I/O虛擬化將重新定義 PCI Express的功能

過(guò)去幾年，PCI Express(以下簡(jiǎn)稱(chēng) PCIe)總線(xiàn)逐漸成為一種適用于網(wǎng)絡(luò )應用、具有高效率和成本效益的平臺。PCIe 的發(fā)展是為了克服過(guò)去并行計算機總線(xiàn)架構在性能、可擴展性以及配置等方面的限制，這種通用的串行 I/O 互連技術(shù)已被企業(yè)型、桌上型、移動(dòng)、通信及嵌入式等各種應用廣泛采用。盡管普及度已相當廣泛，業(yè)界卻普遍認為：PCIe 總線(xiàn)的功能還是無(wú)法滿(mǎn)足高性能存儲和網(wǎng)絡(luò )獨特的 I/O 需求。

PCIe 標準的擴展正在逐漸改變這種觀(guān)念。PCI-SIG 工作小組正在討論一種新的規范，即為 PCIe 添加 I/O 虛擬化功能。這項新功能使網(wǎng)絡(luò )管理員可在不同 CPU 或 CPU 群組間虛擬并共享外設和端點(diǎn)。

I/O虛擬級別

初級 PCIe 拓撲結構具有映射到特定根聯(lián)合體(Root Complex)的專(zhuān)屬端點(diǎn)。在這樣的環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)物理端點(diǎn)都對應連到一個(gè)系統映像(System Image)，且無(wú)法共享。而在新規范中，根聯(lián)合體拓撲結構則提供兩個(gè)級別的I/O虛擬。在第一個(gè)級別中，被稱(chēng)為單根(Single-Root)I/O 虛擬(IOV)，它由物理端點(diǎn)本身提供虛擬功能。這個(gè)端點(diǎn)可支持一個(gè)或多個(gè)虛擬端點(diǎn)(VE: Virtual Endpoints)，并利用各種機制使各種系統映像和資源 DMA中每個(gè)虛擬端點(diǎn)直接進(jìn)行 I/O 與內存操作，完成和中斷系統映像的操作，而不會(huì )影響運行時(shí)間。在第二個(gè)級別中，被稱(chēng)為多根(Multi-Root)IOV，采用多根(MR)交換器與 MR 端點(diǎn)來(lái)擴展虛擬化功能。MR 交換器與 MR 端點(diǎn)都有讓多個(gè)根聯(lián)合體與系統映像能分享共同端點(diǎn)的機制(見(jiàn)圖1)。

圖1 I/O虛擬化系統模型

I/O 虛擬化的優(yōu)勢

I/O虛擬化有許多具有吸引力的優(yōu)點(diǎn)。首先，也是最重要的，它能用于改善系統的利用率。每個(gè)虛擬系統都需要自己專(zhuān)屬的 I/O 資源，在許多物理配置中，客戶(hù)端或服務(wù)器上 I/O插槽的數量可能不能滿(mǎn)足每個(gè)虛擬系統所需的專(zhuān)屬 I/O端點(diǎn)需求。有了足夠的物理 I/O 端點(diǎn)，這種拓撲結構便可以讓虛擬系統分享利用率偏低的端點(diǎn)。

此外，集中管理的 I/O 資源的使用，不但能改善 I/O 的可擴展性，同時(shí)還能簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )的管理。服務(wù)器能適時(shí)控制對資源的訪(fǎng)問(wèn)。通過(guò)集中式交換器管理 I/O，網(wǎng)絡(luò )管理員還能更容易且有效率地分配各項資源。

I/O 虛擬化的集中管理模式使網(wǎng)絡(luò )管理員可優(yōu)化管理網(wǎng)絡(luò ) I/O 的流量平衡以及帶寬。如果虛擬系統需要更多的帶寬，網(wǎng)絡(luò )管理員可分配更多的物理端點(diǎn)容量給該虛擬系統。如果虛擬系統消耗了比正常使用情形更多的 I/O 資源，管理員也可以將其使用消耗設定降低至默認值。

最后，I/O 虛擬化也有助于提高網(wǎng)絡(luò )的可靠性。通過(guò)消除網(wǎng)絡(luò )基礎架構中多余的外設與端口，減少網(wǎng)絡(luò )中組件的使用數量，便能降低失效率。由于網(wǎng)絡(luò )管理員能根據性能需求更好地配置 I/O 資源，從而減少適配卡、電纜和端口的使用數量，因此 I/O 虛擬化可顯著(zhù)降低網(wǎng)絡(luò )成本。

服務(wù)器和存儲行業(yè)的大多數廠(chǎng)商將 PCIe視為一種橋接或過(guò)渡技術(shù)。他們相信未來(lái)的系統將采用一種能提供非常專(zhuān)業(yè)化功能的新總線(xiàn)架構，以支持高性能網(wǎng)絡(luò )環(huán)境對特殊 I/O 的需求。而 PCIe 加入 I/O 虛擬化功能將改變這種看法。加入這項新功能使多 CPU 的系統配置可共享外設及端點(diǎn)，并且隨著(zhù)總線(xiàn)的大量使用以及對生態(tài)系統廠(chǎng)商的支持，PCIe 將提供無(wú)與倫比的競爭優(yōu)勢。