[發明專利]一種X86虛擬化條件下降低網絡I/O操作CPU開銷的系統

有效

• 申請號: 201210526670.8
• 申請日: 2012-12-08
• 公開（公告）號: CN103036759A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發明（設計）人: 張文博;徐繼偉;魏俊;鐘華;黃濤
• 申請（專利權）人: 中國科學院軟件研究所
• 主分類號: H04L12/46
• 分類號: H04L12/46;H04L12/861
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 顧煒

技術領域

本發明涉及數據緩存技術和X86平臺虛擬化中的I/O虛擬化技術，特別是一種X86虛擬化條件下降低網絡I/O操作CPU開銷的系統，屬于計算機技術領域。

背景技術

虛擬化技術已有50多年的歷史，它幾乎與操作系統同時產生，并伴隨著計算機硬件、操作系統和軟件的發展而逐步發展。虛擬化技術最早被用于IBM大型機上，以人們熟知的分時操作系統的形式出現，并且在之后的很長一段時間內一直存在于大型機領域。1974年，波佩克和戈登堡合寫論文《Formal?Requirements?for?Virtualizable?Third?Geneation?Architectures》，提出了著名的波佩克與戈德堡虛擬化需求，用于驗證某一計算機體系結構可否被有效虛擬化。后來，隨著80x86芯片的不斷成熟和在商業上取得的巨大成功，x86架構的計算機占據越來越重要的地位。由于虛擬化具有無可比擬的優勢，研究者試圖將虛擬化技術引入到X86架構中，但是x86架構在設計初期并沒有考慮虛擬化的問題，因此在x86虛擬化過程中遇到了巨大的困難。

為了解決這些困難，實現在x86平臺上的虛擬化，產業界、學術界的研究人員分別提出了全虛擬化、半虛擬化、硬件輔助虛擬化的解決方案，推出了VMWare、Xen、KVM、Hyper-V等虛擬化軟件，AMD和Intel公司也分別推出了支持硬件輔助虛擬化的CPU產品。

到目前為止，x86架構下的虛擬化模型主要分為4種，如圖1所示，獨立監控器模式、宿主模式、混合Ⅰ型和混合Ⅱ性。

獨立監控器模式：虛擬機管理器程序（VMM）直接在硬件上運行，它的指令具有最高優先級；操作系統運行在較低特權的模式，保證VMM對硬件具有完全的控制。VMM擁有硬件驅動程序，所有硬件受虛擬機管理器控制。

宿主模式：宿主操作系統運行在硬件上，并且對硬件具有完全的控制權限。VMM作為用戶態進程運行，這樣虛擬機管理器可以直接調用操作系統的驅動和服務來支持對I/O等設備的訪問。

混合Ⅰ型：這種模式是獨立監控器模式和宿主模式的一種混合形式，VMM直接運行在硬件上，具有最高管理權限；一個特權操作系統管理所有的本地設備驅動，負責處理整個系統的硬件訪問請求。

混合Ⅱ型：這種模式是獨立監控器模式和宿主模式的另外一種混合形式，VMM作為操作系統的一個模塊運行在操作系統的內核態，在操作系統的支持下它可以虛擬機分配CPU、內存等硬件資源。跟宿主模式不同的是，這種模式下，虛擬機運行在介于內核態和用戶態之間的一個新的特權模態，稱為來賓態。

所有這些模式都有一個共同的特點：虛擬機不能直接訪問I/O資源，都需要經過虛擬機VMM的調度來進行硬件訪問，這種方式被稱為I/O虛擬化。長期以來，對于I/O虛擬化的研究主要集中在效率和公平性兩個方面。隨著半虛擬化技術的應用，I/O虛擬化的效率有了非常大的提升，Xen、VMware等相繼使用半虛擬化技術提升I/O效率；針對公平性問題的研究成果也層數不窮。而I/O虛擬化的效率和公平性都伴隨著巨大的CPU的額外開銷，但是很少有研究致力于減少這種開銷，以提高系統的整體性能。

圖2表示的是Xen的半虛擬化網絡I/O解決方案，在xen中通常用“域”來表示一個虛擬機。圖中Dom0是一個特權域，安裝有原生硬件驅動和后端設備驅動。在VMM的調度下，Dom0通過后端驅動與DomU進行交互，并將DomU的網絡數據包通過原生設備驅動發送到物理網卡進行傳輸。DomU中的前端設備驅動在Xen的事件通道和I/O環機制的保障下，與Dom0進行數據交換。圖3所示為domU網絡數據發送示意圖，其中步驟1-8是Xen環境中I/O虛擬化中的額外開銷，對系統整體性能產生非常大的影響。實驗數據指出，虛擬機中部署Web服務器等I/O密集型應用時，其I/O的額外開銷可以高達45%~60%。

發明內容

本發明技術解決問題：針對I/O虛擬化中的CPU開銷過大的問題，提供一種X86虛擬化條件下降低網絡I/O操作占用CPU開銷的方法，可以有效的降低I/O虛擬化所占用的CPU開銷，提高I/O性能。

本發明技術解決方案：X86虛擬化條件下降低網絡I/O操作CPU開銷的系統，包括：位于VMM或Dom0的數據緩存模塊，網絡數據請求截留模塊和緩存數據交換通信模塊。如圖6、7、8所示。

數據緩存模塊：