华为FusionSphere 6.5.0 虚拟化套件SSD直通技术白皮书
9页1、华为FusionSphere 6.5.0虚拟化套件SSD直通技术白皮书目 录1NVMe SSD直通11.1概述11.2原理11.2.1 PCI直通11.2.2 NVMe SSD32华为方案42.1方案简介42.2方案特点42.3方案约束43NVMe SSD直通应用场景54缩略语表61 NVMe SSD直通1.1 概述存储虚拟化让IT管理员可以通过一种便利的方式管理数据中心的存储设备,简化管理。通过精简卷提高了资源利用率,但虚拟化技术增加了虚拟机IO访问路径长度、主机上用户态与内核态切换次数,同一设备上的资源竞争,导致IO性能有所损失。设备直通技术为虚拟机提供了一种机制来直接访问物理设备,以减小虚拟化带来的开销,使虚拟机有接近物理设备的性能。随着计算机能力的不断增强,存储技术也在不断的发生变化,SSD的出现,摆脱了传统HDD的磁头、盘片及电机等机械部件,不会出现任何机械故障,相对于HDD而言,SSD在性能、可靠性、能耗方面都有着绝对的优势,基于NVME协议标准的SSD相比使用SATA接口与AHCI标准的SSD大幅的降低了延迟、提升了IOPS,使得SSD的随机性能得到了极大的提升。虚拟化环
2、境下在对IO性能有极致需求的场景下面临着极大的挑战,基于普通存储设备提供的存储虚拟化能力根本无法满足诉求,NVMe SSD直通可以完美的解决这一问题,直通技术解决了虚拟化带来的开销,NVMe SSD提供最强的硬件能力。1.2 原理1.2.1 PCI直通SSD直通是将SSD设备作为PCI设备通过PCI直通技术完成,当前有两种直通设备实现方式:kvm pci-assign和VFIO。在虚拟机看来,直通设备是物理上连接在PCI或者PCI-E总线上的,虚拟机对该设备的I/O交互操作和实际的物理设备操作完全一样。1.2.1.1 PCI-ASSIGN使用pci-assign方式时,通过硬件虚拟化技术将宿主机中的物理 PCI 设备直接分配给虚拟机,虚拟机以独占方式访问宿主机的 PCI/PCI-E 设备,这种方式存在一些缺陷, KVM 是hypervisor并不是设备驱动,资源访问方式与安全启动并不兼容,仅支持PCI设备、X86平台、KVM虚拟化引擎。 pci-assign直通图1.2.1.2 VFIO & IOMMUVFIO是一种新的设备直通技术,很好的解决了pci-assign存在的问题,VFIO
3、是一套用户态驱动框架,可以安全的把设备I/O、中断、DMA等暴露到用户空间,在用户空间完成设备驱动的框架。用户空间直接访问设备,虚拟机设备分配可以获得更高的IO性能。VFIO实现用户空间设备驱动时通过IOMMU可以将DMA以安全可控的方式暴露到用户空间,IOMMU的引入对设备进行了限制,设备I/O地址需要经过IOMMU重映射为内存物理地址,恶意的或存在错误的设备不能读写没有被明确映射过的内存,运行在cpu上的操作系统以互斥的方式管理MMU与IOMMU,物理设备不能绕行或污染可配置的内存管理表项。 VFIO内核组件图l vfio interface: vfio通过设备文件向用户空间提供统一访问接口。l vfio_iommu_driver:为vfio提供了IOMMU重映射驱动,即向用户空间暴露DMA操作。l vfio-pci:vfio支持pci设备pass-through,vfio-pci作为pci driver挂载到pci总线,提供将pci设备io、interrupt暴露到用户空间实现。1.2.2 NVMe SSD传统机械硬盘和固态硬盘均属于非易失存储器。传统的机械硬盘采用的是磁介质,通
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