支持虛擬化和帶寬分享的網(wǎng)絡適配器FPGA實現(xiàn).pdf

1、伴隨著以太網(wǎng)技術的快速發(fā)展,萬兆以太網(wǎng)技術已經(jīng)變得成熟。再加上CPU的性能不斷提高,PCI Express總線的帶寬越來越寬。萬兆以太網(wǎng)以網(wǎng)絡適配器形式通過PCI Express總線部署在服務器平臺上已經(jīng)變得現(xiàn)實。與此同時,云計算的概念被提出后,云計算的熱潮也席卷了各個行業(yè),眾多IT企業(yè)和電信運營商都在向云計算進軍,都已經(jīng)推出了自己相關的服務。隨著虛擬化技術的發(fā)展和云計算規(guī)模的壯大,在數(shù)據(jù)中心中的服務工作量日益增長,租戶數(shù)量也隨之增多,

2、傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡也暴露出了很多局限性。局限性主要集中在可擴展性和資源合理分配問題上?？蓴U展性是當規(guī)模龐大后再擴建帶來成本高,而且會影響原有的網(wǎng)絡服務質量。分配在問題上,像CPU和內存等硬件資源有合理的分配管理,但是網(wǎng)絡帶寬仍然是使用傳統(tǒng)的“盡力而為”方式被共享。網(wǎng)絡中經(jīng)常會出現(xiàn)堵塞,租戶正面臨著帶寬分配不公平的困境。網(wǎng)絡資源的分配變成了一個迫切而棘手的問題。
　　雖然很多相關的技術解決方案目前也有被提出,但是那些解決方案都有各自

3、的局限性,到目前為止沒有一種完美的解決方案。針對這些問題,本文提出了一種與機架交換機一起控制發(fā)送帶寬的解決方案,在一定程度上解決了帶寬分享問題,并將數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡拓撲中的服務器端網(wǎng)絡適配器硬件部分進行了實現(xiàn)。
　　網(wǎng)絡適配器硬件部分是在FPGA上進行實現(xiàn)的,采用Altera的Strativ IV530芯片。實現(xiàn)中采用的主要技術如下:硬件使用DMA技術通過PCI Express總線與CPU實現(xiàn)通信;接口使用萬兆以太網(wǎng)接口;虛擬機隊列的

4、調度采用差額輪詢調度。
　　本設計主要成果如下:整體來說,在一定程度解決帶寬分配問題的同時,擴展性問題上也有良好的解決。一臺服務器上支持16個虛擬機,一個租戶中的虛擬機數(shù)量可以軟件動態(tài)控制分配。細節(jié)來說,在支持PCI Express2.0總線基礎上,采用高性能DMA技術,特別是DMA讀內存的速率得到大幅提升,以適應本設計需求;萬兆以太網(wǎng)接口中將MAC層進行了設計實現(xiàn);調度中對差額輪詢調度在FPGA上進行了實現(xiàn)。實現(xiàn)過程中,采用先功