intel虚拟设备队列VMDq技术解析

现在人们已经接受并开始逐步实施虚拟化技术，为提供理想的性能和可靠的安全性，硬件虚拟化技术必不可少。它的发展是循序渐进的，在我们最熟悉的世界，硬件虚拟化是先从处理器开始，再到芯片组，再到IO设备，因为每一个阶段都以上一个阶段作为基础，如下图所示：

 
其中VT-x和VT-d技术已经被人熟悉（竞争对手也有类似的技术）

　　现在的阶段就处在IO虚拟化阶段，一个老生常谈的问题是：外部IO已经逐渐跟不上处理器等的发展。无论你需不需要虚拟化，你都需要解决IO的问题。何况，随着处理器的架构越来越先进，核心数越来越多，提高资源利用率的需求使这些机器越来越倾向于虚拟化。

　　现在IO虚拟化的问题和处理器虚拟化等的问题差不多，就是人们希望硬件辅助方案能解决软件方案的性能损耗问题。在IO设备上，频繁的VMM切换以及对中断的处理是导致虚拟化效率低下的两个重点因素，如下图所示：

软件实现的IO虚拟化网络吞吐量低下

　　硬件的IO虚拟化就是为了解决这个问题，对应的解决方案相关的很多，我们这次介绍的是Intel的VMDq：Virtual Machine Device Queue，虚拟机设备队列。这是一个专门用于提升网卡的虚拟化IO性能的技术，对于服务器来说，最关键的IO组成部分就是网络和存储了，甚至网络更为重要一些。

虚拟化的精髓就是多个虚拟机共享一定的硬件资源，特别地：网卡。尽管VT-d技术提供了不同的虚拟机直接使用不同的网卡的可能性，不过多个虚拟机共用一块或者数块网卡仍然是绝大多数情况。对于VT-d技术，一些人可能会很高兴地看到，不同的显卡也可以通过它在不同的虚拟机之间直接分配，如Paralles Workstation Extreme软件可以主机和虚拟机直接使用不同的Quadro显卡进行渲染工作（是的，它和前面说的还有些距离，不过原理相同）。

　　因为这样的缘故，实际上所有的提供上网能力的虚拟机软件都内置了一个虚拟交换机，大部分还在这个基础上提供了路由器的功能，作用就是和真实的交换机/路由器一样，将多台虚拟机连成一个或者多个网络：

 
VMDq实际上将这个虚拟交换机的一部分功能用硬件进行加速

　　VMDq实际上实现了一个半软半硬的虚拟交换机，和原有的纯软件方案相比，新的方案提供了更高的性能、更低的资源占用率，它怎么实现的呢？

VMDq技术提供了一个属于ISO OSI 9层网络模型中的第二层的分类/排序引擎实现了交换机的部分功能，为了提供合适的性能，它必须使用到一堆缓存队列，因此支持VMDq的网卡通常也支持RSS接收方扩展功能

 　　在支持VMDq的网卡上，用硬件实现了一个Layer 2分类/排序器，通过MAC地址或者VLAN来讲数据包发送到指定的虚拟机队列中去（这堆队列叫做pool），最后的VMM软件只需要非常简单的数据复制工作就可以完成虚拟交换机的任务。从而极大地提升了虚拟化网络效率。

　　支持VMDq队列的网卡通常也支持RSS队列，例如Intel 82576EB网卡支持8个虚拟机队列，支持16个RSS队列，它们实质上都是16个发送/接收队列对的划分，另外意味着，每个虚拟机可以分配到两个发送/接收队列对。

Hyper-V 1.0，也就是Windows Server 2008携带的版本，所有的网络IO都需要经过经过纯软件实现的虚拟交换机

Hyper-V 2.0，也就是Windows Server 2008 R2携带的版本，提供了一个新的VMQ特性，它利用硬件的VMDq将虚拟交换机的大部分工作放到了网卡上，并通过内存映射设计避免了数据需要在多个空间来来回复制移动

VMware的NetQueue同样也利用了VMDq技术，实现了两倍以上的吞吐量提升