CN114584541B - 一种加速虚拟机网络的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种加速虚拟机网络的方法，所述一种加速虚拟机网络的方法包括tap接口内核驱动的节点修改、收发数据包的地址向量设置、创建虚拟机、vhost内核驱动保存收发数据包地址向量、DMA数据传输会话、DMA控制器的发送端地址向量设置、数据包buffer是否可以回收利用的确认、用户态DMA设置接收地址向量；该技术方案一旦部署，不仅实现了虚拟机内存超配，虚拟机数量也可以超配，因为vhost内核线程占用的CPU资源会大大降低，从而腾挪出更多的CPU资源来跑更多的虚拟机；同时用户态虚拟接和内核态虚拟机节点可以按需混布，在任何一个节点的虚拟机都可以无缝迁移到其他任何节点上，也解决了部署用户态虚拟交换机面临的这一问题挑战。

Description

一种加速虚拟机网络的方法
技术领域
本发明涉及云计算虚拟网络相关技术领域，特别涉及一种加速虚拟机网络的方法。
背景技术
用户态虚拟交换机使用大页物理内存来实现跟虚拟机网络接口的快速数据包传输，但是前提条件是虚拟机也必须使用大页物理内存，这对于公有云场景来说基本是无法接受的，因为通常售卖的虚拟机内存都超配，即如果物理机有32GB内存，该物理机上的所有虚拟机的内存可以卖到64GB甚至更多，如果只能使用大页物理内存，那么可售卖的总共的虚拟机内存不可能超过32GB。此外当前的用户态虚拟机，无法迁移到传统的内核态虚拟交换机。这两个缺点就是当前用户态虚拟交换机面临的巨大问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种加速虚拟机网络的方法，能够提高访问服务器的安全性。
一种加速虚拟机网络的方法包括：
tap接口内核驱动的节点修改；
收发数据包的地址向量设置；
创建虚拟机；
vhost内核驱动保存收发数据包地址向量；
DMA数据传输会话；
DMA控制器的发送端地址向量设置；
数据包buffer是否可以回收利用的确认；
用户态DMA设置接收地址向量。
可选地，
所述收发数据包的地址向量设置过程中，其用户态虚拟交换机需要使用该用户态驱动暴露的接口来初始化DMA控制器，并设置发送接收地址向量。
可选地，
所述创建虚拟机过程中，其虚拟交换机使用用户态虚拟交换机，但创建虚拟机时使用传统的tap接口而非vhostuser，这能确保创建的虚拟机能在内核态虚拟交换机的节点和用户态虚拟交换机的节点上任意无缝迁移。
可选地，
所述vhost内核驱动保存收发数据包地址向量过程中，其先要求修改所在节点的tap接口内核驱动，以及vhost内核驱动，用户态虚拟交换机需要通过tap接口驱动暴露的ioctl接口来设置收发数据包的地址向量，经修改的vhost内核驱动能拿到tap接口驱动保存的这些收发数据包的地址向量，vhost内核驱动需要调用内核态的DMA控制器API接口来来设置虚拟机端的接收发送缓存的地址向量，用户态虚拟机交换机和vhost内核线程都能通过设置DMA控制器的收发地址向量来触发DMA数据传输会话。
可选地，
所述数据包buffer是否可以回收利用的确认过程中，其对于从用户态虚拟交换机发送到虚拟机的情况，用户态虚拟交换机通过用户态DMA控制器API来设置DMA控制器的发送端地址向量，vhost内核线程通过内核态DMA控制器API设置虚拟机接收地址向量，并触发DMA数据传输会话。一旦传输完毕，相应的状态标志将被更新，用户态虚拟交换机需要轮询这些标志位来确定数据包buffer是否可以回收继续利用。
可选地，
所述用户态DMA设置接收地址向量过程，对于从虚拟机传输到用户态交换机的数据包，vhost内核线程需要通过内核态的DMA控制器驱动暴露的API来设置来自虚拟机的数据包发送的地址向量，用户态虚拟交换机则事先通过用户态DMA控制器暴露的API设置了接收地址向量，所以vhost能触发从虚拟机到用户态虚拟交换机的数据传输，一旦阐述完毕vhost内核驱动机会通知虚拟机又会设置接收完成标志，用户态虚拟交换机通过轮询接收标志位知道可以处理接收数据包缓存，从而可以继续用户态虚拟交换机内的其它接收处理流程。
可选地，
所述用户态虚拟交换机通过ioctl API设置虚拟交换机的大页物理内存作为它与虚拟机进行数据包交换的缓存，通过轮询缓存的标志位确定缓存是否发送完毕或接收完毕。
可选地，
所述用户态虚拟交换机必须初始化节点上的DMA控制器，通过调用ioctl API来告诉tap接口驱动和vhost内核驱动怎么样把虚拟机的数据包通过DMA传输到用户态虚拟交换机设置的缓存中，以及怎么样把用户态虚拟交换机发来的网络数据包通过DMA发送到虚拟机的网络接口。
可选地，
所述vhost是内核线程，由虚拟机所在的主机的CPU执行，在此专利中，vhost内核线程只负责设置DMA控制器告诉它需要传输什么数据，真正的输出传输工作由DMA控制器完成，从而节约了宝贵的主机CPU资源，可以把节约下来的CPU售卖给更多的虚机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
在本发明实施例中，通过提出由tap接口内核驱动的节点修改、收发数据包的地址向量设置、创建虚拟机、vhost内核驱动保存收发数据包地址向量、DMA数据传输会话、DMA控制器的发送端地址向量设置、数据包buffer是否可以回收利用的确认、用户态DMA设置接收地址向量等过程组成加速虚拟机网络的方法，该技术方案一旦部署，不仅实现了虚拟机内存超配，虚拟机数量也可以超配，因为vhost内核线程占用的CPU资源会大大降低，从而腾挪出更多的CPU资源来跑更多的虚拟机；同时用户态虚拟接和内核态虚拟机节点可以按需混布，在任何一个节点的虚拟机都可以无缝迁移到其他任何节点上，也解决了部署用户态虚拟交换机面临的这一问题挑战。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例加速虚拟机网络方法的原理示意图；
图2是本发明实施例加速虚拟机网络方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种加速虚拟机网络的方法，一种加速虚拟机网络的方法包括：
tap接口内核驱动的节点修改；
收发数据包的地址向量设置；
创建虚拟机；
vhost内核驱动保存收发数据包地址向量；
DMA数据传输会话；
DMA控制器的发送端地址向量设置；
数据包buffer是否可以回收利用的确认；
用户态DMA设置接收地址向量。
通过要求使用用户态虚拟交换机，使用户态虚拟交换机在打开tap接口时需要使用大页物理内存作为收发包的缓存，这保证了用户态虚拟交换机不需要再做一次数据包拷贝。
并要求DMA控制区必须有用户态驱动程序，用户态虚拟交换机需要使用该用户态驱动暴露的接口来初始化DMA控制器，并设置发送接收地址向量。
虚拟交换机使用用户态虚拟交换机，但创建虚拟机时使用传统的tap接口而非vhostuser，这能确保创建的虚拟机能在内核态虚拟交换机的节点和用户态虚拟交换机的节点上任意无缝迁移。
要求修改所在节点的tap接口内核驱动，以及vhost内核驱动。用户态虚拟交换机需要通过tap接口驱动暴露的ioctl接口来设置收发数据包的地址向量，经修改的vhost内核驱动能拿到tap接口驱动保存的这些收发数据包的地址向量，vhost内核驱动需要调用内核态的DMA控制器API接口来来设置虚拟机端的接收发送缓存的地址向量，用户态虚拟机交换机和vhost内核线程都能通过设置DMA控制器的收发地址向量来触发DMA数据传输会话。
对于从用户态虚拟交换机发送到虚拟机的情况，用户态虚拟交换机通过用户态DMA控制器API来设置DMA控制器的发送端地址向量，vhost内核线程通过内核态DMA控制器API设置虚拟机接收地址向量，并触发DMA数据传输会话。一旦传输完毕，相应的状态标志将被更新，用户态虚拟交换机需要轮询这些标志位来确定数据包buffer是否可以回收继续利用。
对于从虚拟机传输到用户态交换机的数据包，vhost内核线程需要通过内核态的DMA控制器驱动暴露的API来设置来自虚拟机的数据包发送的地址向量，用户态虚拟交换机则事先通过用户态DMA控制器暴露的API设置了接收地址向量，所以vhost能触发从虚拟机到用户态虚拟交换机的数据传输，一旦阐述完毕vhost内核驱动机会通知虚拟机又会设置接收完成标志，用户态虚拟交换机通过轮询接收标志位知道可以处理接收数据包缓存，从而可以继续用户态虚拟交换机内的其它接收处理流程。
因为DMA控制器一次数据传输会话可以处理多个数据包的传输，为了确保一次会话能尽可能多的传输数据，用户态虚拟交换机和vhost内核线程需要采用批处理的方式来汇聚数据包再触发DMA数据传输会话，而且用户态虚拟交换机和vhost内核线程可以协作配置收发的地址向量，然后触发一个DMA数据传输会话。这能大大的减少DMA数据传输会话次数，提高每个会话处理的数据包数，从而进一步提高网络性能。
针对用户态虚拟交换机和虚拟机tap***换网络数据包的性能问题，用户态虚拟交换机通过ioctl API设置虚拟交换机的大页物理内存作为它与虚拟机进行数据包交换的缓存，通过轮询缓存的标志位确定缓存是否发送完毕或接收完毕。用户态虚拟交换机必须初始化节点上的DMA控制器，通过调用ioctl API来告诉tap接口驱动和vhost内核驱动怎么样把虚拟机的数据包通过DMA传输到用户态虚拟交换机设置的缓存中，以及怎么样把用户态虚拟交换机发来的网络数据包通过DMA发送到虚拟机的网络接口，通过DMA控制机和用户态虚拟交换机大页物理内存的配合使用以及修改tap接口驱动和vhost内核驱动的方式，避免了至少两次内存拷贝，一次是vhost拷贝到tap接口的接收队列，一次是tap接口的接收队列拷贝到用户态虚拟交换机的大页缓存。同时，使用DMA也避免了CPU执行内存拷贝而浪费的指令周期，从而降低了CPU使用，允许vhost不占用太多CPU资源，从而这些CPU资源可以卖给其他虚拟机。
并且该技术方案一旦部署，不仅实现了虚拟机内存超配，虚拟机数量也可以超配，因为vhost内核线程占用的CPU资源会大大降低，从而腾挪出更多的CPU资源来跑更多的虚拟机；同时用户态虚拟接和内核态虚拟机节点可以按需混布，在任何一个节点的虚拟机都可以无缝迁移到其他任何节点上，也解决了部署用户态虚拟交换机面临的这一问题挑战。
本方案通过提出由tap接口内核驱动的节点修改、收发数据包的地址向量设置、创建虚拟机、vhost内核驱动保存收发数据包地址向量、DMA数据传输会话、DMA控制器的发送端地址向量设置、数据包buffer是否可以回收利用的确认、用户态DMA设置接收地址向量等过程组成加速虚拟机网络的方法，可以为虚拟机超配内存，并可以允许用户态虚拟交换机节点和内核态虚拟交换机节点之间无缝迁移虚拟机，从而可以释放CPU算力，从而超卖更多虚机和vCPU，并且虚拟机没有绑定cpu的强需求，从而虚拟机要求的CPU算力可以灵活调度，无须绑在固定CPU上。
上述装置内的各单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。
本发明还提供了一种权限元数据分布式初始化装置，存储用于使一计算机执行如本文所述的权限元数据分布式初始化的方法的指令。具体地，可以提供配有存储介质的***或者装置，在该存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该***或者装置的计算机(或CPU或MPU)读出并执行存储在存储介质中的程序代码。
在这种情况下，从存储介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此程序代码和存储程序代码的存储介质构成了本发明的一部分。
用于提供程序代码的存储介质实施例包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘(如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW)、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上下载程序代码。
此外，应该清楚的是，不仅可以通过执行计算机所读出的程序代码，而且可以通过基于程序代码的指令使计算机上操作的操作***等来完成部分或者全部的实际操作，从而实现上述实施例中任意一项实施例的功能。
此外，可以理解的是，将由存储介质读出的程序代码写到***计算机内的扩展板中所设置的存储器中或者写到与计算机相连接的扩展单元中设置的存储器中，随后基于程序代码的指令使安装在扩展板或者扩展单元上的CPU等来执行部分和全部实际操作，从而实现上述实施例中任一实施例的功能。
需要说明的是，上述各流程和各***结构图中不是所有的步骤和模块都是必须的，可以根据实际的需要忽略某些步骤或模块。各步骤的执行顺序不是固定的，可以根据需要进行调整。上述各实施例中描述的***结构可以是物理结构，也可以是逻辑结构，即，有些模块可能由同一物理实体实现，或者，有些模块可能分由多个物理实体实现，或者，可以由多个独立设备中的某些部件共同实现。
以上各实施例中，硬件单元可以通过机械方式或电气方式实现。例如，一个硬件单元可以包括永久性专用的电路或逻辑(如专门的处理器，FPGA或ASIC)来完成相应操作。硬件单元还可以包括可编程逻辑或电路(如通用处理器或其它可编程处理器)，可以由软件进行临时的设置以完成相应操作。具体的实现方法(机械方式、或专用的永久性电路、或者临时设置的电路)可以基于成本和时间上的考虑来确定。
上文通过附图和优选实施例对本发明进行了详细展示和说明，然而本发明不限于这些已揭示的实施例，基与上述多个实施例本领域技术人员可以知晓，可以组合上述不同实施例中的代码审核手段得到本发明更多的实施例，这些实施例也在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种加速虚拟机网络的方法，其特征在于，所述一种加速虚拟机网络的方法包括：
tap接口内核驱动的节点修改；
收发数据包的地址向量设置；
创建虚拟机；
vhost内核驱动保存收发数据包地址向量；
DMA数据传输会话；
DMA控制器的发送端地址向量设置；
数据包buffer是否可以回收利用的确认；
用户态DMA设置接收地址向量；
所述收发数据包的地址向量设置过程中，其用户态虚拟交换机需要使用该用户态驱动暴露的接口来初始化DMA控制器，并设置发送接收地址向量；
所述vhost内核驱动保存收发数据包地址向量过程中，其先要求修改所在节点的tap接口内核驱动，以及vhost内核驱动，用户态虚拟交换机需要通过tap接口驱动暴露的ioctl接口来设置收发数据包的地址向量，经修改的vhost内核驱动能拿到tap接口驱动保存的这些收发数据包的地址向量，vhost内核驱动需要调用内核态的DMA控制器API接口来设置虚拟机端的接收发送缓存的地址向量，用户态虚拟机交换机和vhost内核线程都能通过设置DMA控制器的收发地址向量来触发DMA数据传输会话；
所述数据包buffer是否可以回收利用的确认过程中，其对于从用户态虚拟交换机发送到虚拟机的情况，用户态虚拟交换机通过用户态DMA控制器API来设置DMA控制器的发送端地址向量，vhost内核线程通过内核态DMA控制器API设置虚拟机接收地址向量，并触发DMA数据传输会话；
一旦传输完毕，相应的状态标志将被更新，用户态虚拟交换机需要轮询这些标志位来确定数据包buffer是否可以回收继续利用；
所述用户态DMA设置接收地址向量过程，对于从虚拟机传输到用户态交换机的数据包，vhost内核线程需要通过内核态的DMA控制器驱动暴露的API来设置来自虚拟机的数据包发送的地址向量，用户态虚拟交换机则事先通过用户态DMA控制器暴露的API设置了接收地址向量，所以vhost能触发从虚拟机到用户态虚拟交换机的数据传输，一旦传输完毕vhost内核驱动机会通知虚拟机设置接收完成标志，用户态虚拟交换机通过轮询接收标志位知道可以处理接收数据包缓存，从而可以继续用户态虚拟交换机内的其它接收处理流程。
2.根据权利要求1所述的一种加速虚拟机网络的方法，其特征在于：
所述用户态虚拟交换机通过ioctlAPI设置虚拟交换机的大页物理内存作为它与虚拟机进行数据包交换的缓存，通过轮询缓存的标志位确定缓存是否发送完毕或接收完毕。
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