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

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​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​​）。​

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​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。​

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​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。​

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​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。​

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​这​​4​​个主流网络​​I/O​​模型分别是：​

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​1、Emulation​

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​原理：​

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​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：​

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​不同虚拟化厂商的虚拟网卡产品都不尽相同。​

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​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）。​

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​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）。​

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

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​优点：​

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​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。​

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​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。​

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​缺点：​

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​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。​

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​虚拟机迁移支持：​

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​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。​

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​2、para-virtualization​

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​原理：​

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​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：​

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​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）。​

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​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。​

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​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。​

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​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。​

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​3、pass-through​

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​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)​

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​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。​

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​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。​

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​迁移性：迁移性方面待研究，有兴趣的朋友可以补充完善。​

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​4、SRIOV​

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​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：​

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​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。​

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​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。​

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​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。​

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​缺点：待定​

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​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。​

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​Reference:​

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​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​​）​

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

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

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

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​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​​）​

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