【KVM系列04】KVM的I/O 设备直接分配和SR-IOV
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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?第四章 I/O 設(shè)備直接分配和 SR-IOV?
1. PCI/PCI-E 設(shè)備直接分配給虛機 （PCI Pass-through）
1.1 PCI/PCIe Pass-through 原理
1.2 在 RedHat Linux 6 上使用 virt-manger 分配一個光纖卡給虛機
1.3 在 RedHat Linux 6 上使用 qemu-kvm 分配一個光纖卡給虛機
1.4 設(shè)備直接分配讓客戶機的優(yōu)勢和不足
2. SR-IOV 設(shè)備分配
2.1 原理
2.2 SR-IOV 的條件
2.3 分配 SR-IOV 設(shè)備的步驟
2.4 優(yōu)勢和不足
3. 各種設(shè)備虛擬化方式的比較
3.1 架構(gòu)上的比較（以網(wǎng)卡為例）
3.2 性能上的比較 （以網(wǎng)卡為例）
3.3??Virtio 和 Pass-Through 的詳細比較
?4. 綜合結(jié)論
【KVM系列文章】https://blog.csdn.net/baidu_37107022/article/details/88812463
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本文將分析 PCI/PCIe 設(shè)備直接分配（Pass-through）和 SR-IOV， 以及三種 I/O 虛擬化方式的比較。
1. PCI/PCI-E 設(shè)備直接分配給虛機 （PCI Pass-through）
設(shè)備直接分配 （Device assignment）也稱為 Device Pass-Through。
先簡單看看PCI 和 PCI-E 的區(qū)別（AMD CPU）：
（簡單點看，PCI 卡的性能沒有 PCI-E 高，因為 PCI-E 是直接連在 IOMMU 上，而 PCI 卡是連在一個 IO Hub 上。）
主要的 PCI 設(shè)備類型：
- Network?cards?(wired?or?wireless)
- SCSI?adapters
- Bus?controllers:?USB,?PCMCIA,?I2C,?FireWire,?IDE
- Graphics?and?video?cards
- Sound?cards
1.1 PCI/PCIe Pass-through 原理
這種方式，允許將宿主機中的物理 PCI 設(shè)備直接分配給客戶機使用。較新的x86平臺已經(jīng)支持這種類型，Intel 定義的 I/O 虛擬化技術(shù)成為 VT-d，AMD 的稱為 AMD-V。KVM 支持客戶機以獨占方式訪問這個宿主機的 PCI/PCI-E 設(shè)備。通過硬件支持的 VT-d 技術(shù)將設(shè)備分給客戶機后，在客戶機看來，設(shè)備是物理上連接在PCI或者PCI-E總線上的，客戶機對該設(shè)備的I/O交互操作和實際的物理設(shè)備操作完全一樣，不需要或者很少需要 KVM 的參與。運行在 VT-d 平臺上的 QEMU/KVM，可以分配網(wǎng)卡、磁盤控制器、USB控制器、VGA 顯卡等設(shè)備供客戶機直接使用。
幾乎所有的 PCI 和 PCI-E 設(shè)備都支持直接分配，除了顯卡以外（顯卡的特殊性在這里）。PCI Pass-through 需要硬件平臺?Intel VT-d 或者?AMD IOMMU 的支持。這些特性必須在 BIOS 中被啟用。Red Hat Enterprise Linux 6.0 及以上版本支持熱插拔的 PCI 設(shè)備直接分配到虛擬機。
網(wǎng)卡直接分配：
硬盤直接分配：
- 一般?SATA 或者 SAS 等類型的硬盤的控制器都是直接接入到 PCI 或者 ?PCI-E 總線的，所以也可以將硬盤作為普通的PCI設(shè)備直接分配個客戶機。需要注意的是，當(dāng)分配硬盤時，實際上將其控制器作為一個整體分配到客戶機中，因此需要在硬件平臺上至少有另兩個或者多個SATA或者 SAS控制器。?
1.2 在 RedHat Linux 6 上使用 virt-manger 分配一個光纖卡給虛機
準備工作：
（1）在 BIOS 中打開?Intel VT-d?
（2）在 Linux 內(nèi)核中啟用 PCI Pass-through
添加?intel_iommu=on 到?/boot/grub/grub.conf 文件中。（在我的 RedHat Linux 6上，該文件是 /boot/grub.conf）
（3）重啟系統(tǒng)，使得配置生效
實際分配：
（1）使用 lspci -nn 命令找到待分配的 PCI 設(shè)備。這里以一個 FC 卡為例：
使用 lspci 命令得到的 PCI 數(shù)字的含義，以后使用 libvirt API 分配設(shè)備時會用到：
（2）使用 virsh nodedev-list 命令找到該設(shè)備的 PCI 編號
（3）將設(shè)備從主機上解除
（4）使用 virt-manager 將設(shè)備直接分配給一個啟動了的虛擬機
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（5）添加好了后的效果
（6）在虛機中查看該PCI設(shè)備
（7）不再使用的話，需要在 virt-manager 中首先將該設(shè)備移除，然后在主機上重新掛載該設(shè)備
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1.3 在 RedHat Linux 6 上使用 qemu-kvm 分配一個光纖卡給虛機
除了步驟（4），其他步驟同上面。
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1.4 設(shè)備直接分配讓客戶機的優(yōu)勢和不足
- 好處：在執(zhí)行 I/O 操作時大量減少甚至避免 VM-Exit 陷入到 Hypervisor 中，極大地提高了性能，可以達到幾乎和原生系統(tǒng)一樣的性能。VT-d 克服了?virtio 兼容性不好和 CPU 使用頻率較高的問題。
- 不足：（1）一臺服務(wù)器主板上的空間比較有限，因此允許添加的 PCI 和 PCI-E 設(shè)備是有限的。大量使用?VT-d 獨立分配設(shè)備給客戶機，讓硬件設(shè)備數(shù)量增加，這會增加硬件投資成本。（2）對于使用 VT-d 直接分配了設(shè)備的客戶機，其動態(tài)遷移功能將受限，不過也可以使用熱插拔或者libvirt 工具等方式來緩解這個問題。
- 不足的解決方案：（1）在一臺物理宿主機上，僅少數(shù) I/O 如網(wǎng)絡(luò)性能要求較高的客戶機使用 VT-d直接分配設(shè)備，其他的使用純模擬或者 virtio 已達到多個客戶機共享同一個設(shè)備的目的 （2）對于網(wǎng)絡(luò)I/O的解決辦法，可以選擇 SR-IOV 是一個網(wǎng)卡產(chǎn)生多個獨立的虛擬網(wǎng)卡，將每個虛擬網(wǎng)卡分配個一個客戶機使用。
2. SR-IOV 設(shè)備分配
2.1 原理
? ? VT-d 的性能非常好，但是它的物理設(shè)備只能分配給一個客戶機使用。為了實現(xiàn)多個虛機共享一個物理設(shè)備，并且達到直接分配的目的，PCI-SIG 組織發(fā)布了 SR-IOV （Single Root I/O Virtualization and?sharing） 規(guī)范，它定義了一個標(biāo)準化的機制用以原生地支持實現(xiàn)多個客戶機共享一個設(shè)備。不過，目前 SR-IOV （單根 I/O 虛擬化）最廣泛地應(yīng)用還是網(wǎng)卡上。?
SR-IOV 使得一個單一的功能單元（比如，一個以太網(wǎng)端口）能看起來像多個獨立的物理設(shè)備。一個帶有 SR-IOV 功能的物理設(shè)備能被配置為多個功能單元。SR-IOV 使用兩種功能（function）：
- 物理功能（Physical Functions，PF）：這是完整的帶有 SR-IOV 能力的PCIe 設(shè)備。PF 能像普通 PCI 設(shè)備那樣被發(fā)現(xiàn)、管理和配置。
- 虛擬功能（Virtual Functions，VF）：簡單的 PCIe 功能，它只能處理I/O。每個 VF 都是從 PF 中分離出來的。每個物理硬件都有一個 VF 數(shù)目的限制。一個 PF，能被虛擬成多個 VF 用于分配給多個虛擬機。
Hypervisor 能將一個或者多個 VF 分配給一個虛機。在某一時刻，一個 VF 只能被分配給一個虛機。一個虛機可以擁有多個 VF。在虛機的操作系統(tǒng)看來，一個 VF 網(wǎng)卡看起來和一個普通網(wǎng)卡沒有區(qū)別。SR-IOV 驅(qū)動是在內(nèi)核中實現(xiàn)的。
網(wǎng)卡 SR-IOV 的例子：
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光纖卡 SR-IOV 的例子：
2.2 SR-IOV 的條件
?RedHat Linux 6.0 官方只完整測試了下面的幾款 SR-IOV 網(wǎng)卡：
- Intel? 82576NS Gigabit Ethernet Controller (?igb?驅(qū)動)
- Intel? 82576EB Gigabit Ethernet Controller (?igb?驅(qū)動)
- Intel? 82599ES 10 Gigabit Ethernet Controller (?ixgbe?驅(qū)動)
- Intel? 82599EB 10 Gigabit Ethernet Controller (?ixgbe?驅(qū)動)
2.3 分配 SR-IOV 設(shè)備的步驟
手頭沒有支持SR-IOV的設(shè)備。這是 RedHat 上 SR-IOV 的配置步驟：?Using SR-IOV。
簡單來說，SR-IOV 分配步驟和設(shè)備直接分配相比基本類似，除了要使 PF 虛擬化成多個 VF 以外。
2.4 優(yōu)勢和不足
| 優(yōu)勢 | 不足 |
| | |
3. 各種設(shè)備虛擬化方式的比較
3.1 架構(gòu)上的比較（以網(wǎng)卡為例）
3.2 性能上的比較 （以網(wǎng)卡為例）
純模擬網(wǎng)卡和物理網(wǎng)卡的比較：
（來源：Evaluating and Optimizing I/O Virtualization in Kernel-based Virtual Machine (KVM), Binbin Zhang, Xiaolin Wang, Rongfeng Lai, Liang Yang, Zhenlin Wang,Yingwei Luo, Xiaoming Li）
（測試環(huán)境：兩臺物理服務(wù)器 HostA 和 HostB，都使用GB以太網(wǎng)。HostA 使用?82566DC 網(wǎng)卡，HostB 使用?82567LM-2 網(wǎng)卡，一臺虛機運行在 HostB 上，使用 KVM-76.）
結(jié)論：
- 純模擬網(wǎng)卡的性能只有物理網(wǎng)卡的四成到六成
- 純模擬網(wǎng)卡的 UDP 性能比 TCP 性能高 50% 到 100%
- 在虛擬網(wǎng)卡上使用 NAPI，不但不會提高性能，反而會是性能下降
- e1000 的性能比 rt18139 的性能高不少（為什么 RedHat Linux KVM 上默認的網(wǎng)卡是 rt18139 呢？）
Virtio 和 vhost_net 的吞吐量比較：
- 來源：CANONICAL, KVM Performance Optimization, Paul Sim,Cloud Consultant, paul.sim@canonical.com
- 結(jié)論： vhost_net 比 virtio 的 UDP 和 TCP 性能高 20% 左右。
RedHat Linux 6 上 virtio，vhost_net，SR-IOV 和物理設(shè)備網(wǎng)絡(luò)延遲的比較：
（來源：RedHat 官網(wǎng)）
RedHat Linux 6 上 virtio 和 vhost_net 所消耗的主機CPU資源的比較：
（來源同上）
使用 virtio 的 KVM 與物理機的 TCP 吞吐量對比：
（數(shù)據(jù)來源：RedHat 官網(wǎng)）
物理機與使用 SR-IOV 的 KVM 的網(wǎng)絡(luò)性能對比：
（來源：同上）
物理機與使用 Pass-through 的KVM?的 TCP 性能對比：
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（資料來源：Open Source Virtualization: KVM and Linux, Chris Wright, Principal Software Engineer, Red Hat,September 4, 2009）
3.3??Virtio 和 Pass-Through 的詳細比較
（來源：Reconnaissance of Virtio: What’s new?and how it’s all connected? by?Mario Smarduch）
?4. 綜合結(jié)論
KVM 依賴的Intel/AMD 處理器的各種虛擬化擴展：
| 處理器 | CPU 虛擬化 | 內(nèi)存虛擬化 | PCI Pass-through |
| Intel | VT-x | VPID，EPT | VT-d |
| AMD | AMD-V | ASID，NPT | IOMMU |
I/O 虛擬化方案的選擇：
- I/O設(shè)備盡量使用準虛擬化（virtio 和 vhost_net）
- 如果需要實時遷移，不能使用 SR-IOV
- 對更高I/O要求又不需要實時遷移的，可以使用 SR-IOV
- 每種方案都有優(yōu)勢和不足，在特定環(huán)境下其性能有可能反而下降，因此在生產(chǎn)環(huán)境中使用各種虛擬化方式前需要經(jīng)過完整測試
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的【KVM系列04】KVM的I/O 设备直接分配和SR-IOV的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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