I/O虚拟化将重新定义 PCI Express的功能

过去几年，PCI Express(以下简称 PCIe)总线逐渐成为一种适用于网络应用、具有高效率和成本效益的平台。PCIe 的发展是为了克服过去并行计算机总线架构在性能、可扩展性以及配置等方面的限制，这种通用的串行 I/O 互连技术已被企业型、桌上型、移动、通信及嵌入式等各种应用广泛采用。尽管普及度已相当广泛，业界却普遍认为：PCIe 总线的功能还是无法满足高性能存储和网络独特的 I/O 需求。

PCIe 标准的扩展正在逐渐改变这种观念。PCI-SIG 工作小组正在讨论一种新的规范，即为 PCIe 添加 I/O 虚拟化功能。这项新功能使网络管理员可在不同 CPU 或 CPU 群组间虚拟并共享外设和端点。

I/O虚拟级别

初级 PCIe 拓扑结构具有映射到特定根联合体(Root Complex)的专属端点。在这样的环境中，网络中的每个物理端点都对应连到一个系统映像(System Image)，且无法共享。而在新规范中，根联合体拓扑结构则提供两个级别的I/O虚拟。在第一个级别中，被称为单根(Single-Root)I/O 虚拟(IOV)，它由物理端点本身提供虚拟功能。这个端点可支持一个或多个虚拟端点(VE: Virtual Endpoints)，并利用各种机制使各种系统映像和资源 DMA中每个虚拟端点直接进行 I/O 与内存操作，完成和中断系统映像的操作，而不会影响运行时间。在第二个级别中，被称为多根(Multi-Root)IOV，采用多根(MR)交换器与 MR 端点来扩展虚拟化功能。MR 交换器与 MR 端点都有让多个根联合体与系统映像能分享共同端点的机制(见图1)。

图1 I/O虚拟化系统模型

I/O 虚拟化的优势

I/O虚拟化有许多具有吸引力的优点。首先，也是最重要的，它能用于改善系统的利用率。每个虚拟系统都需要自己专属的 I/O 资源，在许多物理配置中，客户端或服务器上 I/O插槽的数量可能不能满足每个虚拟系统所需的专属 I/O端点需求。有了足够的物理 I/O 端点，这种拓扑结构便可以让虚拟系统分享利用率偏低的端点。

此外，集中管理的 I/O 资源的使用，不但能改善 I/O 的可扩展性，同时还能简化网络的管理。服务器能适时控制对资源的访问。通过集中式交换器管理 I/O，网络管理员还能更容易且有效率地分配各项资源。

I/O 虚拟化的集中管理模式使网络管理员可优化管理网络 I/O 的流量平衡以及带宽。如果虚拟系统需要更多的带宽，网络管理员可分配更多的物理端点容量给该虚拟系统。如果虚拟系统消耗了比正常使用情形更多的 I/O 资源，管理员也可以将其使用消耗设定降低至默认值。

最后，I/O 虚拟化也有助于提高网络的可靠性。通过消除网络基础架构中多余的外设与端口，减少网络中组件的使用数量，便能降低失效率。由于网络管理员能根据性能需求更好地配置 I/O 资源，从而减少适配卡、电缆和端口的使用数量，因此 I/O 虚拟化可显著降低网络成本。

服务器和存储行业的大多数厂商将 PCIe视为一种桥接或过渡技术。他们相信未来的系统将采用一种能提供非常专业化功能的新总线架构，以支持高性能网络环境对特殊 I/O 的需求。而 PCIe 加入 I/O 虚拟化功能将改变这种看法。加入这项新功能使多 CPU 的系统配置可共享外设及端点，并且随着总线的大量使用以及对生态系统厂商的支持，PCIe 将提供无与伦比的竞争优势。