【博文推薦】KVM虛擬化網絡優化技術總結

作者：xiaoli110 2014-12-11 10:31:22

云計算

KVM的網絡優化方案，總的來說，就是讓虛擬機訪問物理網卡的層數更少，直至對物理網卡的單獨占領，和物理機一樣的使用物理網卡，達到和物理機一樣的網絡性能。本博文中，作者通過五個操作實例的分享，與大家探討KVM網絡優化的具體方案。

一個完整的數據包從虛擬機到物理機的路徑是：

虛擬機--QEMU虛擬網卡--虛擬化層--內核網橋--物理網卡

KVM的網絡優化方案，總的來說，就是讓虛擬機訪問物理網卡的層數更少，直至對物理網卡的單獨占領，和物理機一樣的使用物理網卡，達到和物理機一樣的網絡性能。

方案一全虛擬化網卡和virtio

Virtio與全虛擬化網卡區別

全虛擬化網卡是虛擬化層完全模擬出來的網卡，半虛擬化網卡通過驅動對操作系統做了改造；

viritio簡單的說，就是告訴虛擬機，hi 你就是在一個虛擬化平臺上跑，咱們一起做一些改動，讓你在虛擬化平臺上獲得更好的性能；

關于virtio的使用場景

因為windows虛擬機使用viritio有網絡閃斷的情況發生，windows 虛擬機如果網絡壓力不高，建議使用e1000這樣的全虛擬化網卡，如果網絡壓力比較高，建議使用SRIVO或者PCI Device Assignment這樣的技術；viritio也在不斷的演進，希望windows的閃斷的問題越來越少。

KVM天生就是為linux系統設計的，linux系統請放心大膽的使用viritio驅動；

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方案二 vhost_net macvtap技術

vhost_net使虛擬機的網絡通訊直接繞過用戶空間的虛擬化層，直接可以和內核通訊，從而提供虛擬機的網絡性能；

macvtap則是跳過內核的網橋；

使用vhost_net，必須使用virtio半虛擬化網卡；

vhost_net虛擬機xml文件配置，

<interface type='bridge'> 
     <mac address=''/> 
     <source bridge='br0'/> 
     <model type='virtio'/> 
<driver name="vhost"/> 
     <address type='pci' domain='0x0000' bus='0x00' slot='0x03' function='0x0'/> 
   </interface>

如果不使用vhost_net，則為

<driver name="qemu"/>

macvtap 虛擬機xml配置

<interface type='direct'> 
      <mac address='00:16:3e:d5:d6:77'/> 
      <source dev='lo' mode='bridge'/> 
      <model type='e1000'/> 
      <address type='pci' domain='0x0000' bus='0x00' slot='0x03' function='0x0'/> 
    </interface>

注意：macvtap在windows虛擬機上性能很差，不建議使用

vhost_net macvtap比較

macvlan的功能是給同一個物理網卡配置多個MAC地址，這樣可以在軟件商配置多個以太網口，屬于物理層的功能。

macvtap是用來替代TUN/TAP和Bridge內核模塊，macvtap是基于macvlan這個模塊，提供TUN/TAP中tap設備使用的接口，

使用macvtap以太網口的虛擬機能夠通過tap設備接口，直接將數據傳遞到內核中對應的macvtap以太網口。

vhost-net是對于virtio的優化，virtio本來是設計用于進行客戶系統的前端與VMM的后端通信，減少硬件虛擬化方式下根模式個非根模式的切換。

而是用vhost-net后，可以進一步進入CPU的根模式后，需要進入用戶態將數據發送到tap設備后再次切入內核態的開銷，而是進入內核態后不需要在進行內核態用戶態的切換，進一步減少這種特權級的切換，說vhost-net屬于哪個層不準確，而是屬于進行二層網絡數據傳遞的優化。

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方案三虛擬機網卡獨占

網卡passthrough在虛擬機的配置方法

1 使用lcpci 設備查看pci設備信息

04:00.0 Ethernet controller: Intel Corporation 82571EB Gigabit Ethernet Controller (rev 06) 
04:00.1 Ethernet controller: Intel Corporation 82571EB Gigabit Ethernet Controller (rev 06)

也可以使用virsh nodedev-list –tree得到信息

+- pci_0000_00_07_0 
|   | 
|   +- pci_0000_04_00_0 
|   |   | 
|   |   +- net_p1p1_00_1b_21_88_69_dc 
|   |   
|   +- pci_0000_04_00_1 
|       | 
|       +- net_p1p2_00_1b_21_88_69_dd

2 使用virsh nodedev-dumxml pci_0000_04_00_0得到xml配置信息

[root@]# virsh nodedev-dumpxml pci_0000_04_00_0

<device> 
<name>pci_0000_04_00_0</name> 
<parent>pci_0000_00_07_0</parent> 
<driver> 
   <name>e1000e</name> 
</driver> 
<capability type='pci'> 
   <domain>0</domain> 
   <bus>4</bus> 
   <slot>0</slot> 
   <function>0</function> 
   <product id='0x105e'>82571EB Gigabit Ethernet Controller</product> 
   <vendor id='0x8086'>Intel Corporation</vendor> 
</capability> 
</device>

3 編輯虛擬機xml文件，加入pci設備信息

<hostdev mode='subsystem' type='pci' managed='yes'> 
     <source> 
       <address domain='0x0000' bus='0x04' slot='0x00' function='0x0'/> 
     </source> 
</hostdev>

Domain bus slot function信息從dumpxml出的xml文件獲取，define虛擬機，然后開啟虛擬機就可以，注意以為附件上去的是物理設備，需要在系統里面安裝相應的驅動。

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方案四 SR-IVO技術

SRIOV的原理

SR-IVO 是the single root I/O virtualization 的簡寫，是一個將PCIe共享給虛擬機使用的標準，目前用在網絡設備上比較多，理論上也可以支持其他的PCI設備，SRIOV需要硬件的支持。

以下內容來自oracle網站，鏈接為
http://docs.oracle.com/cd/E38902_01/html/E38873/glbzi.html

物理功能 (Physical Function, PF)

用于支持 SR-IOV 功能的 PCI 功能，如 SR-IOV 規范中定義。PF 包含 SR-IOV 功能結構，用于管理 SR-IOV 功能。PF 是全功能的 PCIe 功能，可以像其他任何 PCIe 設備一樣進行發現、管理和處理。PF 擁有完全配置資源，可以用于配置或控制 PCIe 設備。

虛擬功能 (Virtual Function, VF)

與物理功能關聯的一種功能。VF 是一種輕量級 PCIe 功能，可以與物理功能以及與同一物理功能關聯的其他 VF 共享一個或多個物理資源。VF 僅允許擁有用于其自身行為的配置資源。

每個 SR-IOV 設備都可有一個物理功能 (Physical Function, PF)，并且每個 PF 最多可有 64,000 個與其關聯的虛擬功能 (Virtual Function, VF)。PF 可以通過寄存器創建 VF，這些寄存器設計有專用于此目的的屬性。

一旦在 PF 中啟用了 SR-IOV，就可以通過 PF 的總線、設備和功能編號（路由 ID）訪問各個 VF 的 PCI 配置空間。每個 VF 都具有一個 PCI 內存空間，用于映射其寄存器集。VF 設備驅動程序對寄存器集進行操作以啟用其功能，并且顯示為實際存在的 PCI 設備。創建 VF 后，可以直接將其指定給 IO 來賓域或各個應用程序（如裸機平臺上的 Oracle Solaris Zones）。此功能使得虛擬功能可以共享物理設備，并在沒有 CPU 和虛擬機管理程序軟件開銷的情況下執行 I/O。

SR-IOV 的優點

SR-IOV 標準允許在 IO 來賓域之間高效共享 PCIe 設備。SR-IOV 設備可以具有數百個與某個物理功能 (Physical Function, PF) 關聯的虛擬功能 (Virtual Function, VF)。VF 的創建可由 PF 通過設計用來開啟 SR-IOV 功能的寄存器以動態方式進行控制。缺省情況下，SR-IOV 功能處于禁用狀態，PF 充當傳統 PCIe 設備。

具有 SR-IOV 功能的設備可以利用以下優點：

1.性能－從虛擬機環境直接訪問硬件。

2.成本降低－節省的資本和運營開銷包括：

節能
減少了適配器數量
簡化了布線
減少了交換機端口

SRIOV的使用

啟動SRIVO內核模塊

modprobe igb

激活虛擬功能VF

modprobe igb max_vfs=7

千兆網卡最多支持8個vf0-7,千兆網卡目前支持比較好的是INTEL I350， 82576S雖然也支持SRIOV但是只支持虛擬機是linux的情況，windows系統不支持；

萬兆網卡最多支持64個vg0-63，intel的新新一代萬兆網卡都支持SRIOV x520 x540等；

如果需要重新設置vf 可以刪除模塊在重新加載

modprobe -r igb

將配置***寫入配置文件

echo "options igb max_vfs=7" >>/etc/modprobe.d/igb.conf

通過lspci命令可以看多主網卡和子網卡

# lspci | grep 82576     
0b:00.0 Ethernet controller: Intel Corporation 82576 Gigabit Network Connection (rev 01)     
0b:00.1 Ethernet controller: Intel Corporation 82576 Gigabit Network Connection (rev 01)     
0b:10.0 Ethernet controller: Intel Corporation 82576 Virtual Function (rev 01)     
0b:10.1 Ethernet controller: Intel Corporation 82576 Virtual Function (rev 01)     
0b:10.2 Ethernet controller: Intel Corporation 82576 Virtual Function (rev 01)     
0b:10.3 Ethernet controller: Intel Corporation 82576 Virtual Function (rev 01)     
0b:10.4 Ethernet controller: Intel Corporation 82576 Virtual Function (rev 01)     
0b:10.5 Ethernet controller: Intel Corporation 82576 Virtual Function (rev 01)     
0b:10.6 Ethernet controller: Intel Corporation 82576 Virtual Function (rev 01)     
0b:10.7 Ethernet controller: Intel Corporation 82576 Virtual Function (rev 01)     
0b:11.0 Ethernet controller: Intel Corporation 82576 Virtual Function (rev 01)     
0b:11.1 Ethernet controller: Intel Corporation 82576 Virtual Function (rev 01)     
0b:11.2 Ethernet controller: Intel Corporation 82576 Virtual Function (rev 01)     
0b:11.3 Ethernet controller: Intel Corporation 82576 Virtual Function (rev 01)     
0b:11.4 Ethernet controller: Intel Corporation 82576 Virtual Function (rev 01)     
0b:11.5 Ethernet controller: Intel Corporation 82576 Virtual Function (rev 01)

虛擬機可以聽過pci網卡獨占的方式使用子網卡；

<interface type='hostdev' managed='yes'>     
    <source>     
      <address type='pci' domain='0' bus='11' slot='16' function='0'/>     
    </source>     
  </interface>

#p#

方案五網卡多隊列

centos 7開始支持virtio網卡多隊列，可以大大提高虛擬機網絡性能，配置方法如下：

虛擬機的xml網卡配置

<interface type='network'> 
     <source network='default'/>        <model type='virtio'/>         <driver name='vhost' queues='N'/>    </interface>

N 1 - 8 最多支持8個隊列

在虛擬機上執行以下命令開啟多隊列網卡

#ethtool -L eth0 combined M

N 1 - 8 最多支持8個隊列

在虛擬機上執行以下命令開啟多隊列網卡

#ethtool -L eth0 combined M

KVM網絡優化方案個人認為以硬件為主，硬件上萬兆+SRIOV的方案會越來越普及，但是在線遷移的問題有待解決。

本文出自：http://xiaoli110.blog.51cto.com/1724/1558984

責任編輯：Ophira 來源： 51CTO

網絡優化 KVM