟机I/O安全机制

NOVA等微内核虚拟化架构解决了宏内核平台可信计算基体积和攻击面过大的问题, 但其仍缺乏虚拟机分等级保护和I/O资源访问控制等安全机制. 本文提出了安全域的概念, 并将虚拟机划分至不同的安全域, 进而建立可定制的I/O资源访问控制机制. 通过将访问控制模块添加至I/O资源访问的关键代码路径, 实现了不同安全域的I/O资源访问控制. 实验表明, 该机制提高了数据的隔离性与安全性, 仅对计算密集型、I/O密集型任务造成了较小的性能损耗.     

虚拟网络存储空间划分与抽象技术研究

虚拟网络存储正在成为存储领域研究的热点，然而现有的虚拟化技术大多缺乏具体有效的空间划分与抽象技术。本文在分析网络存储特点的基础上，提出了网络存储的总体抽象拓扑结构模型，给出了一种虚拟网络存储空间的划分与映射方式，并研究了客户端和服务器端的虚拟I／O重定向技术，最后探讨了虚拟存储服务器的性能模型。     

基于Xen的虚拟磁盘调度算法改进

Xen目前所采用的I/O调度算法能够较好的保证公平性;但在实际应用中,不同的虚拟机可能有不同的性能需求。该文研究了Xen虚拟存储的实现和I/O调度算法的原理,提出了基于反馈的动态优先级调度策略,通过对比测试验证了磁盘带宽在不同虚拟机之间的按需分配。     

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。