I/O虛擬化將重新定義 PCI Express的功能

過去幾年，PCI Express(以下簡稱 PCIe)總線逐漸成為一種適用于網絡應用、具有高效率和成本效益的平臺。PCIe 的發展是為了克服過去并行計算機總線架構在性能、可擴展性以及配置等方面的限制，這種通用的串行 I/O 互連技術已被企業型、桌上型、移動、通信及嵌入式等各種應用廣泛采用。盡管普及度已相當廣泛，業界卻普遍認為：PCIe 總線的功能還是無法滿足高性能存儲和網絡獨特的 I/O 需求。

PCIe 標準的擴展正在逐漸改變這種觀念。PCI-SIG 工作小組正在討論一種新的規范，即為 PCIe 添加 I/O 虛擬化功能。這項新功能使網絡管理員可在不同 CPU 或 CPU 群組間虛擬并共享外設和端點。

I/O虛擬級別

初級 PCIe 拓撲結構具有映射到特定根聯合體(Root Complex)的專屬端點。在這樣的環境中，網絡中的每個物理端點都對應連到一個系統映像(System Image)，且無法共享。而在新規范中，根聯合體拓撲結構則提供兩個級別的I/O虛擬。在第一個級別中，被稱為單根(Single-Root)I/O 虛擬(IOV)，它由物理端點本身提供虛擬功能。這個端點可支持一個或多個虛擬端點(VE: Virtual Endpoints)，并利用各種機制使各種系統映像和資源 DMA中每個虛擬端點直接進行 I/O 與內存操作，完成和中斷系統映像的操作，而不會影響運行時間。在第二個級別中，被稱為多根(Multi-Root)IOV，采用多根(MR)交換器與 MR 端點來擴展虛擬化功能。MR 交換器與 MR 端點都有讓多個根聯合體與系統映像能分享共同端點的機制(見圖1)。

圖1 I/O虛擬化系統模型

I/O 虛擬化的優勢

I/O虛擬化有許多具有吸引力的優點。首先，也是最重要的，它能用于改善系統的利用率。每個虛擬系統都需要自己專屬的 I/O 資源，在許多物理配置中，客戶端或服務器上 I/O插槽的數量可能不能滿足每個虛擬系統所需的專屬 I/O端點需求。有了足夠的物理 I/O 端點，這種拓撲結構便可以讓虛擬系統分享利用率偏低的端點。

此外，集中管理的 I/O 資源的使用，不但能改善 I/O 的可擴展性，同時還能簡化網絡的管理。服務器能適時控制對資源的訪問。通過集中式交換器管理 I/O，網絡管理員還能更容易且有效率地分配各項資源。

I/O 虛擬化的集中管理模式使網絡管理員可優化管理網絡 I/O 的流量平衡以及帶寬。如果虛擬系統需要更多的帶寬，網絡管理員可分配更多的物理端點容量給該虛擬系統。如果虛擬系統消耗了比正常使用情形更多的 I/O 資源，管理員也可以將其使用消耗設定降低至默認值。

最后，I/O 虛擬化也有助于提高網絡的可靠性。通過消除網絡基礎架構中多余的外設與端口，減少網絡中組件的使用數量，便能降低失效率。由于網絡管理員能根據性能需求更好地配置 I/O 資源，從而減少適配卡、電纜和端口的使用數量，因此 I/O 虛擬化可顯著降低網絡成本。

服務器和存儲行業的大多數廠商將 PCIe視為一種橋接或過渡技術。他們相信未來的系統將采用一種能提供非常專業化功能的新總線架構，以支持高性能網絡環境對特殊 I/O 的需求。而 PCIe 加入 I/O 虛擬化功能將改變這種看法。加入這項新功能使多 CPU 的系統配置可共享外設及端點，并且隨著總線的大量使用以及對生態系統廠商的支持，PCIe 將提供無與倫比的競爭優勢。