今天，服務器(主機)所使用的處理器與4、5年前截然不同。過去，一臺服務器上只需要運行一個應用程序，因此這臺服務器上所有的I/O處理能力可以被單個應用程序所獨享。但今天，在虛擬化的數據中心里，主機上的網卡和HBA卡是被多個虛擬機所共享的。在傳統的服務器平臺體系結構中，網卡和HBA卡這兩種I/O適配器是相互獨立的，但現在，伴隨著iSCSI、NAS和FCoE等技術的發展，網卡和HBA卡有逐漸統一的趨勢，或者叫融合。未來的趨勢很明顯，主機上將只有一種物理I/O端口，所有的協議都通過它來進行通信。

混合I/O時代已經來臨

在虛擬化和網絡融合的環境中，虛擬機之間要競爭I/O資源，I/O適配器也必須處理多種類型的網絡I/O流量和存儲I/O流量。問題看起來很好解決，我們只需要配置高性能、高帶寬的10 Gbps以太網卡、10 Gbps FCoE卡、以及8 Gbps或16 Gbps的光纖通道卡，就能讓主機端更好地處理虛擬機的I/O請求。但事實上更大的挑戰在于，如何確保主機能夠將合適的帶寬資源在合適的時間分配給需要它的虛擬機。

服務器虛擬化應用如今已發展到第三個階段。在最初的時期，通常只有測試和開發系統才使用虛擬機;后來，人們開始在虛擬機上部署一些優先級較低的系統和負載較輕的應用。因此在前兩個階段，通過簡單的輪詢、將I/O資源平均分配給每個虛擬機的機制是可行的。但進入到第三階段，當關鍵應用和復雜應用開始部署到服務器虛擬化平臺之后，如何將合適的帶寬資源在合適的時間分配給需要它的虛擬機就顯得越發重要。

當那些關鍵的以及對性能有較高要求的應用系統虛擬化之后，I/O資源就不能再簡單的共享，并在虛擬機之間平均分配了。某些虛擬機需要更高的服務級別保證，需要獨享固定的帶寬。另一方面，輪詢機制會造成頻繁的系統中斷，對CPU的利用率產生負面影響。因此，確保I/O請求的及時響應，已成為重要應用程序能否成功遷移到虛擬化環境的關鍵因素。

有一個方法可以讓關鍵業務擁有充足的I/O資源，即為每個虛擬機都配置一個網卡或HBA卡，并將運行關鍵業務的虛擬機與該接口卡綁定。這樣工作是沒問題，但這種方法既不經濟，可能也沒有足夠的物理空間，而且，如果采用這個方案，那么每臺主機上運行的虛擬機的數量也會受到限制。

另一個可用的方案是為主機準備足夠的，甚至是超出需求的可用存儲和網絡帶寬，以便主機能夠有充足的I/O資源處理請求，并滿足其上運行的每個虛擬機的性能要求。但這種方法也不是非常劃算，因為大部分虛擬機并非每時每刻都需要較高I/O性能。此外，Hypervisor通常使用循環的排隊策略來分配共享的可用的帶寬，因此這種方法也需要頻繁的系統中斷操作，效率方面也有損失。

基于網絡適配器的虛擬I/O技術

網絡適配器層的I/O虛擬化技術主要由Brocade、Emulex和QLogic等幾家公司提供，他們都可以提供支持虛擬I/O功能的高速網絡適配器產品。雖然這種適配器仍然要被多個虛擬機所共享，但它仍然能夠保證運行關鍵業務的虛擬機有較高的服務級別。比如說，一個支持虛擬I/O功能的10GigE物理網絡適配器既可以劃分成多個虛擬網絡適配器，也可以為指定的虛擬機群組按百分比分配固定的帶寬。

在以上場景中，單塊10 GigE的物理網卡可以分成10個1GigE的虛擬網卡并靈活使用。比如，一個虛擬網卡專門用于虛擬機的遷移;另外幾個指定分配給那些特殊的虛擬機，以便保證關鍵應用的性能水平;而其余的虛擬網卡則納入資源池，供其它的虛擬機共享使用。

因為所有的I/O虛擬化工作都由硬件適配器處理，因此主機端hypervisor虛擬化管理軟件層的負擔相當小，主機可以回收大量的CPU資源。換句話說，CPU的內核不需要為管理I/O共享而進行頻繁的中斷操作。這種虛擬I/O技術，不僅自身可以支持更大密度的虛擬機數量，而節約的CPU處理能力也可以用來運行更多的虛擬機。

基于網絡適配器的虛擬I/O技術的另一個特性是可以在網卡上創建一個虛擬交換機。這個技術非常有價值，尤其是在服務器虛擬化環境中，它可以極大地降低出入服務器的網絡流量。利用這個功能，同一臺主機上的兩個虛擬機可以直接相互通訊(這種情況很常見)。以往，這種流量都需要經過外部的物理交換機處理。現在，虛擬交換機可以識別本地流量，并將這些流量限制在物理主機的內部。這個功能不但可以為主機內部的虛擬機提升性能，而且還可以提高整個網絡環境的效率。

最后要說的是，那些支持I/O虛擬化的網絡適配器還可以虛擬所用存儲協議的類型。例如，有些卡同時支持FC、FCoE、10Gbps以太網和iSCSI協議，那么用戶就能夠在不中斷服務器或虛擬機運行的前提下隨時變更端口的用途。今天，有些適配器還需要reboot才能變更配置，不過這種情況未來肯定會得到改變。

 

基于(網絡)設施的虛擬I/O技術

在基礎網絡架構層同樣可以實現I/O虛擬化。基于網絡設施的虛擬化既可以單獨使用，也可以與支持虛擬化的網絡適配器協同工作。在基礎網絡設施層，I/O的虛擬化有兩種實現方式。第一種是交換機自身支持虛擬化，本質上是主機適配器端虛擬I/O功能的延伸與擴展;另一種則以網關設備的形式出現，它需要在主機端與網關之間構建出一個私有的I/O通道網絡，能夠實現更廣泛的I/O虛擬化功能，所以它通常也叫I/O網關。

基于交換機的虛擬I/O。由于能夠控制并分配網絡帶寬，主機內部的虛擬I/O網絡適配器無疑具有相當重要的價值。但是，如果另一端的交換機設備不知道如何管理它的話，那么其中很多優化功能將無法發揮作用。因此，像Brocade和Cisco等公司都推出了支持虛擬I/O的交換機產品，能夠在網絡層的各個方面確保虛擬機的性能保持在所需的水平。通過這些交換機，用戶可以識別虛擬機并且設置一定的策略，包括那些與性能相關的參數，比如設置QoS的低/中/高，或者調整總體可用帶寬的百分比。

只不過，虛擬I/O的管理策略不僅僅涉及性能部分，還可以針對每個虛擬機甚至是每個物理端口設置安全部分和其他參數。在服務器虛擬化應用環境里，當一個虛擬機從一臺主機遷移到另一臺主機時，這些網絡設置也能夠同虛擬機一起遷移。

讓人興奮的是，一些廠商開發的虛擬I/O解決方案支持交換機端與網絡適配器端相互通訊，那些在網絡適配器層設置的策略就可以在主機和交換機之間移動，甚至可達網絡設施的任何層面。如果沒有這些通訊機制，那么針對虛擬機的虛擬I/O設置將無法隨虛擬機一同遷移。(比如在某主機上針對某個虛擬機，我們將可用網絡I/O帶寬的25%分配給其專用，但當該虛擬機從本機遷移到另一臺主機之后，以上配置將丟失)。交換機層的虛擬I/O技術能夠支持這類配置隨虛擬機一起在虛擬化環境中任意遷移。

像服務器虛擬化一樣，有些交換機產品甚至可以實現交換機虛擬化。在這樣的場景中，網絡中的多個獨立的交換機看起來就好像一臺大的交換機，因為用戶可以在一點登錄并實施管理，而不需要登錄到每一臺獨立的交換機, 所以執行系統配置和策略管理都更加簡單。交換機虛擬化還可以提供更好的網絡可用性，即使其中一臺交換機發生故障，整個網絡環境依然可用。

虛擬I/O網關。業內提供虛擬I/O網關設備的公司包括Xsigo System公司以及Virtensys公司(Virtensys近期被Micron Technology公司收購)。虛擬I/O網關設備是一種類似于交換機的裝置，里面安裝了存儲接口卡和網絡接口卡，該裝置(及其上的I/O卡)可以被網絡中多臺服務器所共享。如果使用了虛擬I/O網關，那么多臺服務器之間的通訊就鎖定在一個由網關構建的私有的平面網絡體系之內。從某種程度上說，我們可以把虛擬I/O網關設備看成是服務器總線向外的擴展，I/O網關相當于服務器外部的PCI Express總線插槽，只不過這個擴展的總線是被多個主機所共享的。

用戶需要在服務器端安裝一個專用接口卡，用于與I/O網關互聯。有些廠商用的是PCIe總線擴展卡，但大部分廠商選擇使用Infiniband適配器或10Gbps以太網適配器。無論在服務器上安裝什么卡，其目的都是為了以相對較低的成本獲得最高的性能，以便實現PCI總線的對外擴展。

虛擬I/O網關與支持虛擬I/O的網絡適配器之間最主要的差別在于，多個服務器可以共享一塊安裝在虛擬I/O網關上的接口卡。從這個意義上來說，虛擬I/O網關在連接的靈活性以及資源優化方面具有比較明顯的優勢。

服務器上究竟要插哪種接口卡(連到I/O網關)，這取決于廠商的技術，既可以是定制的專用卡，也可以是現成的PCIe接口卡。通常，基于專用卡(的網關)具有更好的多主機共享能力。而基于現成PCI卡的網關則可以提供更多的靈活性，不過受限于今天所能采用的PCI卡的類型，其共享能力會受到一定的限制。

虛擬I/O網關的另一個好處是在未來升級時可以保護現有投資。因為接口卡和軟件驅動都由I/O網關廠商提供，所以實現不同網絡和存儲協議之間的轉換是很容易的事情。

舉個例子，如果當前存儲系統與服務器之間的連接通過光纖通道，那么當增加一個新的iSCSI存儲之后，主機端就需要換掉原來的光纖通道接口卡，或者在原有通道卡之外再增加以太網卡(除非服務器上已經使用了前文提到的支持虛擬I/O的網絡適配器)。而如果使用虛擬I/O網關方案，那么服務器上的接口卡可以保持不變，只需要在網關設備上安裝一塊共享的iSCSI卡即可。所以說，主機端只需要一塊卡就能實現光纖通道和iSCSI兩種連接功能。主機端唯一需要做的變化是軟件配置的升級，而任何一臺主機的物理配置都可以保持不動。這種方式不僅為網絡類型和協議的變更提供了最大的靈活性，而且因配置變更導致的服務器本身的宕機時間也更少。

虛擬I/O技術的選擇策略

用戶究竟應該選擇哪種虛擬I/O策略用于他們的數據中心，很大程度上取決于用戶眼前的需求以及長期的業務目標。比方說，如果用戶把提高主機端存儲和網絡I/O的性能作為首要改造目標的話，那么最佳方案是直接購買支持I/O虛擬化的網絡接口卡，而不是購買普通的(沒有I/O虛擬化功能)10GigE網卡。這個方案能夠幫助用戶更有效地利用萬兆網絡的帶寬，并且保證其中關鍵業務的優先服務水平。

如果用戶正在更新或者擴展他們的網絡和存儲基礎設施，那么增加一些I/O虛擬化組件是很值得考慮的事情。交換機層的虛擬I/O技術可以逐步升級，并且作為(支持虛擬I/O的)網絡接口卡方案的完美補充。

當企業中已有設施面臨升級時，利用虛擬I/O網關構建私有的I/O平面網絡的方案也是值得考慮的。因為它可以有效的改進性能并且獲得更大的靈活性。在日新月異的I/O技術市場中，網關類產品具有更好的投資保護性。

總之，不論我們選擇哪種虛擬I/O方案，都可以明顯改進現有基礎設施的靈活性，獲得一個動態性更強的架構，從而讓我們的服務器基礎架構能夠適應不斷變化的應用需求。本文提及的三種方案都具有較好的投資收益、也能夠保證關鍵應用優先獲得資源以維持高性能，更可貴的是，對于服務器虛擬化項目來說，它們都可以幫助用戶獲得更多的投資回報(ROI)。

相關鏈接一：I/O虛擬化的三種主流方案

不論哪種I/O虛擬化解決方案，其最終的目標都是一個：即解決服務器虛擬化環境中網絡資源競爭問題，減少主機和存儲之間的訪問瓶頸。這里我們羅列了三種常見的虛擬I/O解決方案：

• 基于網絡適配器的虛擬I/O技術

• 基于存儲網絡交換機的虛擬I/O技術

• 基于I/O網關設備的虛擬I/O技術

相關鏈接二：I/O虛擬化常見術語

我們列出那些與I/O虛擬化相關的常見關鍵術語：

• Converged Network Adapter (CNA，融合網絡適配器)，融合網絡適配器同時兼有以太網卡和光纖通道HBA卡的功能。

• Fibre Channel over Ethernet (FCoE)，是一種新的存儲協議，其本質是利用以太網來承載光纖通道協議。

• Network Interface Card Partitioning (NPAR)，是一種由QLogic公司開發的高效分區技術，可以將一個物理網卡切成幾個分區(相當于虛擬出多個網卡)，以便分配給多個虛擬機使用。

• PCI-SIG I/O Virtualization (IOV)，是PCI組織旗下的一個特別興趣小組，主要工作是開發基于PCI-E的共享設備技術規范。

• Single Root I/O Virtualization (SR-IOV)，是一種由PCI-SIG(PCI組織特別興趣小組)提出的，關于單臺主機內部使用共享虛擬化PCI設備的技術規范。

• Multi-Root IOV (MR-IOV)，是一種由PCI-SIG(PCI組織特別興趣小組)提出的，關于跨多臺主機(比如在一個刀片機箱中的多臺刀片服務器)使用共享虛擬化PCI設備的技術規范。