苏宁私有云SR-IOV虚拟网络性能优化

怼烎@ 2022-04-24 00:18 907阅读 0赞

### 1.\\tSR-IOV介绍 ###

SR-IOV 技术是一种基于硬件的虚拟化解决方案，可提高网络性能和可伸缩性。SR-IOV 标准允许在虚拟机之间高效共享 PCIe（Peripheral Component Interconnect Express，快速外设组件互连）设备，并且它是在硬件中实现的，可以获得能够与本机性能媲美的 I/O 性能。SR-IOV 规范定义了新的标准，根据该标准，创建的新设备可允许将虚拟机直接连接到 I/O 设备。

单个 I/O 资源可由许多虚拟机共享。共享的设备将提供专用的资源，并且还使用共享的通用资源。这样，每个虚拟机都可访问唯一的资源。因此，启用了 SR-IOV 并且具有适当的硬件和 OS 支持的 PCIe 设备（例如以太网端口）可以显示为多个单独的物理设备，每个都具有自己的 PCIe 配置空间。

下图展示了针对 PCIe 硬件的 SR-IOV 技术体系示意图。

![\\"image\\"][image]

图1 SR-IOV技术体系架构

支持SR-IOV的网卡主要功能模块分为：

*  物理功能 (Physical Function, PF)  
    支持SR-IOV 的管理。可以创建VF，对于网卡，理论上可以创建256个VF。一般情况下， 千兆网卡能支持达7个VF， 万兆网卡能支持达63个VF。
 *  虚拟功能 (Virtual Function, VF)  
    VF可以理解为一个虚拟网卡，拥有独立内存空间、中断和Direct Memory Access (DMA)流。VF是PF虚拟出的一个实例，以一个独立的网卡形式展现。VF 是一种轻量级 PCIe 功能，可以与PF以及其创建的所有VF 共享一个或多个物理资源。
 *  交换功能(Layer 2 Classifier/Sorter switch)  
    这个交换机其实是物理网卡内置的。流量进入物理网卡后，经过这个交换机然后分发到不同的VF上。

使用SR-IOV技术的主要优点是：

*  提高虚拟机包转发效率
 *  减少报文在主机内部的传输延时以及延时抖动

由于绕过了主机的协议栈以及VMM（Virtual Machine Manager），减少了主机在网络报文收发中的资源消耗  
同时，由于SR-IOV技术使虚拟机通过PCI-passthrough的方式直接使用VF，绕过了主机的内核协议栈以及VMM，故存在以下局限：

*  Host无法监控VF的状态
 *  安全组无法应用
 *  虚拟机热迁移无法实现，迁移的支持能力不够灵活
 *  对HA的支持不太高
 *  sriov不支持vxlan

### 2.\\tSR-IOV性能 ###

本测试对比测试万兆网络中SRIOV虚拟机和OVS虚拟机在网络负载较高情况下的虚拟网络表现，总结分析，同时为以后SRIOV虚拟机和其它类型的虚拟机做对比给出参考。

#### 2.1\\t测试性能指标 ####

主要对以下几个网络性能指标进行测试：

1.  负载（OfferedLoad）：网络流量负荷百分比，当前流量占端口速率的比例（百分比）
2.  包速（Frame Per-second）：数据包每秒的收/发个数
3.  平均时延（Average Latency）：数据包传输的平均延迟（毫秒，ms）

#### 2.2\\t测试拓扑图 ####

SR-IOV测试环境网络拓扑：

![\\"image\\"][image 1]

Openvswitch测试环境网络拓扑：

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#### 2.3\\t测试结果 ####

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可以看出SR-IOV各方面性能都要优于Openvswitch。

### 3.\\tSR-IOV高可用方案 ###

因为采用SR-IOV，虚拟机流量不经过宿主机操作系统，所以不能在宿主机操作系统层面做高可用，必须在虚拟机内部做高可用。SR-IOV高可用方案如下图：

![\\"image\\"][image 11]

（1）\\tvm挂载不同pf的vf，在vm内部配置网卡bond，可以根据需求选择balance-rr、active-backup或者balance-xor策略。

（2）\\tvm挂载的vf的mac地址必须设置成一样。这样在虚拟机配置网卡bond的情况下，仍然可以使用vf的mac spoofing check功能。

（3）\\tpf配置lacp bond，交换机侧配置动态链路聚合，实现聚合带宽的动态调整。

### 4.\\tOpenStack创建SR-IOV虚拟机过程 ###

Openstack默认不支持SR-IOV的高可用，neutron中一个逻辑的port对应一个vf口。所以我们需要对openstack进行改造，总体思路是，通过在调用Neutron Create Port的api时候，对Port打上bond标签，Nova 在创建虚机的时候通过读取到对应port的bond标签，为该port分配两个VF口，并且在分配VF口的pci资源的时候，默认的把两个vf分配在不同的pf上。对应在port的binding:profile上需要展示使用的两个vf口的pci信息。

#### 4.1\\t调用neutron api创建sriov的port ####

调用neutron接口创建sriov port，在profile中对Port打上bond标签，这里无需赘述。命令如下：

neutron port-create --binding:vnic_type=direct --binding:profile type=dict bond=true

#### 4.2\\t调用nova api创建虚拟机 ####

入口为nova/api/openstack/compute/servers的create方法，检查一系列参数和policy，然后调用compute\_api的create方法:

![\\"image\\"][image 12]

compute\_api是nova/compute/api.py模块，在该文件中找到create方法，该方法接着调用\_create\_instance方法，在\_create\_instance方法中调用\_validate\_and\_build\_base\_options方法对所有的输入参数和策略做检查，并且封装pci请求。封装pci请求的方法是nova/network/neutronv2/api.py的create\_pci\_requests\_for\_sriov\_ports方法，该方法会先调用neutron api获取port的vnic\_type、phynet\_name、bond属性，根据bond属性确定vf的数量（bond为true，vf的数量是2，否则vf数量是1）。

![\\"image\\"][image 13]

返回到nova/compute/api.py的\_create\_instance方法，该方法接着调用compute\_task\_api的schedule\_and\_build\_instances方法:

![\\"image\\"][image 14]

compute\_task\_api是nova/conductor/api.py模块。这里没有执行什么操作，直接调用了conductor\_compute\_rpcapi的schedule\_and\_build\_instances方法:

![\\"image\\"][image 15]

该方法远程过程调用api，即nova/conductor/rpcapi.py模块，该方法会对版本进行检查，然后调用RPC:

![\\"image\\"][image 16]

cast表示异步调用，schedule\_and\_build\_instances是远程调用的方法，kw是传递的参数。现在nova-api任务完成，此时会响应用户请求，虚拟机状态为building。

#### 4.3\\tnova conductor ####

nova-api向nova-conductor发起RPC调用，进程跳到nova-conductor服务，入口为nova/conductor/manager.py的schedule\_and\_build\_instances方法，该方法首先调用了\_schedule\_instances方法，在\_schedule\_instances方法中调用了scheduler\_client的select\_destinations方法:

![\\"image\\"][image 17]

这个方法最终调用到nova/scheduler/client/query.py下的select\_destinations方法，执行RPC的调用。

![\\"image\\"][image 18]

RPC封装同样是在scheduler的rpcapi中实现。该方法RPC调用代码如下:

![\\"image\\"][image 19]

Call表示同步调用，此时nova-conductor并不会退出，而是堵塞等待直到nova-scheduler返回。因此当前状态为nova-conductor为blocked状态，等待nova-scheduler返回，nova-scheduler接管任务。

#### 4.4\\tnova scheduler ####

nova scheduler中入口为nova/scheduler/manager.py模块的select\_destinations方法，该方法会调用driver的select\_destinations方法，这里的driver是调度算法实现，通过filters过滤掉不满足条件的计算节点，剩下的节点通过weigh方法计算权值，最后选择权值高的作为候选计算节点返回。最后nova-scheduler返回调度结果的hosts集合，任务结束，返回到nova-conductor服务。

nova/scheduler/manager.py

![\\"image\\"][image 20]

nova/scheduler/driver.py

![\\"image\\"][image 21]

nova/scheduler/filter\_scheduler.py

![\\"image\\"][image 22]

#### 4.5\\tnova condutor ####

回到nova-conductor的schedule\_and\_build\_instances方法，nova-conductor等待nova-scheduler返回后，拿到调度的计算节点列表。因为可能同时启动多个虚拟机，因此循环调用了compute\_rpcapi的build\_and\_run\_instance方法。

![\\"image\\"][image 23]

Compute\_rpcpai位于nova/compute/rpcapi模块，该方法向nova-compute发起RPC请求：

![\\"image\\"][image 24]

发起的是异步RPC，因此nova-conductor任务结束，进入nova-compute服务。

#### 4.6\\tnova compute ####

入口是nova/compute/manager.py的build\_and\_run\_instance方法，该方法会调用\_do\_build\_and\_run\_instance方法，该方法会更新虚拟机状态，然后调用\_build\_and\_run\_instance方法，该方法会预先声明占用计算节点的资源。

![\\"image\\"][image 25]

其中在instance\_claim方法中会处理pci的请求，instance\_claim→claim\_instance（nova/pci/manager.py）→\_claim\_instance →consume\_requests（nova/pci/stats.py）,在nova/pci/stats.py中会根据不同的网卡把pci资源分为不同的pool。

![\\"image\\"][image 26]

在consume\_requests方法中会具体分配pci资源也就是vf，

![\\"image\\"][image 27]

先根据剩余可用的vf的数量将pool进行排序，如果port的bond属性为false，则count数量为1，则从可用vf数量最多的pool中分配一个vf，这样使不同网卡的负载尽量均衡。如果port的bond属性为true，则count数量为2，则从两个pool中各分配一个vf，达到高可用的目的。  
回到nova/compute/manager.py的build\_and\_run\_instance方法，这个方法接下来会调用spawn\_n方法，开始真正创建虚拟机。这里不同的虚拟机技术对应不同的driver，其中libvrit的driver对应nova/virt/libvirt/driver.py。从spawn方法开始，会先获取instance的磁盘、镜像、网络等信息，然后生成instance的xml文件。

![\\"image\\"][image 28]

在\_get\_guest\_xml方法中会调用\_get\_guest\_config方法，其中sriov网卡的部分如下：

![\\"image\\"][image 29]

这里如果port的bond为true，则会将两块网卡的信息写入xml文件中。

回到spawn方法，接下来会调用\_create\_domain\_and\_network方法，该方法会调用plug\_vifs方法创建qbr和qvo，接着创建虚拟机，虚拟机状态为pause。然后等待neutron-server的消息，如果等到消息后将虚拟机状态改为running，否则超时没有等到，则将虚拟机销毁。

![\\"image\\"][image 30]

#### 4.7\\tneutron sriov agent ####

在neutron/plugins/ml2/drivers/mech\_sriov/agent/sriov\_nic\_agent.py中daemon\_loop方法会定时检测vf的状态变化，如果有vf发生变化，进入process\_network\_devices方法，在该方法中，会根据vf的状态是添加更改删除做不同的处理。

![\\"image\\"][image 31]

其中在treat\_devices\_added\_updated方法中，如果port的bond为true，需要更新两个vf的状态：

![\\"image\\"][image 32]

然后会调用rpc，通知neutron-server更新状态。

![\\"image\\"][image 33]

这里是同步调用，neutron-server接收到消息后，会向nova发送更新port的消息，接着nova compute会resume状态是pause的虚拟机。

至此，带有sriov高可用网卡的虚拟机创建完成。

**作者**

李伟杰，苏宁云网络架构师，长期从事云计算的研发工作，在云计算虚拟网络和SDN网络方面有专业的研究，现在负责苏宁云虚拟网络产品设计及研发。

陈玮，苏宁云高级研发工程师，有多年云计算网络研发经验，现在负责苏宁云网络产品的研发。

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