CN111158849A - 支持虚拟机共享io设备的多机计算装置及其io设备共享方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种支持虚拟机共享IO设备的多机计算装置及其IO设备共享方法，装置包括一个管理节点、若干个计算节点、若干个IO节点和一个PCIe交换节点；每个IO节点包括一个PCIe设备；管理节点、计算节点和IO节点通过PCIe交换节点互连，管理节点通过PCIe交换节点实现对IO节点上的PCIe设备进行枚举、配置和管理，计算节点通过PCIe交换节点访问IO设备，并将该IO设备透传至运行在该节点上的虚拟机。共享方法实现虚拟机共享该装置的IO设备，并支持虚拟机迁移，即可在不同计算节点上访问同一个IO设备。本发明实现简单，不仅可以实现多机共享物理IO设备，也可以通过SR‑IOV技术实现多机共享虚拟设备。

Description

支持虚拟机共享IO设备的多机计算装置及其IO设备共享方法
技术领域
本发明属于IO设备共享领域，特别涉及一种支持虚拟机共享IO设备的多机计算装置及其IO设备共享方法。
背景技术
随着云计算技术的发展和应用的普及，云计算中心成为了现代信息系统重要组成部分。在云计算中心中，如何实现资源的共享，提升资源利用率是一个重要的研究方向。
为了提升资源的利用率，云计算普遍采用虚拟化技术，将物理服务器虚拟成多个虚拟机供用户使用。目前的虚拟化技术主要是针对单机系统进行虚拟化如Intel的VMX技术，AMD的SVM技术等可将一个物理处理器虚拟成多个虚拟处理器，通过透传的方式访问本机的IO设备；但该类技术不能实现多机系统之间的IO设备共享。针对问题，PCI-SIG开源组织发布了多根IO虚拟化规范(MR-IOV，Multi-Root IO Virtulization)可实现多机系统之间的IO设备共享，但目前尚没有成熟的支持MR-IOV的IO设备和互连、交换设备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种支持虚拟机共享IO设备的多机计算装置及其IO设备共享方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种支持虚拟机共享IO设备的多机计算装置，所述装置包括一个管理节点、若干个计算节点、若干个IO节点和一个PCIe交换节点；每个所述IO节点上包括一个PCIe设备；
所述管理节点、计算节点和IO节点通过PCIe交换节点互连，所述管理节点通过PCIe交换节点实现对所有IO节点上的PCIe设备进行枚举、配置和管理，所述计算节点通过PCIe交换节点访问IO设备，并将该IO设备透传至运行在该节点上的虚拟机；所述IO设备包括所有IO节点上的PCIe设备。
进一步地，所述PCIe交换节点包括若干个端口，每个端口可设置为透明端口和非透明端口两种模式。
进一步地，所述管理节点具体是通过PCIe交换节点的透明端口实现对所有IO节点上的PCIe设备进行枚举、配置和管理；所述计算节点具体是通过PCIe交换节点的非透明端口访问IO设备。
进一步地，所述管理节点的CPU包括两个PCIe接口，其中一个PCIe接口连接本节点上的IO设备，另一个PCIe接口连接所述PCIe交换节点。
进一步地，所述计算节点的CPU包括两个PCIe接口，其中一个PCIe接口连接本节点上的IO设备，另一个PCIe接口连接所述PCIe交换节点。
进一步地，每个所述计算节点上部署IO设备映射软件和Hypervisor软件，其中IO设备映射软件，用于实现将IO设备的资源信息从系统空间映射到用户空间，所述IO设备的资源信息包括IO设备的存储空间、中断和DMA资源；Hypervisor软件用于管理虚拟机的全生命周期，包括虚拟机的运行、迁移和销毁。
基于上述支持虚拟机共享IO设备的多机计算装置的IO设备共享方法，包括以下步骤：
步骤1，多机计算装置启动，管理节点通过PCIe交换节点枚举多机计算装置中的所有IO设备，并为IO设备分配地址空间，形成IO设备列表；
步骤2，计算节点运行虚拟机，并为虚拟机分配IO设备，同时更新IO设备列表的状态；
步骤3，根据虚拟机的迁移或销毁，执行为虚拟机重新分配IO设备或虚拟机释放IO设备，并更新IO设备列表的状态。
进一步地，步骤1中所述的IO设备列表中具体包括：IO设备及其ID号、设备状态；每个IO设备的初始设备状态为未分配。
进一步地，步骤2所述的计算节点运行虚拟机，并为虚拟机分配IO设备，同时更新IO设备列表的状态，具体包括：
步骤2-1，计算节点上的Hypervisor软件根据运行虚拟机所需的IO设备，向所述管理节点申请所需的IO设备，若申请成功，管理节点标记该IO设备状态为已分配，更新IO设备列表，并执行步骤2-2；否则执行步骤2-4。
步骤2-2，计算节点上的IO设备映射软件将申请到的IO设备的资源信息从系统空间映射到用户空间，所述IO设备的资源信息包括IO设备的存储空间、中断和DMA资源；
步骤2-3，所述Hypervisor软件将映射到用户空间的IO设备分配给虚拟机，并将该IO设备的ID号保存到虚拟机的配置文件中，虚拟机运行成功，并为虚拟机分配IO设备，同时更新IO设备列表的状态；
步骤2-4，终止IO设备申请，虚拟机运行失败。
进一步地，步骤3所述根据虚拟机的迁移或销毁，执行为虚拟机重新分配IO设备或虚拟机释放IO设备，并更新IO设备列表的状态，具体包括：
若虚拟机从计算节点A迁移至计算节点B，计算节点A释放该虚拟机IO设备的映射，同时计算节点B根据虚拟机IO设备的ID号向管理节点索取该IO设备的信息，并执行步骤2-2至步骤2-3的过程，为虚拟机重新分配IO设备；
若虚拟机销毁，虚拟机所在的计算节点释放该虚拟机IO设备的映射，并通知管理节点该IO设备已释放，管理节点标记该IO设备的状态为未分配，更新IO设备列表的状态。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)与MR-IOV技术相比，实现简单，不仅能实现多机共享物理IO设备，也可以通过SR-IOV技术实现多机共享虚拟设备；2)通过设备透传技术实现虚拟机访问IO设备，与现有技术相比，本发明支持虚拟机迁移，即可在不同计算节点上通过设备透传的方式访问同一个IO设备。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明一个实施例中支持虚拟机共享IO设备的多机计算装置的设备组成示意图。
图2为本发明一个实施例中支持虚拟机共享IO设备的多机计算装置具体结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，结合图1和图2，提供了一种支持虚拟机共享IO设备的多机计算装置，装置包括一个管理节点、若干个计算节点、若干个IO节点和一个PCIe交换节点；每个IO节点上包括一个PCIe设备；
管理节点、计算节点和IO节点通过PCIe交换节点互连，管理节点通过PCIe交换节点实现对所有IO节点上的PCIe设备进行枚举、配置和管理，计算节点通过PCIe交换节点访问IO设备，并将该IO设备透传至运行在该节点上的虚拟机；IO设备包括所有IO节点上的PCIe设备。
进一步地，在其中一个实施例中，PCIe交换节点包括若干个端口，每个端口可设置为透明端口和非透明端口两种模式。
进一步地，在其中一个实施例中，管理节点具体是通过PCIe交换节点的透明端口实现对所有IO节点上的PCIe设备进行枚举、配置和管理；计算节点具体是通过PCIe交换节点的非透明端口访问该计算节点运行虚拟机所需求的IO设备。
进一步地，在其中一个实施例中，管理节点的CPU包括两个PCIe接口，其中一个PCIe接口连接本节点上的IO设备，另一个PCIe接口连接PCIe交换节点。
进一步地，在其中一个实施例中，计算节点的CPU包括两个PCIe接口，其中一个PCIe接口连接本节点上的IO设备，另一个PCIe接口连接PCIe交换节点。
进一步地，在其中一个实施例中，每个计算节点上部署IO设备映射软件和Hypervisor软件，其中IO设备映射软件，用于实现将IO设备的资源信息从系统空间映射到用户空间，IO设备的资源信息包括IO设备的存储空间、中断和DMA资源；Hypervisor软件用于管理虚拟机的全生命周期，包括虚拟机的运行、迁移和销毁。
基于上述支持虚拟机共享IO设备的多机计算装置的IO设备共享方法，包括以下步骤：
步骤1，多机计算装置启动，管理节点通过PCIe交换节点枚举多机计算装置中的所有IO设备，并为IO设备分配地址空间，形成IO设备列表；
步骤2，计算节点运行虚拟机，并为虚拟机分配IO设备，同时更新IO设备列表的状态；
步骤3，根据虚拟机的迁移或销毁，执行为虚拟机重新分配IO设备或虚拟机释放IO设备，并更新IO设备列表的状态。
进一步地，在其中一个实施例中，步骤1中的IO设备列表中具体包括：IO设备及其ID号、设备状态；每个IO设备的初始设备状态为未分配。
进一步地，在其中一个实施例中，步骤2中计算节点创建虚拟机，并为虚拟机重新分配IO设备，同时更新IO设备列表的状态，具体包括：
步骤2-1，计算节点上的Hypervisor软件根据运行虚拟机所需的IO设备，向管理节点申请所需的IO设备，若申请成功，管理节点标记该IO设备状态为已分配，更新IO设备列表，并执行步骤2-2；否则执行步骤2-4。
步骤2-2，计算节点上的IO设备映射软件将申请到的IO设备的资源信息从系统空间映射到用户空间，IO设备的资源信息包括IO设备的存储空间、中断和DMA资源；
步骤2-3，Hypervisor软件将映射到用户空间的IO设备分配给虚拟机，并将该IO设备的ID号保存到虚拟机的配置文件中，虚拟机运行成功，并为虚拟机分配IO设备，同时更新IO设备列表的状态；
步骤2-4，终止IO设备申请，虚拟机运行失败。
进一步地，在其中一个实施例中，步骤3根据虚拟机的迁移或销毁，执行为虚拟机重新分配IO设备或虚拟机释放IO设备，并更新IO设备列表的状态，具体包括：
若虚拟机从计算节点A迁移至计算节点B，计算节点A释放该虚拟机IO设备的映射，同时计算节点B根据虚拟机IO设备的ID号向管理节点索取该IO设备的信息，并执行步骤2-2至步骤2-3的过程，为虚拟机重新分配IO设备；
若虚拟机销毁，虚拟机所在的计算节点释放该虚拟机IO设备的映射，并通知管理节点该IO设备已释放，管理节点标记该IO设备的状态为未分配，更新IO设备列表的状态。
综上，本发明基于PCIe交换机，通过非透明桥的方式实现多机访问共享IO设备。与MR-IOV技术相比，本发明实现简单，不仅可以实现多机共享物理IO设备，也可以通过SR-IOV技术实现多机共享虚拟设备。此外，本发明通过设备透传技术实现虚拟机访问IO设备，与现有技术相比，支持虚拟机迁移，即可在不同计算节点上通过设备透传的方式访问同一个IO设备。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种支持虚拟机共享IO设备的多机计算装置，其特征在于，所述装置包括一个管理节点、若干个计算节点、若干个IO节点和一个PCIe交换节点；每个所述IO节点上包括一个PCIe设备；
所述管理节点、计算节点和IO节点通过PCIe交换节点互连，所述管理节点通过PCIe交换节点实现对所有IO节点上的PCIe设备进行枚举、配置和管理，所述计算节点通过PCIe交换节点访问IO设备，并将该IO设备透传至运行在该节点上的虚拟机；所述IO设备包括所有IO节点上的PCIe设备。
2.根据权利要求1所述的支持虚拟机共享IO设备的多机计算装置，其特征在于，所述PCIe交换节点包括若干个端口，每个端口可设置为透明端口和非透明端口两种模式。
3.根据权利要求2所述的支持虚拟机共享IO设备的多机计算装置，其特征在于，所述管理节点具体是通过PCIe交换节点的透明端口实现对所有IO节点上的PCIe设备进行枚举、配置和管理；所述计算节点具体是通过PCIe交换节点的非透明端口访问IO设备。
4.根据权利要求3所述的支持虚拟机共享IO设备的多机计算装置，其特征在于，所述管理节点的CPU包括两个PCIe接口，其中一个PCIe接口连接本节点上的IO设备，另一个PCIe接口连接所述PCIe交换节点。
5.根据权利要求3所述的支持虚拟机共享IO设备的多机计算装置，其特征在于，所述计算节点的CPU包括两个PCIe接口，其中一个PCIe接口连接本节点上的IO设备，另一个PCIe接口连接所述PCIe交换节点。
6.根据权利要求1所述的支持虚拟机共享IO设备的多机计算装置，其特征在于，每个所述计算节点上部署IO设备映射软件和Hypervisor软件，其中IO设备映射软件，用于实现将IO设备的资源信息从系统空间映射到用户空间，所述IO设备的资源信息包括IO设备的存储空间、中断和DMA资源；Hypervisor软件用于管理虚拟机的全生命周期，包括虚拟机的运行、迁移和销毁。
7.基于权利要求1至6任意一项所述的支持虚拟机共享IO设备的多机计算装置的IO设备共享方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，多机计算装置启动，管理节点通过PCIe交换节点枚举多机计算装置中的所有IO设备，并为IO设备分配地址空间，形成IO设备列表；
步骤2，计算节点运行虚拟机，并为虚拟机分配IO设备，同时更新IO设备列表的状态；
步骤3，根据虚拟机的迁移或销毁，执行为虚拟机重新分配IO设备或虚拟机释放IO设备，并更新IO设备列表的状态。
8.根据权利要求7所述的IO设备共享方法，其特征在于，步骤1中所述的IO设备列表中具体包括：IO设备及其ID号、设备状态；每个IO设备的初始设备状态为未分配。
9.根据权利要求8所述的IO设备共享方法，其特征在于，步骤2所述的计算节点运行虚拟机，并为虚拟机分配IO设备，同时更新IO设备列表的状态，具体包括：
步骤2-1，计算节点上的Hypervisor软件根据运行虚拟机所需的IO设备，向所述管理节点申请所需的IO设备，若申请成功，管理节点标记该IO设备状态为已分配，更新IO设备列表，并执行步骤2-2；否则执行步骤2-4。
步骤2-2，计算节点上的IO设备映射软件将申请到的IO设备的资源信息从系统空间映射到用户空间，所述IO设备的资源信息包括IO设备的存储空间、中断和DMA资源；
步骤2-3，所述Hypervisor软件将映射到用户空间的IO设备分配给虚拟机，并将该IO设备的ID号保存到虚拟机的配置文件中，虚拟机运行成功，并为虚拟机分配IO设备，同时更新IO设备列表的状态；
步骤2-4，终止IO设备申请，虚拟机运行失败。
10.根据权利要求9所述的IO设备共享方法，其特征在于，步骤3所述的根据虚拟机的迁移或销毁，执行为虚拟机重新分配IO设备或虚拟机释放IO设备，并更新IO设备列表的状态，具体包括：
若虚拟机从计算节点A迁移至计算节点B，计算节点A释放该虚拟机IO设备的映射，同时计算节点B根据虚拟机IO设备的ID号向管理节点索取该IO设备的信息，并执行步骤2-2至步骤2-3的过程，为虚拟机重新分配IO设备；
若虚拟机销毁，虚拟机所在的计算节点释放该虚拟机IO设备的映射，并通知管理节点该IO设备已释放，管理节点标记该IO设备的状态为未分配，更新IO设备列表的状态。
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