CN111143032A - 一种基于请求应答的半虚拟化i/o系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于请求应答的半虚拟化I/O系统，涉及虚拟化与云计算领域，包括请求应答式应用、前端驱动模块和后端驱动模块，前端驱动模块和后端驱动模块通过发送队列和接收队列进行交互，请求应答式应用产生I/O请求，前端驱动模块将I/O请求写入发送队列中，后端驱动模块对发送队列进行乐观轮询，后端驱动模块从物理网卡接收数据包。本发明引入了乐观轮询机制，结合了通知模式和轮询模式的优点，消减了VM Exit数量，减少了计算资源的浪费，从而提高了数据通路的性能。

Description

一种基于请求应答的半虚拟化I/O系统和方法
技术领域
本发明涉及虚拟化与云计算领域，尤其涉及一种基于请求应答的半虚拟化I/O系统和方法。
背景技术
I/O虚拟化是云基础设施的重要支撑技术之一。随着云数据中心网络流量的激增，I/O虚拟化的性能保证已经成为一个关键议题。总的来说，虚拟机和其I/O设备之间的通信可以分为数据通路和事件通路。前期研究，比如共享内存I/O环、零拷贝传输、DMA虚拟地址翻译等，已经使得数据通路的性能开销大大降低，目前主要的性能瓶颈在于数据通路：虚拟机监控器(Virtual Machine Monitor,VMM)的频繁干预造成大量的、昂贵的VM Exit。
从虚拟I/O设备到虚拟机的虚拟中断递交是VM Exit的主要来源之一，但对于半虚拟化I/O模型来说，虚拟机的I/O请求也会造成大量的VM Exit。半虚拟化I/O是当今最流行的I/O虚拟化模型之一，兼顾性能和灵活性，主要由两部分构成：一是位于客户机(即虚拟机)的前端(Frontend)驱动模块；二是位于宿主机(即VMM)的后端(Backend)驱动模块，通常对应一个I/O线程。对于半虚拟化网卡来说，前后端之间通过发送队列和接收队列进行交互。当虚拟机产生一个I/O请求时，前端驱动将I/O请求写入发送队列中，然后通知后端驱动，该通知会引发一次VM Exit，并由VMM调度后端I/O线程从发送队列中获取数据并传输至外界。
对于半虚拟化I/O来说，如果虚拟机产生大量的I/O请求，则会造成大量的VMExit，影响系统性能。现有的解决方案主要分为两种：第一种是使用轮询模式代替现有的通知模式，将前端驱动的通知机制关闭，后端I/O线程不断去轮询发送队列是否有数据，该方法虽然可以消除VM Exit，但在低负载(虚拟机I/O活动不频繁)时容易造成计算资源的浪费；第二种是根据虚拟机的I/O负载自动切换通知模式和轮询模式，同时攫取两种模式的优点，既能消减VM Exit数量，也尽可能减少计算资源的浪费。但是该种方案通过感知虚拟机的I/O负载来切换通知模式和轮询模式，无法预测虚拟机何时会发起I/O请求，只能通过感知已经发起的I/O请求来选择模式。
因此，本领域的技术人员致力于开发基于预测I/O请求的一种基于请求应答的半虚拟化I/O系统和方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是虚拟机产生大量的I/O请求，造成大量的VM Exit，从而影响系统性能的问题。
基本上所有的I/O请求都是请求应答式应用在收到数据包后触发的，这里收到的数据包可能是用户的建立连接请求或服务请求，发明人经分析发现，请求应答式应用的I/O请求对应发给用户的作为应答的数据包。根据这个特点，部署请求应答式应用的虚拟机的I/O请求在一定程度是可以预测的，据此本发明引入乐观轮询机制消除虚拟机I/O请求造成的VM Exit。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于请求应答的半虚拟化I/O系统和方法。
在本发明的较佳实施方式中，一种基于请求应答的半虚拟化I/O系统，包括请求应答式应用、前端驱动模块和后端驱动模块，所述前端驱动模块和所述后端驱动模块通过发送队列和接收队列进行交互，所述请求应答式应用产生I/O请求，所述前端驱动模块将所述I/O请求写入所述发送队列中，所述后端驱动模块对所述发送队列进行乐观轮询，所述后端驱动模块从物理网卡接收数据包。
可选地，在上述实施例中的基于请求应答的半虚拟化I/O系统中，所述请求应答式应用和所述前端驱动模块位于客户机。
进一步地，在上述实施例中的基于请求应答的半虚拟化I/O系统中，所述客户机为虚拟机(VM)。
可选地，在上述任一实施例中的基于请求应答的半虚拟化I/O系统中，所述后端驱动模块位于宿主机。
进一步地，在上述实施例中的基于请求应答的半虚拟化I/O系统中，所述宿主机为虚拟机监控器(VMM)。
可选地，在上述任一实施例中的基于请求应答的半虚拟化I/O系统中，所述后端驱动模块对应一个I/O线程。
可选地，在上述任一实施例中的基于请求应答的半虚拟化I/O系统中，在低负载情况下，系统在通知模式工作，当所述请求应答式应用产生I/O请求时，所述前端驱动模块将所述I/O请求写入所述发送队列中，然后通知所述后端驱动模块，所述后端驱动模块从所述发送队列中获取所述I/O请求并传输至外界。
可选地，在上述任一实施例中的基于请求应答的半虚拟化I/O系统中，所述请求应答式应用响应于用户的建立连接或服务请求，系统切换到轮询模式工作，所述后端驱动模块采用乐观轮询机制，周期性检测所述发送队列中的I/O请求。
基于任一实施例中的基于请求应答的半虚拟化I/O系统，在本发明的另一较佳实施方式中，一种基于请求应答的半虚拟化I/O方法，包括如下步骤：
S100、在低负载情况下，系统在通知模式工作；
S200、所述请求应答式应用响应于用户的建立连接或服务请求，系统切换到轮询模式工作；
S300、所述后端驱动模块进行乐观轮询操作；
S400、所述后端驱动模块接收到新的数据包，重新初始化总轮询次数或者时间戳计数；
S500、判断总轮询次数或者时间戳计数到达设定阈值，退出轮询模式，返回到步骤S100。
可选地，在上述任一实施例中的基于请求应答的半虚拟化I/O方法中，步骤S200还包括：
S201、所述请求应答式应用接收到用户的建立连接或服务请求；
S202、所述后端驱动模块关闭所述前端驱动模块的通知机制；
S203、所述后端驱动模块初始化所述总轮询次数或者所述时间戳计数；
S204、所述后端驱动模块处理发送队列中的I/O请求。
可选地，在上述任一实施例中的基于请求应答的半虚拟化I/O方法中，步骤S300还包括：
S301、所述后端驱动模块处理收到的数据包；
S302、所述后端驱动模块处理发送队列中的I/O请求；
S303、乐观轮询所述发送队列中的I/O请求；
S304、如果所述发送队列中有I/O请求，则进行处理；如果没有，则将所述总轮询次数或者所述时间戳计数累加。
可选地，在上述任一实施例中的基于请求应答的半虚拟化I/O方法中，步骤S500还包括：
S501、所述后端驱动模块进行乐观轮询操作并将轮询次数进行累加；
S502、判断所述总轮询次数或者所述时间戳计数；
S503、如果所述总轮询次数或者所述时间戳计数经超过设定阈值，所述后端驱动模块打开所述前端驱动的通知机制，退出轮询模式，返回步骤S100。
本发明引入了乐观轮询机制，结合了通知模式和轮询模式的优点，消减了VM Exit数量，减少了计算资源的浪费，从而提高了数据通路的性能。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的结构示意图；
图2是本发明的另一个较佳实施例的流程示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
为解决虚拟机产生大量的I/O请求，造成大量的VM Exit，从而影响系统性能的问题，发明人设计了一种基于请求应答的半虚拟化I/O系统，包括请求应答式应用、前端驱动模块和后端驱动模块，所述前端驱动模块和所述后端驱动模块通过发送队列和接收队列进行交互，所述请求应答式应用产生I/O请求，所述前端驱动模块将所述I/O请求写入所述发送队列中，所述后端驱动模块对所述发送队列进行乐观轮询，所述后端驱动模块从物理网卡接收数据包。
如图1所示，本实施例基于KVM的virtio半虚拟化I/O模型，请求应答式应用为Web服务器或者数据库，前端驱动模块为virtio网卡的前端驱动，位于虚拟机(VM)，后端驱动模块为virtio网卡的后端驱动，位于虚拟机监控器(VMM)；virtio网卡的前端驱动和virtio网卡的后端驱动通过发送队列和接收队列进行交互。请求应答式应用(Web服务器或者数据库)产生I/O请求，virtio网卡的前端驱动将I/O请求写入发送队列中，virtio网卡的后端驱动对于发送队列进行乐观轮询，virtio网卡的后端驱动从物理网卡接收数据包。
基于上述实施例，发明人进一步设计了基于请求应答的半虚拟化I/O方法，如图2所示，包括如下步骤：
S100、在低负载情况下，系统在通知模式工作；
S200、所述请求应答式应用响应于用户的建立连接或服务请求，系统切换到轮询模式工作；
S300、所述后端驱动模块进行乐观轮询操作；
S400、所述后端驱动模块接收到新的数据包，重新初始化总轮询次数或者时间戳计数；
S500、判断总轮询次数或者时间戳计数到达设定阈值，退出轮询模式，返回到步骤S100。
对于步骤S200，发明人进行了细化：
S201、所述请求应答式应用接收到用户的建立连接或服务请求；
S202、所述后端驱动模块关闭所述前端驱动模块的通知机制；
S203、所述后端驱动模块初始化所述总轮询次数或者所述时间戳计数；
S204、所述后端驱动模块处理发送队列中的I/O请求。
对于步骤S300，发明人进行了细化：
S301、所述后端驱动模块处理收到的数据包；
S302、所述后端驱动模块处理发送队列中的I/O请求；
S303、乐观轮询所述发送队列中的I/O请求；
S304、如果所述发送队列中有I/O请求，则进行处理；如果没有，则将所述总轮询次数或者所述时间戳计数累加。
对于步骤S500，发明人进行了细化：
S501、所述后端驱动模块进行乐观轮询操作并将轮询次数进行累加；
S502、判断所述总轮询次数或者所述时间戳计数；
S503、如果所述总轮询次数或者所述时间戳计数经超过设定阈值，所述后端驱动模块打开所述前端驱动的通知机制，退出轮询模式，返回步骤S100。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于请求应答的半虚拟化I/O系统，其特征在于，包括请求应答式应用、前端驱动模块和后端驱动模块，所述前端驱动模块和所述后端驱动模块通过发送队列和接收队列进行交互，所述请求应答式应用产生I/O请求，所述前端驱动模块将所述I/O请求写入所述发送队列中，所述后端驱动模块对所述发送队列进行乐观轮询，所述后端驱动模块从物理网卡接收数据包。
2.如权利要求1所述的基于请求应答的半虚拟化I/O系统，其特征在于，所述请求应答式应用和所述前端驱动模块位于客户机。
3.如权利要求2所述的基于请求应答的半虚拟化I/O系统，其特征在于，所述客户机为虚拟机。
4.如权利要求2所述的基于请求应答的半虚拟化I/O系统，其特征在于，所述后端驱动模块位于宿主机，即虚拟机监控器。
5.如权利要求4所述的基于请求应答的半虚拟化I/O系统，其特征在于，所述宿主机为虚拟机监控器。
6.如权利要求5所述的基于请求应答的半虚拟化I/O系统，其特征在于，响应于用户的建立连接或服务请求，系统切换到轮询模式工作，所述后端驱动模块采用乐观轮询机制，周期性检测所述发送队列中的I/O请求。
7.一种基于请求应答的半虚拟化I/O方法，其特征在于，基于如权利要求1至6任一所述的基于请求应答的半虚拟化I/O系统，所述方法包括以下步骤：
S100、在低负载情况下，系统在通知模式工作；
S200、所述请求应答式应用响应于用户的建立连接或服务请求，系统切换到轮询模式工作；
S300、所述后端驱动模块进行乐观轮询操作；
S400、所述后端驱动模块接收到新的数据包，重新初始化总轮询次数或者时间戳计数；
S500、判断总轮询次数或者时间戳计数到达设定阈值，退出轮询模式，返回到步骤S100。
8.如权利要求7所述的基于请求应答的半虚拟化I/O方法，其特征在于，所述步骤S200还包括：
S201、所述请求应答式应用接收到用户的建立连接或服务请求；
S202、所述后端驱动模块关闭所述前端驱动模块的通知机制；
S203、所述后端驱动模块初始化所述总轮询次数或者所述时间戳计数；
S204、所述后端驱动模块处理发送队列中的I/O请求。
9.如权利要求7所述的基于请求应答的半虚拟化I/O方法，其特征在于，所述步骤S300还包括：
S301、所述后端驱动模块处理收到的数据包；
S302、所述后端驱动模块处理发送队列中的I/O请求；
S303、乐观轮询所述发送队列中的I/O请求；
S304、如果所述发送队列中有I/O请求，则进行处理；如果没有，则将所述总轮询次数或者所述时间戳计数累加。
10.如权利要求7所述的基于请求应答的半虚拟化I/O方法，其特征在于，所述步骤S500还包括：
S501、所述后端驱动模块进行乐观轮询操作并将轮询次数进行累加；
S502、判断所述总轮询次数或者所述时间戳计数；
S503、如果所述总轮询次数或者所述时间戳计数经超过设定阈值，所述后端驱动模块打开所述前端驱动的通知机制，退出轮询模式，返回步骤S100。
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