9、硬件加速虚拟化分布式NVMe存储

硬件加速虚拟化分布式NVMe存储

1. 动机

在现代云架构中，虽然存储虚拟化和分布式I/O管理的开销有所降低，但仍跟不上NVMe闪存延迟的快速下降。尽管NVMe闪存驱动器使存储硬件性能大幅提升，但云应用的实际I/O性能并未与之同步。在超融合（HCI）和分离式架构中，软件虚拟化开销成为了阻碍云应用跟上硬件I/O性能发展的瓶颈。

为应对为云应用提供高性能存储I/O操作的挑战，我们致力于在云基础设施的两个主要层面最小化虚拟化开销并优化I/O操作：
- 虚拟机监控程序层 ：构建新的虚拟机监控程序，以最小化该层的虚拟I/O操作开销。
- 分离式存储层 ：设计一种设备，利用硬件机制使NVMe闪存设备能够以低延迟和高吞吐量执行虚拟网络I/O操作。

1.1 新型虚拟机监控程序的动机

以Xen作为参考的1型虚拟机监控程序，其I/O（存储和网络请求）架构是集中式的。在Xen中，所有来自客户域的I/O和网络请求都要通过一个核心域（Dom0），这成为了影响性能的瓶颈。由于上下文切换到处理所有VM网络数据包交换的控制域（Dom0），该架构的网络和I/O性能受到限制。因此，需要一种新的模型来改进这一架构，使数据包转发和I/O层尽可能快，并将慢速路径网络功能卸载到单独的处理引擎。

为解决传统1型虚拟机监控程序架构（如Xen）的这些限制，我们开发了一种新的优化虚拟机监控程序，它去除了1型虚拟机监控程序的集中式Dom0模型，而是将逻辑和控制传递给一个更高级别的软件工具，该工具可以与客户VM进行通信。其核心思想是消除虚拟机设置、启动和资源分配对本地控制域（Dom0）的依赖，将这