转：VMware、微软等四种主要的网络IO虚拟化模型

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　　本文主要为大家简要介绍VMware、Redhat、Citrix、Microsoft主要虚拟化厂商使用的4种主要的虚拟化IO模型(emulation、para-virtualization、pass-through、SR-IOV)。
　　本文主要为大家穿针引线，信息量比较大，组织排版有限，看官们将就点看着。
　　网络I/O不但是物理服务器最容易出现的瓶颈，也是现在虚拟化技术最大的硬伤。随着硬件虚拟化对网络I/O的支持，虚拟化的网络I/O模型也不断的进化，虚拟化的I/O性能也不断提升。
　　今天给大家分享VMware、Redhat、Citrix、Microsoft主流虚拟化解决方案采用的4种主流网络I/O模型，主要包括模型原理、模型优点、模型缺点、模型对虚拟化迁移的支持。
　　这4个主流网络I/O模型分别是：
　　　　1、Emulation
　　原理：仿真(emulation)是一个完全通过软件程序来模拟硬件的技术。早期虚拟化都才采用这种方案来虚拟网络设备。常见仿真软件有QEMU、VMware WorkStation、VirtualBox。Emulation网络模型图如下：

　　不同虚拟化厂商的虚拟网卡产品都不尽相同。
　　VMware Emulation类型网卡有：E1000(仿真intel 82545M千兆网卡)、Flexible、Vlance(仿真AMC 79C970 PCnet32 LANCE 10M网卡)、VMXNET(VMXNET一共有3个版本，分别是VMXNET、VMXNET2、VMXNET3;暂时没有找到VMware的明确资料对这三个版本进行分类。个人暂把VMXNET定为emulation、VMXNET2和VMXNET3定义为para-virtualization类型。VMXNET3也支持部分SR-IOV功能)。
　　Redhat的KVM和Citrix的XEN这类型网卡都是采用QEMU实现，在KVM和XEN上面可用的emulation网卡有：RTL8139(仿真RealTek Link 8139 100M网卡)、E1000(仿真intel 82545M千兆网卡)。
　　Microsoft Hyper-V Emulation类型网卡有：Intel/DEC 21140 100M网卡
　　优点：软件模拟不需要硬件支持，通过CPU计算来模拟，跟宿主机物理网卡隔离，没有平台要求。
　　虚拟机操作系统不需要修改，模拟的都是常见网卡(比如：Intel E1000、RTL8139等)，主流操作系统都已经自带这些驱动，因此默认情况下虚拟机不需要再安装驱动。
　　缺点：CPU资源消耗大，尤其当虚拟机数量多的时候。网卡性能一般，由于是软件模拟，只能模拟常见的、功能比较简单的网卡。
　　虚拟机迁移支持：
　　剥离了硬件要求，使用这类型可迁移性强。由于XEN和KVM都是使用qemu仿真，所以这类型虚拟机在XEN和KVM之间混合迁移实现难度也不大。
　　2、para-virtualization
　　原理：Para-virtualization又称半虚拟化，最早由Citrix的Xen提出使用。在半虚拟化模型中，物理硬件资源统一由Hypervisor管理，由Hypervisor提供资源调用接口。虚拟子机通过特定的调用接口与Hypervisor通信，然后完整I/O资源控制操作。Para-virtualization模型图如下：

　　Para-virtualization又称半虚拟化，最开始由XEN提出的，XEN本身就是从虚拟化起家的。Para-virtualization模型下，虚拟子机的网卡驱动只能有Hypervisor厂商来开发，Redhat、VMware、Citrix、Microsoft这几大虚拟厂商都有各自的para-virtualization驱动。比如Redhat的KVM就叫virtio，VMware的有VMXNET2、VMXNET 3，Citrix的XEN叫xen-pv，Mircrosoft暂时没有找到(欢迎朋友们补充)。
　　优点：个人认为是一种改进版的emulation模型，但是由于子机和Hypervisor之间通信，性能比emulation要很多。
　　缺点：需要修改虚拟子机操作系统内核，添加不同Hypervisor厂商的网络驱动。比如Linux(Redhat和Novell)就在发行版里面添加了Mircosoft的para-virtualizaiton网络驱动，同样Microsoft也在自己发行版里面添加对KVM的virtio和xen-pv驱动支持。
　　虚拟机迁移支持：虽然不同虚拟化厂商的para-virtualization方案都不相同，由于主流操作系统都同时提供对这些方案的支持;所以这类型虚拟子机可迁移性也比较容易实现。
　　3、pass-through

　　原理：Hypervisor将一个PCI设备(可以是网卡、USB、光驱)直接分配给指定虚拟子机单独访问。为了安全和稳定性考虑，pass-through使用通常结合intel VT-D(AMD也有类似技术)来使用，通过iommu保证虚拟子机之间内存访问不冲突。这种技术在VMware上叫VMDirectPath I/O，其他方案中没有找到相关专门名词。
　　优点：性能好。单独PCI设备分配给虚拟子机，虚拟子机直接跟物理设备通信。
　　缺点：设备只能被一个虚拟子机使用，配置也比较复杂，首先需要在hypervisor将指定设备通过PCI id方式分配给指定虚拟子机，然后虚拟子机识别到设备再安装驱动来使用。
　　迁移性：迁移性方面待研究，有兴趣的朋友可以补充完善。
　　4、SR-IOV
　　背景：pass-through模型让虚拟子机直接使用物理设备，这样使得虚拟子机的网络性能达到最优。SR-IOV主要用来解决pass-through只能被一台虚拟子机访问的问题。SR-IOV标准由PCI-SIG，这个标准实现需要CPU、芯片组和PCI设备(主要是网卡等I/O资源)协同在硬件层面实现，SR-IOV被很多人认为是解决了虚拟化最后一公里的问题。模型图如下：

　　原理：SR-IOV需要网卡硬件支持，支持SR-IOV功能的网卡可以在Hypervior里面注册成多个网卡(每个网卡都独立的中断ID、收发队列、QOS管理机制)。每个设备可以通过pass-through方式分配给虚拟子机。
　　产品：常见就是基于intel 82599和82598芯片组的10Gb网卡。VMware、Redhat、Citrix和Microsoft都已经或者正在Hypervisor里面添加这个功能的支持。下面是一篇基于KVM的SR-IOV性能测试报告。(http://www.principledtechnologies.com/clients/reports/Red%20Hat/RHEL6_SR-IOV_DB0111.pdf)，不同厂商虚拟化方案都不尽相同，有兴趣可以在google里面搜索到更多资料。
　　优点：优点不用说，X86虚拟化最新的IO虚拟化模型;虚拟机不但性能好，而且结合硬件功能，为虚拟机IO管理提出了一个新方案。
　　缺点：待定
　　迁移性：SR-IOV同时需要硬件和软件两个层面支持，虚拟子机在相同网卡主机之间迁移时理论上不会有问题。具体还要看虚拟化厂商实现。