基于Paravirtual I/O解决方案的高性能I/O虚拟化研究与优化

• 作 者: 张望
• 出 处: 上海交通大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 云计算 I/O虚拟化 虚拟对称多处理 中断重映射 KVM

作为目前云计算的核心组成与基础架构技术之一,虚拟化技术凭借其高效的资源利用及整合再分配能力,在云计算技术设施与服务中发挥着不可或缺的作用。同时,虚拟化环境下的虚拟对称多处理(Virtual Symmetric Multiprocessing)架构允许一个虚拟机持有多个虚拟CPU,虚拟CPU调度器负责为多个虚拟CPU提供公平的物理CPU分时复用机制。因此,虚拟对称多处理架构已经被广泛的应用在当前云计算基础架构中的企业级应用上。本文详细介绍并阐述了目前主流的I/O虚拟化解决方案Paravirtual I/O解决方案在虚拟对称多处理架构下的主要性能负载,并论证了硬件辅助方法和中断重映射机制是解决Paravirtual I/O解决方案性能瓶颈最直接,高效以及普适的方法。然而,本文首次提出了在Paravirtual I/O解决方案和虚拟对称多处理架构下中断重映射机制的一个新型挑战:“中断持有者抢占”(Interruptability Holder Preemption)问题。由于位于虚拟机管理软件中的虚拟CPU调度器与运行在虚拟机中的Paravirtual I/O前端网络设备的不协调性,虚拟CPU会在禁用了前端设备中断能力的情况下被调度器调离物理CPU。中断持有者抢占问题会导致中断重映射机制在Paravirtual I/O虚拟化解决方案下的失效,从而显著影响虚拟机网络I/O性能。本论文的研究内容着眼于在Paravirtual I/O虚拟化解决方案和虚拟对称多处理架构下的中断持有者抢占问题,对多核虚拟机的网络I/O性能进行了深入研究与优化。本论文首先采用硬件辅助技术实现高效的虚拟机中断递交机制,其次利用中断重映射机制确保虚拟机内部及时的中断响应性,最后提出了实现在虚拟机管理软件中的基于中断持有者信息的前摄性综合调度策略,有效避免了中断持有者抢占问题。本论文提出的优化方案最大限度地避免了Paravirtual I/O虚拟化解决方案中的性能瓶颈,大大降低了虚拟机的网络I/O处理延时,显著地提高了虚拟机的I/O性能。最后,本论文优化方案的原型实现进行了系统的实验分析及性能验证。通过使用多种网络性能基准测试程序在不同网络环境下进行评估,本文证明了本论文设计思想的原型实现在引起可忽略的微弱额外系统开销的情况下,在Netperf网络测试工具下分别能达到原生虚拟机性能和原生中断重映射机制性能的3倍和1.3倍。因此,本论文提出的网络性能优化方案能显著的提高Paravirtual I/O虚拟化解决方案下的多核虚拟机的网络I/O性能。