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| 本文来自于infoq，SR-IOV
技术是一种基于硬件的虚拟化解决方案，可提高网络性能和可伸缩性。 |
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1. SR-IOV 介绍
SR-IOV 标准允许在虚拟机之间高效共享 PCIe（Peripheral
Component Interconnect Express，快速外设组件互连）设备，并且它是在硬件中实现的，可以获得能够与本机性能媲美的
I/O 性能。SR-IOV 规范定义了新的标准，根据该标准，创建的新设备可允许将虚拟机直接连接到 I/O
设备。
单个 I/O 资源可由许多虚拟机共享。共享的设备将提供专用的资源，并且还使用共享的通用资源。这样，每个虚拟机都可访问唯一的资源。因此，启用了
SR-IOV 并且具有适当的硬件和 OS 支持的 PCIe 设备（例如以太网端口）可以显示为多个单独的物理设备，每个都具有自己的
PCIe 配置空间。
下图展示了针对 PCIe 硬件的 SR-IOV 技术体系示意图。
图 1 SR-IOV 技术体系架构
支持 SR-IOV 的网卡主要功能模块分为：
物理功能 (Physical Function, PF)
支持 SR-IOV 的管理。可以创建 VF，对于网卡，理论上可以创建 256 个 VF。一般情况下，
千兆网卡能支持达 7 个 VF， 万兆网卡能支持达 63 个 VF。
虚拟功能 (Virtual Function, VF)
VF 可以理解为一个虚拟网卡，拥有独立内存空间、中断和 Direct Memory Access (DMA)
流。VF 是 PF 虚拟出的一个实例，以一个独立的网卡形式展现。VF 是一种轻量级 PCIe 功能，可以与
PF 以及其创建的所有 VF 共享一个或多个物理资源。
交换功能 (Layer 2 Classifier/Sorter switch)
这个交换机其实是物理网卡内置的。流量进入物理网卡后，经过这个交换机然后分发到不同的 VF 上。
使用 SR-IOV 技术的主要优点是：
提高虚拟机包转发效率
减少报文在主机内部的传输延时以及延时抖动
由于绕过了主机的协议栈以及 VMM（Virtual Machine Manager），减少了主机在网络报文收发中的资源消耗
同时，由于 SR-IOV 技术使虚拟机通过 PCI-passthrough 的方式直接使用 VF，绕过了主机的内核协议栈以及
VMM，故存在以下局限：
Host 无法监控 VF 的状态
安全组无法应用
虚拟机热迁移无法实现，迁移的支持能力不够灵活
对 HA 的支持不太高
sriov 不支持 vxlan
2. SR-IOV 性能
本测试对比测试万兆网络中 SRIOV 虚拟机和 OVS 虚拟机在网络负载较高情况下的虚拟网络表现，总结分析，同时为以后
SRIOV 虚拟机和其它类型的虚拟机做对比给出参考。
2.1 测试性能指标
主要对以下几个网络性能指标进行测试：
负载（OfferedLoad）：网络流量负荷百分比，当前流量占端口速率的比例（百分比）
包速（Frame Per-second）：数据包每秒的收 / 发个数
平均时延（Average Latency）：数据包传输的平均延迟（毫秒，ms）
2.2 测试拓扑图
SR-IOV 测试环境网络拓扑：
Openvswitch 测试环境网络拓扑：
2.3 测试结果
可以看出 SR-IOV 各方面性能都要优于 Openvswitch。
3. SR-IOV 高可用方案
因为采用 SR-IOV，虚拟机流量不经过宿主机操作系统，所以不能在宿主机操作系统层面做高可用，必须在虚拟机内部做高可用。SR-IOV
高可用方案如下图：
（1） vm 挂载不同 pf 的 vf，在 vm 内部配置网卡 bond，可以根据需求选择 balance-rr、active-backup
或者 balance-xor 策略。
（2） vm 挂载的 vf 的 mac 地址必须设置成一样。这样在虚拟机配置网卡 bond 的情况下，仍然可以使用
vf 的 mac spoofing check 功能。
（3） pf 配置 lacp bond，交换机侧配置动态链路聚合，实现聚合带宽的动态调整。
4. OpenStack 创建 SR-IOV 虚拟机过程
Openstack 默认不支持 SR-IOV 的高可用，neutron 中一个逻辑的 port 对应一个
vf 口。所以我们需要对 openstack 进行改造，总体思路是，通过在调用 Neutron Create
Port 的 api 时候，对 Port 打上 bond 标签，Nova 在创建虚机的时候通过读取到对应
port 的 bond 标签，为该 port 分配两个 VF 口，并且在分配 VF 口的 pci 资源的时候，默认的把两个
vf 分配在不同的 pf 上。对应在 port 的 binding:profile 上需要展示使用的两个
vf 口的 pci 信息。
4.1 调用 neutron api 创建 sriov 的 port
调用 neutron 接口创建 sriov port，在 profile 中对 Port 打上 bond
标签，这里无需赘述。命令如下：
neutron port-create
--binding:vnic_type =direct --binding:profile
type=dict bond =true
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4.2 调用 nova api 创建虚拟机
入口为 nova/api/openstack/compute/servers 的 create 方法，检查一系列参数和
policy，然后调用 compute_api 的 create 方法:
compute_api 是 nova/compute/api.py 模块，在该文件中找到 create
方法，该方法接着调用 _create_instance 方法，在 _create_instance
方法中调用 _validate_and_build_base_options 方法对所有的输入参数和策略做检查，并且封装
pci 请求。封装 pci 请求的方法是 nova/network/neutronv2/api.py
的 create_pci_requests_for_sriov_ports 方法，该方法会先调用 neutron
api 获取 port 的 vnic_type、phynet_name、bond 属性，根据 bond
属性确定 vf 的数量（bond 为 true，vf 的数量是 2，否则 vf 数量是 1）。
返回到 nova/compute/api.py 的 _create_instance 方法，该方法接着调用
compute_task_api 的 schedule_and_build_instances 方法:
compute_task_api 是 nova/conductor/api.py 模块。这里没有执行什么操作，直接调用了
conductor_compute_rpcapi 的 schedule_and_build_instances
方法:
该方法远程过程调用 api，即 nova/conductor/rpcapi.py 模块，该方法会对版本进行检查，然后调用
RPC:
cast 表示异步调用，schedule_and_build_instances 是远程调用的方法，kw
是传递的参数。现在 nova-api 任务完成，此时会响应用户请求，虚拟机状态为 building。
4.3 nova conductor
nova-api 向 nova-conductor 发起 RPC 调用，进程跳到 nova-conductor
服务，入口为 nova/conductor/manager.py 的 schedule_and_build_instances
方法，该方法首先调用了 _schedule_instances 方法，在 _schedule_instances
方法中调用了 scheduler_client 的 select_destinations 方法:
这个方法最终调用到 nova/scheduler/client/query.py 下的 select_destinations
方法，执行 RPC 的调用。
RPC 封装同样是在 scheduler 的 rpcapi 中实现。该方法 RPC 调用代码如下:
Call 表示同步调用，此时 nova-conductor 并不会退出，而是堵塞等待直到 nova-scheduler
返回。因此当前状态为 nova-conductor 为 blocked 状态，等待 nova-scheduler
返回，nova-scheduler 接管任务。
4.4 nova scheduler
nova scheduler 中入口为 nova/scheduler/manager.py 模块的
select_destinations 方法，该方法会调用 driver 的 select_destinations
方法，这里的 driver 是调度算法实现，通过 filters 过滤掉不满足条件的计算节点，剩下的节点通过
weigh 方法计算权值，最后选择权值高的作为候选计算节点返回。最后 nova-scheduler
返回调度结果的 hosts 集合，任务结束，返回到 nova-conductor 服务。
nova/scheduler/manager.py
nova/scheduler/driver.py
nova/scheduler/filter_scheduler.py
4.5 nova condutor
回到 nova-conductor 的 schedule_and_build_instances 方法，nova-conductor
等待 nova-scheduler 返回后，拿到调度的计算节点列表。因为可能同时启动多个虚拟机，因此循环调用了
compute_rpcapi 的 build_and_run_instance 方法。
Compute_rpcpai 位于 nova/compute/rpcapi 模块，该方法向 nova-compute
发起 RPC 请求：
发起的是异步 RPC，因此 nova-conductor 任务结束，进入 nova-compute
服务。
4.6 nova compute
入口是 nova/compute/manager.py 的 build_and_run_instance
方法，该方法会调用 _do_build_and_run_instance 方法，该方法会更新虚拟机状态，然后调用
_build_and_run_instance 方法，该方法会预先声明占用计算节点的资源。
其中在 instance_claim 方法中会处理 pci 的请求，instance_claim→ claim_instance （nova/pci/manager.py）→_claim_instance
→consume_requests （nova/pci/stats.py）, 在 nova/pci/stats.py
中会根据不同的网卡把 pci 资源分为不同的 pool。
在 consume_requests 方法中会具体分配 pci 资源也就是 vf，
先根据剩余可用的 vf 的数量将 pool 进行排序，如果 port 的 bond 属性为 false，则
count 数量为 1，则从可用 vf 数量最多的 pool 中分配一个 vf，这样使不同网卡的负载尽量均衡。如果
port 的 bond 属性为 true，则 count 数量为 2，则从两个 pool 中各分配一个
vf，达到高可用的目的。
回到 nova/compute/manager.py 的 build_and_run_instance
方法，这个方法接下来会调用 spawn_n 方法，开始真正创建虚拟机。这里不同的虚拟机技术对应不同的
driver，其中 libvrit 的 driver 对应 nova/virt/libvirt/driver.py。从
spawn 方法开始，会先获取 instance 的磁盘、镜像、网络等信息，然后生成 instance
的 xml 文件。
在 _get_guest_xml 方法中会调用 _get_guest_config 方法，其中 sriov
网卡的部分如下：
这里如果 port 的 bond 为 true，则会将两块网卡的信息写入 xml 文件中。
回到 spawn 方法，接下来会调用 _create_domain_and_network 方法，该方法会调用
plug_vifs 方法创建 qbr 和 qvo，接着创建虚拟机，虚拟机状态为 pause。然后等待
neutron-server 的消息，如果等到消息后将虚拟机状态改为 running，否则超时没有等到，则将虚拟机销毁。
4.7 neutron sriov agent
在 neutron/plugins/ml2/ drivers/mech_sriov/ agent/sriov_nic_agent.py
中 daemon_loop 方法会定时检测 vf 的状态变化，如果有 vf 发生变化，进入 process_network_devices
方法，在该方法中，会根据 vf 的状态是添加更改删除做不同的处理。
其中在 treat_devices_added_updated 方法中，如果 port 的 bond
为 true，需要更新两个 vf 的状态：
然后会调用 rpc，通知 neutron-server 更新状态。
这里是同步调用，neutron-server 接收到消息后，会向 nova 发送更新 port 的消息，接着
nova compute 会 resume 状态是 pause 的虚拟机。
至此，带有 sriov 高可用网卡的虚拟机创建完成。
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