四种主要网络IO虚拟化模型详解

作者:课课家教育更新于： 2017-07-14 16:59:59

　　欢迎各位阅读本篇,Vmware(中文名威睿)是全球桌面到数据中心虚拟化解决方案的领导厂商，它提供云计算和硬件虚拟化的软件和服务。本文主要为大家简要介绍VMware、Redhat、Citrix、Microsoft主要虚拟化厂商使用的4种主要的虚拟化IO模型(emulation、para-virtualization、pass-through、SR-IOV)。课课家教育平台提醒各位：本篇文章纯干货~因此大家一定要认真阅读本篇文章哦!

　　本文主要为大家穿针引线，信息量比较大，组织排版有限，看官们将就点看着。

　　网络I/O不但是物理服务器最容易出现的瓶颈，也是现在虚拟化技术最大的硬伤。随着硬件虚拟化对网络I/O的支持，虚拟化的网络I/O模型也不断的进化，虚拟化的I/O性能也不断提升。

　　今天给大家分享VMware、Redhat、Citrix、Microsoft主流虚拟化解决方案采用的4种主流网络I/O模型，主要包括模型原理、模型优点、模型缺点、模型对虚拟化迁移的支持。

　　这4个主流网络I/O模型分别是：

　　1、Emulation

　　原理：仿真(emulation)是一个完全通过软件程序来模拟硬件的技术。早期虚拟化都才采用这种方案来虚拟网络设备。常见仿真软件有QEMU、VMware WorkStation、VirtualBox。Emulation网络模型图如下：

　　不同虚拟化厂商的虚拟网卡产品都不尽相同。

　　VMware Emulation类型网卡有：E1000(仿真intel 82545M千兆网卡)、Flexible、Vlance(仿真AMC 79C970 PCnet32 LANCE 10M网卡)、VMXNET(VMXNET一共有3个版本，分别是VMXNET、VMXNET2、VMXNET3;暂时没有找到VMware的明确资料对这三个版本进行分类。个人暂把VMXNET定为emulation、VMXNET2和VMXNET3定义为para-virtualization类型。 VMXNET3也支持部分SR-IOV功能)。

　　Redhat的KVM和Citrix的XEN这类型网卡都是采用QEMU实现，在KVM和XEN上面可用的emulation网卡有：RTL8139(仿真RealTek Link 8139 100M网卡)、E1000(仿真intel 82545M千兆网卡)。

　　Microsoft Hyper-V Emulation类型网卡有：Intel/DEC 21140 100M网卡

　　优点：软件模拟不需要硬件支持，通过CPU计算来模拟，跟宿主机物理网卡隔离，没有平台要求。

　　虚拟机操作系统不需要修改，模拟的都是常见网卡(比如：Intel E1000、RTL8139等)，主流操作系统都已经自带这些驱动，因此默认情况下虚拟机不需要再安装驱动。

　　缺点：CPU资源消耗大，尤其当虚拟机数量多的时候。网卡性能一般，由于是软件模拟，只能模拟常见的、功能比较简单的网卡。

　　虚拟机迁移支持：

　　剥离了硬件要求，使用这类型可迁移性强。由于XEN和KVM都是使用qemu仿真，所以这类型虚拟机在XEN和KVM之间混合迁移实现难度也不大。

　　2、para-virtualization

　　原理：Para-virtualization又称半虚拟化，最早由Citrix的Xen提出使用。在半虚拟化模型中，物理硬件资源统一由 Hypervisor管理，由Hypervisor提供资源调用接口。虚拟子机通过特定的调用接口与Hypervisor通信，然后完整I/O资源控制操作。Para-virtualization模型图如下：

　　Para-virtualization又称半虚拟化，最开始由XEN提出的，XEN本身就是从虚拟化起家的。Para- virtualization模型下，虚拟子机的网卡驱动只能有Hypervisor厂商来开发，Redhat、VMware、Citrix、 Microsoft这几大虚拟厂商都有各自的para-virtualization驱动。比如Redhat的KVM就叫virtio，VMware的有 VMXNET2、VMXNET 3，Citrix的XEN叫xen-pv，Mircrosoft暂时没有找到(欢迎朋友们补充)。

　　优点：个人认为是一种改进版的emulation模型，但是由于子机和Hypervisor之间通信，性能比emulation要很多。

　　缺点：需要修改虚拟子机操作系统内核，添加不同Hypervisor厂商的网络驱动。比如Linux(Redhat和Novell)就在发行版里面 添加了Mircosoft的para-virtualizaiton网络驱动，同样Microsoft也在自己发行版里面添加对KVM的virtio和 xen-pv驱动支持。

　　虚拟机迁移支持：虽然不同虚拟化厂商的para-virtualization方案都不相同，由于主流操作系统都同时提供对这些方案的支持;所以这类型虚拟子机可迁移性也比较容易实现。

　　3、pass-through

　　原理：Hypervisor将一个PCI设备(可以是网卡、USB、光驱)直接分配给指定虚拟子机单独访问。为了安全和稳定性考虑，pass-through使用通常结合intel VT-D(AMD也有类似技术)来使用，通过iommu保证虚拟子机之间内存访问不冲突。这种技术在VMware上叫VMDirectPath I/O，其他方案中没有找到相关专门名词。

　　优点：性能好。单独PCI设备分配给虚拟子机，虚拟子机直接跟物理设备通信。

　　缺点：设备只能被一个虚拟子机使用，配置也比较复杂，首先需要在hypervisor将指定设备通过PCI id方式分配给指定虚拟子机，然后虚拟子机识别到设备再安装驱动来使用。

　　迁移性：迁移性方面待研究，有兴趣的朋友可以补充完善。

　　4、SR-IOV

　　背景：pass-through模型让虚拟子机直接使用物理设备，这样使得虚拟子机的网络性能达到最优。SR-IOV主要用来解决pass- through只能被一台虚拟子机访问的问题。SR-IOV标准由PCI-SIG，这个标准实现需要CPU、芯片组和PCI设备(主要是网卡等I/O资 源)协同在硬件层面实现，SR-IOV被很多人认为是解决了虚拟化最后一公里的问题。模型图如下：

　　原理：SR-IOV需要网卡硬件支持，支持SR-IOV功能的网卡可以在Hypervior里面注册成多个网卡(每个网卡都独立的中断ID、收发队列、QOS管理机制)。每个设备可以通过pass-through方式分配给虚拟子机。

　　产品：常见就是基于intel 82599和82598芯片组的10Gb网卡。VMware、Redhat、Citrix和Microsoft都已经或者正在Hypervisor里面添加这个功能的支持。

　　优点：优点不用说，X86虚拟化最新的IO虚拟化模型;虚拟机不但性能好，而且结合硬件功能，为虚拟机IO管理提出了一个新方案。

　　缺点：待定

　　迁移性：SR-IOV同时需要硬件和软件两个层面支持，虚拟子机在相同网卡主机之间迁移时理论上不会有问题。具体还要看虚拟化厂商实现。

　　分享：VMware

　　VMware云操作系统旨在提供高效和简化的计算模式，作为一种新型的软件，VMware云操作系统经过特别的设计，可以把包括处理器、存储和网络在内的大量虚拟化基础架构组件作为无缝、灵活和动态的操作环境进行管理。戴尔、英特尔和VMware三家企业的协作使这种无缝状态变为现实。

　　共同开发流程造就了自动化、智能和实时的管理工具，例如以Symantec的Altiris技术为后盾的戴尔管理控制台(Dell ManagementConsole)、戴尔EqualLogicPS Group Manager和VMware vCenter(TM)软件，这些工具能显著简化对虚拟化环境那个和内部云的管理。此外，紧密的工程合作关系已经在包括VMware vStorage 集成在内的基础架构多个层面上造就了出众的集成。

　　VMware云操作系统管理数据中心复杂性所采取的方式，与标准操作系统管理单个服务器复杂性的方法是一样的。借助云操作系统，运行基于英特尔至强 5500系列处理器的戴尔PowerEdge服务器的企业IT部门，可使应用获得高水平的可用性、安全性和性能，从而能够自动化地管理应用达到预定义的服务等级协议(SLA)。

　　此功能有助于公司经济高效地满足SLA规格的要求，只需要最少的维护投入。

　　云计算系统还使企业能够在高度统一、可靠和高效的基础架构上运行应用，构成该基础架构的行业标准组件经过专门设计，易于更换。此外，通过将具有相同服务等级期望的应用移入或移出计算云，IT部门能够有助于降低总体拥有成本并提升运营效率。VMware vSphere 4经过优化，可运行在由基于英特尔至强处理器的PowerEdge服务器构建的云上。通过将这些平台整合到数据中心以创建无缝的虚拟化基础架构，企业可从把经过验证的虚拟化平台作为内部云和外部云基础的作法中收益。

　　多方合作和标准化使IT专业人士能够创建安全的私有云，并提供高层次的可用性、可靠性、可伸缩性和安全性。(如需了解某组织如何使用vSphere 4来帮助自己简化备份和恢复的详情，通过实现业务服务的高效交付，云模式还有助于显著减少资本费用和运营费用。此外，vSphere 4和虚拟优化的戴尔硬件强强联合，使IT部门能够灵活选择与工作负载最相配的硬件、操作系统、应用程序栈和服务提供商。

　　Redhat

　　红帽的商业模式，简单的说就是红帽将开源社区项目产品化，使普通企业客户更容易消费 开源创新技术的一种方法。 从用户角度来看，不同的投资预算与研发能力的企业都可以通过红帽获得开源软件的价值。

　　Citrix Systems

　　Citrix Systems为实现全球接入架构解决方案提供优秀的软件与服务，并在该领域内居全球领导地位，其解决方案能够让客户在任何时间、任何地点、在任何设备上，通过任何形式的网络连接，高效获取各种应用、信息及通讯。

　　小结：您可以不采纳我的答案，但请您一定要考虑下我的建议哦! 文章中不足及错误之处在所难免，敬请专家和读者给予批评指正。当然如果大家还想了解更多方面的详细内容的话呢，不妨关注课课家教育平台，在这个学习知识的天堂中，您肯定会有意想不到的收获的!