CN111796912A - 申威平台存储输入输出设备虚拟化性能优化方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了申威平台存储输入输出设备虚拟化性能优化方法及系统,包括:客户机的模拟处理器QEMU为客户机和宿主机提供共享内存;客户机的模拟处理器QEMU与宿主机通信,告知宿主机共享内存的地址信息;宿主机接收到共享内存的地址信息后,计算出共享内存的地址信息在宿主机用户进程的地址,然后进行读写操作。

Description

申威平台存储输入输出设备虚拟化性能优化方法及系统
技术领域
本申请涉及虚拟化技术领域,特别是涉及申威平台存储输入输出设备虚拟化性能优化方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提到了与本申请相关的背景技术,并不必然构成现有技术。
虚拟化技术作为云计算技术的基础,将物理资源使用一种虚拟的方式表示出来,使运行的环境不在真实的硬件上,而是硬件之上抽象出来,用模拟的方式虚拟出计算、存储、内存等资源,为数据、计算能力、存储资源等提供了一个逻辑视图,而不是物理视图。虚拟化技术的发展,大幅降低了信息技术所需的硬件成本,减少了资源的浪费,并且提升了系统的稳定性和安全性。由于虚拟化是一种抽象和模拟技术,针对CPU、内存、存储、网络等资源的虚拟,往往达不到和物理资源一样的性能,因此在硬件资源有限的情况下,如何有效进行CPU、内存、存储、网络等资源的虚拟,以达到更好的性能,成为虚拟化技术解决的重要问题。
目前,许多国际主流硬件厂商,几乎都提供了针对计算机处理器的硬件加速技术,这种技术的应用,使物理平台本身提供了对特殊指令的截获和重定向的硬件支持,让之前全部交给虚拟机监视器(VMM,又称Hypervisor)的工作直接交给硬件处理,甚至硬件会提供额外的资源来帮助软件实现对关键资源的虚拟化,从而提升处理器虚拟技术的性能。目前,针对CPU虚拟化的硬件辅助技术,可以让虚拟机获得与物理机器相差不大甚至等同的性能,可以满足生产的需要。不过,针对计算机I/O设备的虚拟化性能,却不如CPU虚拟化进行的顺利,也达不到现有CPU虚拟化技术的性能。针对I/O设备的虚拟化,多数还停留在软件层面,在读取/写入方式、架构层面进行优化。
海量数据的存储与计算,使得面向I/O设备的虚拟化,尤其是针对存储I/O虚拟化性能进行提升和优化,成为很多虚拟化提供商和云计算厂商解决的重点问题。目前解决存储I/O性能问题主要有如下几种思路:第一种是采用性能较好的存储介质和接口规范,替换以往性能较差的存储介质,提升存储I/O性能;第二种思路是随着现有网络I/O设备性能的大幅提升,将以往通过存储接口进行I/O操作转移给网络设备,通过网络I/O分流存储I/O的压力;第三种思路则是通过软件的手段,对存储I/O性能进行优化,例如Intel公司提出的SPDK(存储性能开发组件)是针对Nvmessd介质的硬盘进一步提升,还有一种软件优化方式,则是通过对虚拟机监视器(VMM)工作流程框架进行优化,例如,目前已广泛应用的virtio驱动技术,改变了以往完全通过VMM截获所有的I/O指令再交给硬件设备的情况,而是让虚拟机知道自己运行在虚拟环境下,使用某种交互机制就可以实现高效的虚拟化。第一种和第二种思路,都可以提升存储I/O性能,但是,这两种方式都会付出较大的硬件资源开销。
发明内容
为了解决现有技术的不足,本申请提供了申威平台存储输入输出设备虚拟化性能优化方法及系统;
第一方面,本申请提供了申威平台存储输入输出设备虚拟化性能优化方法;
申威平台存储输入输出设备虚拟化性能优化方法,包括:
客户机的模拟处理器QEMU(Quick EMUlator)为客户机和宿主机提供共享内存;
客户机的模拟处理器QEMU与宿主机通信,告知宿主机共享内存的地址信息;
宿主机接收到共享内存的地址信息后,计算出共享内存的地址信息在宿主机用户进程的地址,然后进行读写操作。
第二方面,本申请提供了申威平台存储输入输出设备虚拟化性能优化系统;
申威平台存储输入输出设备虚拟化性能优化系统,包括:客户机和宿主机;
客户机的模拟处理器QEMU(Quick EMUlator)为客户机和宿主机提供共享内存;
客户机的模拟处理器QEMU与宿主机通信,告知宿主机共享内存的地址信息;
宿主机接收到共享内存的地址信息后,计算出共享内存的地址信息在宿主机用户进程的地址,然后进行读写操作。
第三方面,本申请提供了申威平台存储输入输出设备虚拟化性能优化系统的搭建方法;
申威平台存储输入输出设备虚拟化性能优化系统的搭建方法,包括:
1.在宿主机为客户机创建一块scsi target设备;
指定设备类型为vhost-scsi,设备号为naa.56110404145xab5241,总线类型为pci.0,地址槽0x5,使用qemu命令创建客户机;
2.创建完成后,在客户机查看存储设备状态;
3.测试使用vhost-scsi驱动前后的存储I/O性能。
与现有技术相比,本申请的有益效果是:
客户机的模拟处理器QEMU(Quick EMUlator)为客户机和宿主机提供共享内存;客户机的模拟处理器QEMU与宿主机通信,告知宿主机共享内存的地址信息;宿主机接收到共享内存的地址信息后,计算出共享内存的地址信息在宿主机用户进程的地址,然后进行读写操作。提升申威平台虚拟化存储输入输出性能20%。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。
图1为第二个实施例的系统架构图。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是示例性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例提供了申威平台存储输入输出设备虚拟化性能优化方法;
申威平台存储输入输出设备虚拟化性能优化方法,包括:
客户机的模拟处理器QEMU(Quick EMUlator)为客户机和宿主机提供共享内存;
客户机的模拟处理器QEMU与宿主机通信,告知宿主机共享内存的地址信息;
宿主机接收到共享内存的地址信息后,计算出共享内存的地址信息在宿主机用户进程的地址,然后进行读写操作。
在一些实施例中,所述共享内存,包括desc信息、avail信息、used信息和对应的mmap映射规则,desc信息、avail信息和used信息均是一个数组,每个数组的元素个数与其他数组的元素个数相同。
在一些实施例中,所述共享内存的地址信息,包括:desc信息的地址信息、avail信息的地址信息和used信息的地址信息。
在一些实施例中,客户机的模拟处理器QEMU通过ioctl函数与宿主机通信,是指:客户机的模拟处理器QEMU与宿主机通信。
应理解的,所述客户机,是指:通过虚拟化软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。在实体计算机中能够完成的工作在虚拟机中都能够实现。每个虚拟机都有独立的输入输出设备、硬盘和操作系统,可以像使用实体机一样对虚拟机进行操作。
应理解的,所述宿主机,是指:客户机运行的载体,只有在宿主机上才能运行客户机,是虚拟化软件运行的服务端。
应理解的,所述ioctl函数,是指:KVM操作输入输出设备的函数。
应理解的,所述desc信息,是指:标记信息,记录数据存放的描述信息。
应理解的,所述avail信息,是指:标记信息,记录数据存放的可用信息。
应理解的,所述used信息,是指:标记信息,记录数据存放的已用信息。
应理解的,所述mmap规则,是指:映射规则,为客户机和宿主机共享内存进行映射。
在一些实施例中,所述方法还包括:
在客户机向宿主机写入数据时,写入数据存放在共享内存的desc信息、avail信息和used信息中,客户机向宿主机发送写入数据的通知指令;
宿主机接收到写入数据的通知指令后,宿主机按照共享内存中的mmap规则,计算出desc信息、avail信息和used信息的值;再根据desc信息、avail信息和used信息的值,从共享内存中读取客户机写入内容。
在一些实施例中,所述方法还包括:
客户机从宿主机读取数据时,客户机向宿主机发送读取数据的通知指令,客户机根据mmap规则进行反向映射,计算出宿主机存放的desc信息、avail信息和used信息,再从共享内存中进行读取操作。
在一些实施例中,所述客户机向宿主机发送写入数据的通知指令,具体步骤包括:
步骤(1):客户机的模拟处理器QEMU注册一个输入输出处理事件ioeventfd,用于客户机的模拟处理器QEMU的虚拟化输入输出总线队列消息VIRTIO_PCI_QUEUE_NOTIFY,VIRTIO_PCI_QUEUE_NOTIFY与虚拟化队列virtqueue通讯;
步骤(2):宿主机的KVM内核模块获取输入输出处理事件ioeventfd传递的处理事件eventfd,并将处理事件eventfd挂接到对应的客户机I/O出口;
步骤(3):宿主机的Vhost模块的工作线程监听处理事件eventfd文件描述符;
步骤(4):客户机的模拟处理器QEMU向宿主机发送写入数据的通知指令时,宿主机的Vhost模块根据监听到的处理事件eventfd文件描述符通知输入输出处理事件ioeventfd已收到消息,再将事件告知宿主机的KVM内核模块。
在一些实施例中,所述客户机向宿主机发送读取数据的通知指令,具体步骤还包括:
步骤(5):宿主机的KVM内核模块的中断请求事件irqfd单元,允许处理事件eventfd触发客户机中断;
步骤(6):客户机的模拟处理器QEMU注册一个中断请求事件irqfd,所述irqfd用于进行外设部件互连标准virtio PCI设备中断,并将其交给宿主机的Vhost模块;
步骤(7):宿主机的Vhost模块工作线程接收到中断请求事件irqfd中的调用文件描述符,这个文件描述符用于通知客户机的模拟处理器中断,工作线程将中断客户机的模拟处理器。
本发明采用vhost虚拟化I/O驱动,让申威平台的客户机工作在半虚拟化模式下,在宿主机的内核态模拟存储相关的IO。采用vhost架构后,vhost作为一个用户空间接口,并不依赖于KVM内核模块。
实施例二
本实施例提供了申威平台存储输入输出设备虚拟化性能优化系统;
如图1所示,申威平台存储输入输出设备虚拟化性能优化系统,包括:客户机和宿主机;
客户机的模拟处理器QEMU(Quick EMUlator)为客户机和宿主机提供共享内存;
客户机的模拟处理器QEMU与宿主机通信,告知宿主机共享内存的地址信息;
宿主机接收到共享内存的地址信息后,计算出共享内存的地址信息在宿主机用户进程的地址,然后进行读写操作。
实施例三
申威平台存储输入输出设备虚拟化性能优化系统的搭建方法,包括:
步骤301:在宿主机为客户机创建一块scsi target(小型计算机系统接口协议目标)设备;
完成后查看scsi(小型计算机系统接口协议)设备状态如下:
Figure BDA0002577503420000081
步骤302:指定设备类型为vhost-scsi(虚拟主机-小型计算机系统接口),设备号为naa.56110404145xab5241,总线类型为pci.0,地址槽0x5,使用qemu命令创建客户机。
Figure BDA0002577503420000091
步骤303:创建完成后,在客户机查看存储设备状态;
Figure BDA0002577503420000092
可看到客户机中,有一块scsi设备。
步骤304:测试使用vhost-scsi驱动前后的存储I/O性能。
分别使用virtio-blk和vhost-scsi驱动测试虚拟机I/O性能。
测试方法:使用fio IO性能测试工具,分别测试4k、8k、16K、64K大小的文件块的bw(带宽)和IOPS(每秒读写次数)。
测试环境:申威平台-SW6A
Linux内核版本:4.4.15-kvm-00333-g03d1576
qemu版本:2.11.1
表1
Figure BDA0002577503420000093
Figure BDA0002577503420000101
表1给出了virtio-blk和vhost-scsi的对比测试结果,测试结果表明,在申威平台使用新型vhost-scsi驱动方式,比使用virtio-blk可提升10%-20%的IO读写性能。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已,并不用于限制本申请,对于本领域的技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.申威平台存储输入输出设备虚拟化性能优化方法,其特征是,包括:
客户机的模拟处理器QEMU为客户机和宿主机提供共享内存;
客户机的模拟处理器QEMU与宿主机通信,告知宿主机共享内存的地址信息;
宿主机接收到共享内存的地址信息后,计算出共享内存的地址信息在宿主机用户进程的地址,然后进行读写操作。
2.如权利要求1所述的方法,其特征是,所述共享内存,包括desc信息、avail信息、used信息和对应的mmap映射规则,desc信息、avail信息和used信息均是一个数组,每个数组的元素个数与其他数组的元素个数相同。
3.如权利要求1所述的方法,其特征是,所述共享内存的地址信息,包括:desc信息的地址信息、avail信息的地址信息和used信息的地址信息。
4.如权利要求1所述的方法,其特征是,客户机的模拟处理器QEMU通过ioctl函数与宿主机通信,是指:客户机的模拟处理器QEMU与宿主机通信。
5.如权利要求1所述的方法,其特征是,所述方法还包括:
在客户机向宿主机写入数据时,写入数据存放在共享内存的desc信息、avail信息和used信息中,客户机向宿主机发送写入数据的通知指令;
宿主机接收到写入数据的通知指令后,宿主机按照共享内存中的mmap规则,计算出desc信息、avail信息和used信息的值;再根据desc信息、avail信息和used信息的值,从共享内存中读取客户机写入内容。
6.如权利要求1所述的方法,其特征是,所述方法还包括:
客户机从宿主机读取数据时,客户机向宿主机发送读取数据的通知指令,客户机根据mmap规则进行反向映射,计算出宿主机存放的desc信息、avail信息和used信息,再从共享内存中进行读取操作。
7.如权利要求5所述的方法,其特征是,所述客户机向宿主机发送写入数据的通知指令,具体步骤包括:
步骤(1):客户机的模拟处理器QEMU注册一个输入输出处理事件ioeventfd,用于客户机的模拟处理器QEMU的虚拟化输入输出总线队列消息VIRTIO_PCI_QUEUE_NOTIFY,虚拟化队列VIRTIO_PCI_QUEUE_NOTIFY与virtqueue通讯;
步骤(2):宿主机的KVM内核模块获取输入输出处理事件ioeventfd传递的处理事件eventfd,并将处理事件eventfd挂接到对应的客户机I/O出口;
步骤(3):宿主机的Vhost模块的工作线程监听处理事件eventfd文件描述符;
步骤(4):客户机的模拟处理器QEMU向宿主机发送写入数据的通知指令时,宿主机的Vhost模块根据监听到的处理事件eventfd文件描述符通知输入输出处理事件ioeventfd已收到消息,再将事件告知宿主机的KVM内核模块。
8.如权利要求6所述的方法,其特征是,所述客户机向宿主机发送读取数据的通知指令,具体步骤还包括:
步骤(5):宿主机的KVM内核模块的中断请求事件irqfd单元,允许处理事件eventfd触发客户机中断;
步骤(6):客户机的模拟处理器QEMU注册一个中断请求事件irqfd,所述irqfd用于进行外设部件互连标准virtio PCI设备中断,并将其交给宿主机的Vhost模块;
步骤(7):宿主机的Vhost模块工作线程接收到中断请求事件irqfd中的调用文件描述符,这个文件描述符用于通知客户机的模拟处理器中断,工作线程将中断客户机的模拟处理器。
9.申威平台存储输入输出设备虚拟化性能优化系统,其特征是,包括:客户机和宿主机;
客户机的模拟处理器QEMU为客户机和宿主机提供共享内存;
客户机的模拟处理器QEMU与宿主机通信,告知宿主机共享内存的地址信息;
宿主机接收到共享内存的地址信息后,计算出共享内存的地址信息在宿主机用户进程的地址,然后进行读写操作。
10.申威平台存储输入输出设备虚拟化性能优化系统的搭建方法,其特征是,包括:
在宿主机为客户机创建一块scsi target设备;
指定设备类型为vhost-scsi,设备号为naa.56110404145xab5241,总线类型为pci.0,地址槽0x5,使用qemu命令创建客户机;
创建完成后,在客户机查看存储设备状态;
测试使用vhost-scsi驱动前后的存储I/O性能。
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