當(dāng)下，數(shù)據(jù)中心的全面虛擬化成為一種趨勢，無論是存儲網(wǎng)絡(luò)還是IP網(wǎng)絡(luò)，其發(fā)展目標(biāo)都必須適應(yīng)這一潮流，因此虛擬I/O（Virtual I/O）技術(shù)便有了廣闊的應(yīng)用前景。如果我們希望在服務(wù)器虛擬化和桌面虛擬化應(yīng)用場景中，創(chuàng)建一個更高效且更經(jīng)濟(jì)的存儲基礎(chǔ)架構(gòu)，并滿足虛擬化應(yīng)用的I/O請求特點的話，虛擬I/O是必不可少的核心技術(shù)。虛擬I/O是一種網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)，既可以用在主機(jī)端，也可以在存儲網(wǎng)絡(luò)端實現(xiàn)，當(dāng)然這兩種模式還可以一起使用，貫穿整個基礎(chǔ)架構(gòu)環(huán)境。在不同的應(yīng)用模式之間虛擬I/O的定義會稍有差異。下文中我們會就此展開分析，看看這兩種模式之間的差異以及它們二者是如何協(xié)同工作的。

今天，服務(wù)器（主機(jī)）所使用的處理器與4、5年前截然不同。過去，一臺服務(wù)器上只需要運行一個應(yīng)用程序，因此這臺服務(wù)器上所有的I/O處理能力可以被單個應(yīng)用程序所獨享。但今天，在虛擬化的數(shù)據(jù)中心里，主機(jī)上的網(wǎng)卡和HBA卡是被多個虛擬機(jī)所共享的。在傳統(tǒng)的服務(wù)器平臺體系結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)卡和HBA卡這兩種I/O適配器是相互獨立的，但現(xiàn)在，伴隨著iSCSI、NAS和FCoE等技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)卡和HBA卡有逐漸統(tǒng)一的趨勢，或者叫融合。未來的趨勢很明顯，主機(jī)上將只有一種物理I/O端口，所有的協(xié)議都通過它來進(jìn)行通信。

 混合I/O時代已經(jīng)來臨

在虛擬化和網(wǎng)絡(luò)融合的環(huán)境中，虛擬機(jī)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)卡、10 Gbps FCoE卡、以及8 Gbps或16 Gbps的光纖通道卡，就能讓主機(jī)端更好地處理虛擬機(jī)的I/O請求。但事實上更大的挑戰(zhàn)在于，如何確保主機(jī)能夠?qū)⒑线m的帶寬資源在合適的時間分配給需要它的虛擬機(jī)。

服務(wù)器虛擬化應(yīng)用如今已發(fā)展到第三個階段。在最初的時期，通常只有測試和開發(fā)系統(tǒng)才使用虛擬機(jī)；后來，人們開始在虛擬機(jī)上部署一些優(yōu)先級較低的系統(tǒng)和負(fù)載較輕的應(yīng)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(jī)的機(jī)制是可行的。但進(jìn)入到第三階段，當(dāng)關(guān)鍵應(yīng)用和復(fù)雜應(yīng)用開始部署到服務(wù)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(jī)就顯得越發(fā)重要。

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

有一個方法可以讓關(guān)鍵業(yè)務(wù)擁有充足的I/O資源，即為每個虛擬機(jī)都配置一個網(wǎng)卡或HBA卡，并將運行關(guān)鍵業(yè)務(wù)的虛擬機(jī)與該接口卡綁定。這樣工作是沒問題，但這種方法既不經(jīng)濟(jì)，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(jī)上運行的虛擬機(jī)的數(shù)量也會受到限制。

另一個可用的方案是為主機(jī)準(zhǔn)備足夠的，甚至是超出需求的可用存儲和網(wǎng)絡(luò)帶寬，以便主機(jī)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(jī)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(jī)并非每時每刻都需要較高I/O性能。此外，Hypervisor通常使用循環(huán)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(tǒng)中斷操作，效率方面也有損失。

基于網(wǎng)絡(luò)適配器的虛擬I/O技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)適配器層的I/O虛擬化技術(shù)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(wǎng)絡(luò)適配器產(chǎn)品。雖然這種適配器仍然要被多個虛擬機(jī)所共享，但它仍然能夠保證運行關(guān)鍵業(yè)務(wù)的虛擬機(jī)有較高的服務(wù)級別。比如說，一個支持虛擬I/O功能的10GigE物理網(wǎng)絡(luò)適配器既可以劃分成多個虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器，也可以為指定的虛擬機(jī)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(wǎng)卡可以分成10個1GigE的虛擬網(wǎng)卡并靈活使用。比如，一個虛擬網(wǎng)卡專門用于虛擬機(jī)的遷移；另外幾個指定分配給那些特殊的虛擬機(jī)，以便保證關(guān)鍵應(yīng)用的性能水平；而其余的虛擬網(wǎng)卡則納入資源池，供其它的虛擬機(jī)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(jī)端hypervisor虛擬化管理軟件層的負(fù)擔(dān)相當(dāng)小，主機(jī)可以回收大量的CPU資源。換句話說，CPU的內(nèi)核不需要為管理I/O共享而進(jìn)行頻繁的中斷操作。這種虛擬I/O技術(shù)，不僅自身可以支持更大密度的虛擬機(jī)數(shù)量，而節(jié)約的CPU處理能力也可以用來運行更多的虛擬機(jī)。

基于網(wǎng)絡(luò)適配器的虛擬I/O技術(shù)的另一個特性是可以在網(wǎng)卡上創(chuàng)建一個虛擬交換機(jī)。這個技術(shù)非常有價值，尤其是在服務(wù)器虛擬化環(huán)境中，它可以極大地降低出入服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)流量。利用這個功能，同一臺主機(jī)上的兩個虛擬機(jī)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(jīng)過外部的物理交換機(jī)處理。現(xiàn)在，虛擬交換機(jī)可以識別本地流量，并將這些流量限制在物理主機(jī)的內(nèi)部。這個功能不但可以為主機(jī)內(nèi)部的虛擬機(jī)提升性能，而且還可以提高整個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的效率。

最后要說的是，那些支持I/O虛擬化的網(wǎng)絡(luò)適配器還可以虛擬所用存儲協(xié)議的類型。例如，有些卡同時支持FC、FCoE、10Gbps以太網(wǎng)和iSCSI協(xié)議，那么用戶就能夠在不中斷服務(wù)器或虛擬機(jī)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。