分类： 服务器与存储
2008-07-06 15:32:42
我们知道对于服务器而言，很重要的一个组成部分就I/O，CPU的计算能力提升虽然可以更快地处理数据，但是前提是数据能够顺畅的到达CPU，因此，无论是存储，还是网络，以及图形卡、内存等，I/O能力都是企业级架构的一个重要部分。为此，人们不但在传输带宽上投资(比如从百兆以太网到千兆以太网再到万兆以太网)，还在各种系统和架构上进行了大量的投入(比如吞吐量更高的RAID系列、多层数据中心)。
在虚拟化技术中，随着整体处理器资源的利用效率的提升，对数据I/O也提出了更高的要求。
VMM虚拟机管理器必须提供I/O虚拟化来支持处理来自多个客户机的I/O请求，当前的虚拟化技术采用下列的方式来处理I/O虚拟化。
模拟I/O设备：VMM对客户机摸拟一个I/O设备，通过完全模拟设备的功能，客户机可以使用对应真实的驱动程序，这个方式可以提供完美的兼容性(而不管这个设备事实上存不存在)，但是显然这种模拟会影响到性能。作为例子，各种虚拟机在使用软盘映像提供虚拟软驱的时候，就运行在这样的方式，以及Virtual PC的模拟的真实的S3 Virge 3D显卡，VMware系列模拟的Sound Blaster 16声卡，都属于这种方式。
额外软件界面：这个模型比较像I/O模拟模型，VMM软件将提供一系列直通的设备接口给虚拟机，从而提升了虚拟化效率，这有点像Windows操作系统的DirectX技术，从而提供比I/O模拟模型更好的性能，当然兼容性有所降低，例如VMware模拟的VMware显卡就能提供不错的显示速度，不过不能完全支持DirectDraw技术，Direct3D技术就更不用想了。相似的还有VMware模拟的千兆网卡，等等，这些品牌完全虚拟的设备(例如，VMware牌显卡，VMware牌网卡)需要使用特制的驱动程序部分直接地和主机、硬件通信，比起以前完全模拟的通过虚拟机内的驱动程序访问虚拟机的十兆百兆网卡，可以提供更高的吞吐量。
现在的I/O设备虚拟化主要是采用模拟方式或者软件接口方式，因此性能上很容易成为瓶颈——毕竟传统的机器上，I/O设备都很容易成为瓶颈，因此Intel就适时提出了Intel Virtualization Technology for Directed I/O，简称为Intel VT-d。
I/O虚拟化的关键在于解决I/O设备与虚拟机数据交换的问题，而这部分主要相关的是DMA直接内存存取，以及IRQ中断请求，只要解决好这两个方面的隔离、保护以及性能问题，就是成功的I/O虚拟化。
和处理器上的Intel VT-i和VT-x一样，Intel VT-d技术是一种基于North Bridge北桥芯片(或者按照较新的说法：MCH)的硬件辅助虚拟化技术，通过在北桥中内置提供DMA虚拟化和IRQ虚拟化硬件，实现了新型的I/O虚拟化方式，Intel VT-d能够在虚拟环境中大大地提升 I/O 的可靠性、灵活性与性能。
传统的IOMMUs(I/O memory management units，I/O内存管理单元)提供了一种集中的方式管理所有的DMA——除了传统的内部DMA，还包括如AGP GART、TPT、RDMA over TCP/IP等这些特别的DMA，它通过在内存地址范围来区别设备，因此容易实现，却不容易实现DMA隔离，因此VT-d通过更新设计的IOMMU架构，实现了多个DMA保护区域的存在，最终实现了DMA虚拟化。这个技术也叫做DMA Remapping。
I/O设备会产生非常多的中断请求，I/O虚拟化必须正确地分离这些请求，并路由到不同的虚拟机上。传统设备的中断请求可以具有两种方式：一种将通过I/O中断控制器路由，一种是通过DMA写请求直接发送出去的MSI(message signaled interrupts，消息中断)，由于需要在DMA请求内嵌入目标内存地址，因此这个架构须要完全访问所有的内存地址，并不能实现中断隔离。
VT-d实现的中断重映射(interrupt-remapping)架构通过重新定义MSI的格式来解决这个问题，新的MSI仍然是一个DMA写请求的形式，不过并不嵌入目标内存地址，取而代之的是一个消息ID，通过维护一个表结构，硬件可以通过不同的消息ID辨认不同的虚拟机区域。VT-d实现的中断重映射可以支持所有的I/O源，包括IOAPICs，以及所有的中断类型，如通常的MSI以及扩展的MSI-X。
VT-d进行的改动还有很多，如硬件缓冲、地址翻译等，通过这些种种措施，VT-d实现了北桥芯片级别的I/O设备虚拟化。VT-d最终体现到虚拟化模型上的就是新增加了两种设备虚拟化方式：
左边是传统的I/O模拟虚拟化，右边是直接I/O设备分配
直接I/O设备分配：虚拟机直接分配物理I/O设备给虚拟机，这个模型下，虚拟机内部的驱动程序直接和硬件设备直接通信，只需要经过少量，或者不经过VMM的管理。为了系统的健壮性，需要硬件的虚拟化支持，以隔离和保护硬件资源只给指定的虚拟机使用，硬件同时还需要具备多个I/O容器分区来同时为多个虚拟机服务，这个模型几乎完全消除了在VMM中运行驱动程序的需求。例如CPU，虽然CPU不算是通常意义的I/O设备——不过它确实就是通过这种方式分配给虚拟机，当然CPU的资源还处在VMM的管理之下。
I/O设备共享：这个模型是I/O分配模型的一个扩展，对硬件具有很高的要求，需要设备支持多个功能接口，每个接口可以单独分配给一个虚拟机，这个模型无疑可以提供非常高的虚拟化性能表现。
运用VT-d技术，虚拟机得以使用直接I/O设备分配方式或者I/O设备共享方式来代替传统的设备模拟/额外设备接口方式，从而大大提升了虚拟化的I/O性能。
主流双路Xeon Stoakley平台将支持Intel VT-d技术
高端四路Caneland平台也会支持VT-d功能
根据资料表明，不日发布的Stoakley平台和Caneland平台上将包含VT-d功能，Stoakley平台是现在的Bensley的下一代产品，用于双路Xeon处理器，而Caneland则是Truland的继任者，用于四路Xeon处理器，这些芯片组都能支持最新的45nm Penryn处理器。
从Intel虚拟化技术发展路线图来看，虚拟化无疑是从处理器逐渐扩展到其他设备的，从VT-i/VT-x到VT-d就非常体现了这个过程，对于关注I/O性能的企业级应用而言，完成了处理器的虚拟化和I/O的虚拟化，整个平台的虚拟化就接近完成了，因此在未来，Intel将会持续地开发VT-d技术，将各种I/O设备中加入虚拟化特性，从而提供一个强大的虚拟化基础架构。
