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Wie verbessert Single-Root I/O-Virtualisierung die VM-Performance?

Single-Root I/O-Virtualisierung kann den Hypervisor-Overhead in virtuellen Umgebungen deutlich verringern. So funktioniert die Technik.

Was ist Single-Root I/O-Virtualisierung und wie wird damit die Performance virtueller Maschinen verbessert?

Bei der Virtualisierung mit Windows Server sind die Compute-Komponenten lediglich der Anfang: Auch die I/O-Operationen des Servers lassen sich virtualisieren, um damit dem Hypervisor – beispielsweise Hyper-V oder ESXi – die Möglichkeit zu geben, I/O-Geräte wie Netzwerkkarten bereitzustellen, zu verwalten oder sogar zu teilen. Genauso wie die herkömmliche Virtualisierung Auslastung und Flexibilität von Prozessorleistung und Arbeitsspeicher erhöht, kann I/O-Virtualisierung die Auslastung von I/O-Geräten verbessern.

Die größte Herausforderung bei der I/O-Virtualisierung besteht darin, die Compute-Effizienz durch eine Reduktion des Hypervisor-Overheads zu erhöhen. Dafür müssen also Prozessorlast und Latenz  beim Durchreichen der Daten von physischen I/O-Peripheriegeräten über den Hypervisor hin zu den virtuellen Maschinen und wieder zurück verringert werden.

Single-Root I/O-Virtualisierung (SR-IOV) hat sich in diesem Zusammenhang als wichtigste Technologie herausgestellt, die genau dies ermöglicht und virtuellen Maschinen direkten Zugriff auf I/O-Peripheriegeräte erlaubt. Auch wenn Windows Server 2012 diese Technologie unterstützt, ist SR-IOV keine native Komponente von Windows oder Windows Server, sondern wurde von der PCI Special Interest Group als Erweiterung der PCI-Express-Spezifikation entwickelt. Es gibt zwar viele verschiedene Peripheriegeräte, die die PCIe-Spezifikation nutzen, SR-IOV allerdings richtet sich vor allem an Netzwerkperipheriegeräte wie Ethernet-Netzwerkkarten.

Die Single-Root I/O-Virtualisierung beginnt mit einer Definition der physischen Funktion (PF) eines Peripheriegerätes, womit die SR-IOV-Möglichkeiten und die Interaktion mit dem Hypervisor festgelegt werden. Im Grunde teilt die PF dem Hypervisor mit, welches physische PCIe-Gerät im Server zur Verfügung steht.

Mit dieser Information kann das System jetzt eine oder mehrere virtuelle Funktionen (VF) auf Basis der physischen Funktion erstellen. VFs teilen sich die physischen Ressourcen des Peripheriegerätes (beispielsweise Netzwerk-Ports oder Arbeitsspeicher der Netzwerkkarte) und werden virtuellen Maschinen auf dem Server zugeordnet. Damit wird es den physischen PCIe-Geräten ermöglicht, sich unterschiedlichen virtuellen Maschinen als mehrere virtuelle PCIe-Geräte anzubieten.

Sowohl PF als auch VF erhalten dabei einen einzigartigen PCIe-Identifier, der es dem Hypervisor ermöglicht, die Traffic-Ströme zu unterscheiden und zuzuordnen. Für den direkten Datentransfer zwischen Peripheriegeräten und Ziel-VM kommt bei der Single-Root I/O-Virtualisierung DMA-Remapping (Direct Memory Access) und Address Translation zum Einsatz, wodurch der Hypervisor samt Overhead und Latenz umgangen werden kann.

Durch die Single-Root I/O-Virtualisierung arbeitet die virtuelle Maschine über DMA direkt mit dem PCIe-Gerät, so dass hierbei durch den Hypervisor weder virtuelle Switches noch andere Übertragungen nötig werden. Diese direkte Interaktion beschleunigt die Kommunikation zwischen virtueller Maschine und Peripheriegerät auf ein Level, das dem nicht-virtualisierter Umgebungen sehr nahe kommt.

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Artikel wurde zuletzt im Mai 2015 aktualisiert

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