VMware，Redhat，Citrix和Microsoft 4种主要的网络IO虚拟化模型

本文主要为大家简要介绍 VMware 、 Redhat 、 Citrix 、 Microsoft 主要虚拟化厂商使用的 4 种主要的虚拟化 IO 模型（ emulation 、 para-virtualization 、 pass-through 、 SR-IOV ）。

本文主要为大家穿针引线，信息量比较大，组织排版有限，看官们就将就点看着。

网络 I/O 不但是物理服务器最容易出现的瓶颈，也是现在虚拟化技术最大的硬伤。随着硬件虚拟化对网络 I/O 的支持，虚拟化的网络 I/O 模型也不断的进化，虚拟化的 I/O 性能也不不断提升。

今天给大家分享 VMware 、 Redhat 、 Citrix 、 Microsoft 主流虚拟化解决方案采用的 4 种主流网络 I/O 模型，主要包括模型原理、模型优点、模型缺点、模型对虚拟化迁移的支持。

这 4 个主流网络 I/O 模型分别是：

1、Emulation

原理：

仿真（emulation ）是一个完全通过软件程序来模拟硬件的技术。早期虚拟化都才采用这种方案来虚拟网络设备。常见仿真软件有QEMU 、VMware WorkStation 、VirtualBox 。Emulation 网络模型图如下：

不同虚拟化厂商的虚拟网卡产品都不尽相同。

VMware Emulation 类型网卡有：E1000 （仿真intel 82545M 千兆网卡）、Flexible 、Vlance （仿真AMC 79C970 PCnet32 LANCE 10M 网卡）、VMXNET （VMXNET 一共有3 个版本，分别是VMXNET 、VMXNET2 、VMXNET3 ；暂时没有找到VMware 的明确资料对这三个版本进行分类。个人暂把VMXNET 定为emulation 、VMXNET2 和VMXNET3 定义为para-virtualization 类型。VMXNET3 也支持部分SR-IOV 功能）。

 

Redhat 的KVM 和Citrix 的XEN 这类型网卡都是采用QEMU 实现，在KVM 和XEN 上面可用的emulation 网卡有：RTL8139 （仿真RealTek Link 8139 100M 网卡）、E1000 （仿真intel 82545M 千兆网卡）。

Microsoft Hyper-V Emulation 类型网卡有：Intel/DEC 21140 100M 网卡

 

优点：

软件模拟不需要硬件支持，通过CPU 计算来模拟，跟宿主机物理网卡隔离，没有平台要求。

虚拟机操作系统不需要修改，模拟的都是常见网卡（比如：Intel E1000 、RTL8139 等），主流操作系统都已经自带这些驱动，因此默认情况下虚拟机不需要再安装驱动。

 

缺点：

CPU 资源消耗大，尤其当虚拟机数量多的时候。网卡性能一般，由于是软件模拟，只能模拟常见的、功能比较简单的网卡。

 

虚拟机迁移支持：

剥离了硬件要求，使用这类型可迁移性强。由于XEN 和KVM 都是使用qemu 仿真，所以这类型虚拟机在XEN 和KVM 之间混合迁移实现难度也不大。

 

2、para-virtualization

原理：

Para-virtualization 又称半虚拟化，最早由Citrix 的xen 提出使用。在半虚拟化模型中，物理硬件资源统一由Hypervisor 管理，由Hypervisor 提供资源调用接口。虚拟子机通过特定的调用接口与Hypervisor 通信，然后完整I/O 资源控制操作。Para-virtualization 模型图如下：

Para-virtualization 又称半虚拟化，最开始由XEN 提出的，XEN 本身就是从本虚拟化起家的。Para-virtualization 模型下，虚拟子机的网卡驱动只能有Hypervisor 厂商来开发，Redhat 、VMware 、Citrix 、Microsoft 这几大虚拟厂商都有各自的para-virtualization 驱动。比如Redhat 的KVM 就叫virtio ，VMware 的有VMXNET2 、VMXNET 3 ，Citrix 的XEN 叫xen-pv ，Mircrosoft 暂时没有找到（欢迎朋友们补充）。

 

优点：个人认为是一种改进版的emulation 模型，但是由于子机和Hypervisor 之间通信，性能比emulation 要很多。

 

缺点：需要修改虚拟子机操作系统内核，添加不同Hypervisor 厂商的网络驱动。比如Linux （Redhat 和Novell ）就在发行版里面添加了Mircosoft 的para-virtualizaiton 网络驱动，同样Microsoft 也在自己发行版里面添加对KVM 的virtio 和xen-pv 驱动支持。

 

虚拟机迁移支持：虽然不同虚拟化厂商的para-virtualization 方案都不相同，由于主流操作系统都同时提供对这些方案的支持；所以这类型虚拟子机可迁移性也比较容易实现。

 

3、pass-through

 

原理：Hypervisor 将一个PCI 设备（可以是网卡、USB 、光驱）直接分配给指定虚拟子机单独访问。为了安全和稳定性考虑，pass-through 使用通常结合intel VT-D （AMD 也有类似技术）来使用，通过iommu 保证虚拟子机之间内存访问不冲突。这种技术在VMware 上叫 VMDirectPath I/O ，其他方案中没有找到相关专门名词。不同方案有关 pci pass-through 资料如下： VMware(http://kb.vmware.com/selfservice/microsites/search.do?language=en_US&cmd=displayKC&externalId=1010789  ; http://www.vmware.com/pdf/vsp_4_vmdirectpath_host.pdf  ; )  、 KVM(http://publib.boulder.ibm.com/infocenter/lnxinfo/v3r0m0/index.jsp?topic=%2Fliaat%2Fliaatbppcipassthru.htm)、XEN(http://wiki.xen.org/wiki/Xen_PCI_Passthrough)

优点：性能好。单独 PCI 设备分配给虚拟子机，虚拟子机直接跟物理设备通信。

缺点：设备只能被一个虚拟子机使用，配置也比较复杂，首先需要再 hypervisor  将制定设备通过 PCI id 方式分配给指定虚拟子机，然后虚拟子机识别到设备再安装驱动来使用。

迁移性：迁移性方面待研究，有兴趣的朋友可以补充完善。

4、SRIOV

背景：pass-through 模型让虚拟子机直接使用物理设备，这样使得虚拟子机的网络性能达到最优。SRIOV 主要用来解决pass-through 只能被一台虚拟子机访问的问题。SRIOV 标准由PCI-SIG ，这个标准实现需要CPU 、芯片组和PCI 设备（主要是网卡等I/O 资源）协同在硬件层面实现，SRIOV 被很多人认为是解决了虚拟化最后一公里的问题。模型图如下：

 

 

原理：SIROV 需要网卡硬件支持，支持SIROV 功能的网卡可以在Hypervior 里面注册成多个网卡（每个网卡都独立的中断ID 、收发队列、QOS 管理机制）。每个设备可以通过pass-through 方式分配给虚拟子机。

产品：常见就是基于intel 82599 和82598 芯片组的10Gb 网卡。VMware 、Redhat 、Citrix 和Microsoft 都已经或者正在Hypervisor 里面添加这个功能的支持。下面是一篇基于KVM 的SRIOV 性能测试报告。( http://www.principledtechnologies.com/clients/reports/Red%20Hat/RHEL6_SR-IOV_DB0111.pdf) ，不同厂商虚拟化方案都不尽相同，有兴趣可以在google 里面搜索到更多资料。

 

优点：优点不用说，X86 虚拟化最新的IO 虚拟化模型；虚拟机不但 性能好，而且结合硬件功能，为虚拟机IO 管理提出了一个新方案。

 

缺点：待定

迁移性：SRIOV 同时需要硬件和软件两个层面支持，虚拟子机在相同网卡主机之间理论迁移时不会有问题。具体还要看虚拟化厂商实现。

 

 

 

Reference:

1.       VMwaree 虚拟机可用网络模块（ http://kb.vmware.com/selfservice/microsites/search.do?language=en_US&cmd=displayKC&externalId=1001805 ）

2.       QEMU 仿真技术（ http://en.wikipedia.org/wiki/QEMU ）

3.       VMware I/O architecture for virtualization （ http://labs.vmware.com/download/79/   ）

4.       Microsoft Hyper-v ( http://en.wikipedia.org/wiki/Hyper-V)

5.       Redhat 虚拟化管理配置文档（ https://access.redhat.com/knowledge/docs/en-US/Red_Hat_Enterprise_Linux/6/html-single/Virtualization_Host_Configuration_and_Guest_Installation_Guide/index.html#id3138450 ）