Network Virtualization: Breaking the Performance Barrier

1
Network VirtualizationBreaking the Performance
Barrier
Departamento de Eletrônica Escola
Politécnica Programa de Engenharia Elétrica
COPPE
Rafael dos Santos Alves
http//www.gta.ufrj.br
2
Informações

• Autor
• Scott Rixnerr
• Publicação
• ACM QUEUE (janeiro/fevereiro de 2008)

3
Motivação

• Popularização da virtualização
• Exigência de redes de alto desempenho
• Consolidação de servidores
• Técnicas atuais com sobrecarga significativa
  limitando o desempenho

4
Virtualização de rede

• VMM deve prover acesso compartilhado à interface
  de rede
• VMM deve proteger uma máquina virtual das outras

5
Virtualização de I/O

• IBM System/360
• Duas categorias
• Dispositivos de I/O privados
• Dispositivos de I/O compartilhados

6
I/O privado

• Dispositivo de I/O associado à uma máquina
  virtual
• IBM System/360 e 370
• Channel program
• Arquitetura Power4
• LPAR (logical partitioning)
• Inicialmente, isolamento a nível de slot PCI
• IOMMU (I/O memory management unit)

7
IOMMU

• Restrição da memória acessada por cada
  dispositivo
• VMM cria tabela de páginas de I/O para cada
  dispositivo
• Mapeamentos com as páginas que pertencem à
  máquina virtual que controla o dispositivo
• Em cada operação de DMA
• IOMMU consulta tabela de páginas

8
I/O privado

• Acesso de alto desempenho
• Solução custosa
• Número de máquinas virtuais limitado

9
I/O compartilhado

• IBM System/360 e 370
• Máquinas virtuais fisicamente separadas
• Interface por arquivo de spool
• fornecido por máquina virtual especial (domínio
  de I/O)
• Máquinas virtuais podem ler e escrever de spools
  virtualizados
• Acessos a recursos remotos são passados para o
  domínio de I/O
• Lógicamente idêntico ao utilizado atualmente

10
Software para virtualizaçãode rede

• Xen
• I/O compartilhado
• Dois elementos
• Hipervisor
• Domínio de driver
• Domínio de I/O
• Cada máquina virtual recebe um dispositivo de I/O
  virtual

11
Arquitetura para virtualizaçãode rede no Xen
12
Software para virtualizaçãode rede - Xen

• Domínio de driver deve proteger acessos de I/O
• Deve direcionar a interface de rede somente para
  buffers que possui
• Futuras versões da x86 vão incluir um IOMMU
• Sobrecarga de processamento e de comunicação
  significativa
• Sobrecarga devido ao escalonamento
• Entre o domínio de driver e a máquina virtual
• Gerenciamento no hipervisor
• Aumento da complexidade
• Redução da confiabilidade

13
Interfaces de rede demúltiplas filas

• Placas de rede tradicionais
• 1 fila de recepção e 1 de transmissão
• Intefaces de múltiplas filas
• Sistemas multicore
• Arquiteturas específicas
• Microsoft Receive Side Scaling
• Linux Scalable I/O
• Acesso exclusivo de cada núcleo a um conjunto de
  filas
• Aumento do paralelismo
• Uso mais efetivo dos núcleos

14
Interfaces de rede demúltiplas filas

• Utilização em virtualização
• Filas associadas aos drivers no domínio de driver
• Interface responsável por multiplexação/demultiple
  xação
• Vantagens
• Eliminação da sobrecarga de multiplexação no
  domínio de driver
• Desvantagens
• Domínio de driver deve proteger o tráfego de rede
  de cada máquina virtual
• Sobrecarga e complexidade inerentes ao
  gerenciamento de buffers
• Problema de escolamento persiste

15
CDNA

• Concurrent, Direct Network Access
• Hipervisor atribui um conjunto de filas a cada
  máquina virtual
• Cada conjunto de filas é tratado como uma
  interface de rede
• Domínio de driver
• Funções de controle
• Outros dispositivos de I/O
• Eliminação da sobrecarga de comunicação entre
  máquinas virtuais e domínio de driver
• Interface gera vetor de bits para interrupções
• Hipervisor checa vetor de bits e encaminha
  interrupções
• Redução do tempo de resposta

16
CDNA
17
CDNA

• Redução do problema de escalonamento
• O domínio de driver não precisa ser escalonado
• Entretanto, escalonamento entre múltiplas VM
  permanece
• Proteção de memória mais complexa
• Máquinas virtuais podem direcionar a interface de
  rede a posições arbitrárias da memória
• Particularmente problemático em x86
• Exigências para o hipervisor
• Todos os buffers devem ser validados antes de
  serem entregues à interface de rede
• Garantir que a propriedade dos buffers
  enfileirados na interface de rede não seja
  alterada

18
CDNA

• Proteção pode ser simplificada por IOMMU
• Hipervisor cria tabelas de páginas de I/O para
  cada máquina virtual
• Mapeamentos para as páginas para as quais a
  máquina virtual pode realizar operações de I/O
• Hipervisor atualiza tabelas sempre que
  propriedade de memória é alterada
• IOMMU verifica tabela de páginas de I/O para cada
  transferência de rede
• IOMMU precisa saber que máquina virtual é
  responsável pelo acesso à memória realizado pela
  interface de rede
• PCIs atuais não fornecem modos de realizar
  consulta
• Espera-se que especificação de virtualização de
  I/O PCI resolva esse problema

19
CDNA - Desempenho
20
Rede vs. disco

• Virtualização de rede mais complexo
• Tráfego de rede pode ser não solicitado
• Mini discos virtuais
• IBM System/360
• DASD Direct access storage device
• IBM System/360 e IBM System/370
• Channel program
• Acesso síncrono
• Múltiplos programas em paralelo
• Somente 1 canal ativo por vez
• Técnicas de virtualização de disco impróprias
  para rede
• Interfaces de rede não podem ser particionadas
• Acesso assíncrono

21
Conclusão

• Virtualização de rede atual com degradação
  significativa de desempenho
• CDNA como método promissor