私有云SR-IOV虚拟网络性能

1. SR-IOV 介绍

SR-IOV 标准允许在虚拟机之间高效共享 PCIe（Peripheral Component Interconnect Express，快速外设组件互连）设备，并且它是在硬件中实现的，可以获得能够与本机性能媲美的 I/O 性能。SR-IOV 规范定义了新的标准，根据该标准，创建的新设备可允许将虚拟机直接连接到 I/O 设备。

单个 I/O 资源可由许多虚拟机共享。共享的设备将提供专用的资源，并且还使用共享的通用资源。这样，每个虚拟机都可访问唯一的资源。因此，启用了 SR-IOV 并且具有适当的硬件和 OS 支持的 PCIe 设备（例如以太网端口）可以显示为多个单独的物理设备，每个都具有自己的 PCIe 配置空间。

下图展示了针对 PCIe 硬件的 SR-IOV 技术体系示意图。

图 1 SR-IOV 技术体系架构

支持 SR-IOV 的网卡主要功能模块分为：

物理功能 (Physical Function, PF)

支持 SR-IOV 的管理。可以创建 VF，对于网卡，理论上可以创建 256 个 VF。一般情况下， 千兆网卡能支持达 7 个 VF， 万兆网卡能支持达 63 个 VF。

虚拟功能 (Virtual Function, VF)

VF 可以理解为一个虚拟网卡，拥有独立内存空间、中断和 Direct Memory Access (DMA) 流。VF 是 PF 虚拟出的一个实例，以一个独立的网卡形式展现。VF 是一种轻量级 PCIe 功能，可以与 PF 以及其创建的所有 VF 共享一个或多个物理资源。

交换功能 (Layer 2 Classifier/Sorter switch)

这个交换机其实是物理网卡内置的。流量进入物理网卡后，经过这个交换机然后分发到不同的 VF 上。

使用 SR-IOV 技术的主要优点是：

提高虚拟机包转发效率

减少报文在主机内部的传输延时以及延时抖动

由于绕过了主机的协议栈以及 VMM（Virtual Machine Manager），减少了主机在网络报文收发中的资源消耗

同时，由于 SR-IOV 技术使虚拟机通过 PCI-passthrough 的方式直接使用 VF，绕过了主机的内核协议栈以及 VMM，故存在以下局限：

Host 无法监控 VF 的状态

安全组无法应用

虚拟机热迁移无法实现，迁移的支持能力不够灵活

对 HA 的支持不太高

sriov 不支持 vxlan

2. SR-IOV 性能

本测试对比测试万兆网络中 SRIOV 虚拟机和 OVS 虚拟机在网络负载较高情况下的虚拟网络表现，总结分析，同时为以后 SRIOV 虚拟机和其它类型的虚拟机做对比给出参考。

2.1 测试性能指标

主要对以下几个网络性能指标进行测试：

负载（OfferedLoad）：网络流量负荷百分比，当前流量占端口速率的比例（百分比）

包速（Frame Per-second）：数据包每秒的收 / 发个数

平均时延（Average Latency）：数据包传输的平均延迟（毫秒，ms）

2.2 测试拓扑图

SR-IOV 测试环境网络拓扑：

Openvswitch 测试环境网络拓扑：

2.3 测试结果

可以看出 SR-IOV 各方面性能都要优于 Openvswitch。

3. SR-IOV 高可用方案

因为采用 SR-IOV，虚拟机流量不经过宿主机操作系统，所以不能在宿主机操作系统层面做高可用，必须在虚拟机内部做高可用。SR-IOV 高可用方案如下图：

（1） vm 挂载不同 pf 的 vf，在 vm 内部配置网卡 bond，可以根据需求选择 balance-rr、active-backup 或者 balance-xor 策略。

（2） vm 挂载的 vf 的 mac 地址必须设置成一样。这样在虚拟机配置网卡 bond 的情况下，仍然可以使用 vf 的 mac spoofing check 功能。

（3） pf 配置 lacp bond，交换机侧配置动态链路聚合，实现聚合带宽的动态调整。

4. OpenStack 创建 SR-IOV 虚拟机过程

Openstack 默认不支持 SR-IOV 的高可用，neutron 中一个逻辑的 port 对应一个 vf 口。所以我们需要对 openstack 进行改造，总体思路是，通过在调用 Neutron Create Port 的 api 时候，对 Port 打上 bond 标签，Nova 在创建虚机的时候通过读取到对应 port 的 bond 标签，为该 port 分配两个 VF 口，并且在分配 VF 口的 pci 资源的时候，默认的把两个 vf 分配在不同的 pf 上。对应在 port 的 binding:profile 上需要展示使用的两个 vf 口的 pci 信息。

4.1 调用 neutron api 创建 sriov 的 port

调用 neutron 接口创建 sriov port，在 profile 中对 Port 打上 bond 标签，这里无需赘述。命令如下：

4.2 调用 nova api 创建虚拟机

入口为 nova/api/openstack/compute/servers 的 create 方法，检查一系列参数和 policy，然后调用 compute_api 的 create 方法:

compute_api 是 nova/compute/api.py 模块，在该文件中找到 create 方法，该方法接着调用 _create_instance 方法，在 _create_instance 方法中调用 _validate_and_build_base_options 方法对所有的输入参数和策略做检查，并且封装 pci 请求。封装 pci 请求的方法是 nova/network/neutronv2/api.py 的 create_pci_requests_for_sriov_ports 方法，该方法会先调用 neutron api 获取 port 的 vnic_type、phynet_name、bond 属性，根据 bond 属性确定 vf 的数量（bond 为 true，vf 的数量是 2，否则 vf 数量是 1）。

返回到 nova/compute/api.py 的 _create_instance 方法，该方法接着调用 compute_task_api 的 schedule_and_build_instances 方法:

compute_task_api 是 nova/conductor/api.py 模块。这里没有执行什么操作，直接调用了 conductor_compute_rpcapi 的 schedule_and_build_instances 方法:

该方法远程过程调用 api，即 nova/conductor/rpcapi.py 模块，该方法会对版本进行检查，然后调用 RPC:

cast 表示异步调用，schedule_and_build_instances 是远程调用的方法，kw 是传递的参数。现在 nova-api 任务完成，此时会响应用户请求，虚拟机状态为 building。

4.3 nova conductor

nova-api 向 nova-conductor 发起 RPC 调用，进程跳到 nova-conductor 服务，入口为 nova/conductor/manager.py 的 schedule_and_build_instances 方法，该方法首先调用了 _schedule_instances 方法，在 _schedule_instances 方法中调用了 scheduler_client 的 select_destinations 方法:

这个方法最终调用到 nova/scheduler/client/query.py 下的 select_destinations 方法，执行 RPC 的调用。

RPC 封装同样是在 scheduler 的 rpcapi 中实现。该方法 RPC 调用代码如下:

Call 表示同步调用，此时 nova-conductor 并不会退出，而是堵塞等待直到 nova-scheduler 返回。因此当前状态为 nova-conductor 为 blocked 状态，等待 nova-scheduler 返回，nova-scheduler 接管任务。

4.4 nova scheduler

nova scheduler 中入口为 nova/scheduler/manager.py 模块的 select_destinations 方法，该方法会调用 driver 的 select_destinations 方法，这里的 driver 是调度算法实现，通过 filters 过滤掉不满足条件的计算节点，剩下的节点通过 weigh 方法计算权值，最后选择权值高的作为候选计算节点返回。最后 nova-scheduler 返回调度结果的 hosts 集合，任务结束，返回到 nova-conductor 服务。

nova/scheduler/manager.py

nova/scheduler/driver.py

nova/scheduler/filter_scheduler.py

4.5 nova condutor

回到 nova-conductor 的 schedule_and_build_instances 方法，nova-conductor 等待 nova-scheduler 返回后，拿到调度的计算节点列表。因为可能同时启动多个虚拟机，因此循环调用了 compute_rpcapi 的 build_and_run_instance 方法。

Compute_rpcpai 位于 nova/compute/rpcapi 模块，该方法向 nova-compute 发起 RPC 请求：

发起的是异步 RPC，因此 nova-conductor 任务结束，进入 nova-compute 服务。

4.6 nova compute

入口是 nova/compute/manager.py 的 build_and_run_instance 方法，该方法会调用 _do_build_and_run_instance 方法，该方法会更新虚拟机状态，然后调用 _build_and_run_instance 方法，该方法会预先声明占用计算节点的资源。

其中在 instance_claim 方法中会处理 pci 的请求，instance_claim→ claim_instance （nova/pci/manager.py）→_claim_instance →consume_requests （nova/pci/stats.py）, 在 nova/pci/stats.py 中会根据不同的网卡把 pci 资源分为不同的 pool。

在 consume_requests 方法中会具体分配 pci 资源也就是 vf，

先根据剩余可用的 vf 的数量将 pool 进行排序，如果 port 的 bond 属性为 false，则 count 数量为 1，则从可用 vf 数量最多的 pool 中分配一个 vf，这样使不同网卡的负载尽量均衡。如果 port 的 bond 属性为 true，则 count 数量为 2，则从两个 pool 中各分配一个 vf，达到高可用的目的。

回到 nova/compute/manager.py 的 build_and_run_instance 方法，这个方法接下来会调用 spawn_n 方法，开始真正创建虚拟机。这里不同的虚拟机技术对应不同的 driver，其中 libvrit 的 driver 对应 nova/virt/libvirt/driver.py。从 spawn 方法开始，会先获取 instance 的磁盘、镜像、网络等信息，然后生成 instance 的 xml 文件。

在 _get_guest_xml 方法中会调用 _get_guest_config 方法，其中 sriov 网卡的部分如下：

这里如果 port 的 bond 为 true，则会将两块网卡的信息写入 xml 文件中。

回到 spawn 方法，接下来会调用 _create_domain_and_network 方法，该方法会调用 plug_vifs 方法创建 qbr 和 qvo，接着创建虚拟机，虚拟机状态为 pause。然后等待 neutron-server 的消息，如果等到消息后将虚拟机状态改为 running，否则超时没有等到，则将虚拟机销毁。

4.7 neutron sriov agent

在 neutron/plugins/ml2/ drivers/mech_sriov/ agent/sriov_nic_agent.py 中 daemon_loop 方法会定时检测 vf 的状态变化，如果有 vf 发生变化，进入 process_network_devices 方法，在该方法中，会根据 vf 的状态是添加更改删除做不同的处理。

其中在 treat_devices_added_updated 方法中，如果 port 的 bond 为 true，需要更新两个 vf 的状态：

然后会调用 rpc，通知 neutron-server 更新状态。

这里是同步调用，neutron-server 接收到消息后，会向 nova 发送更新 port 的消息，接着 nova compute 会 resume 状态是 pause 的虚拟机。

至此，带有 sriov 高可用网卡的虚拟机创建完成。