Input-Output-Virtualisierung (IOV)
Input-Output-Virtualisierung (IOV) ist eine Technologie, die mit Software Protokolle der oberen Schicht von physischen Verbindungen oder physischen Transporten abstrahiert. Diese Technik verwendet eine einzelne physische Komponente, die sie den Geräten jedoch als mehrere Komponenten präsentiert. Da die logischen von den physischen Ressourcen getrennt werden, gilt IOV als Grundlagentechnologie für Rechenzentren, die IT-Infrastrukturen wie Computer, Netzwerke und Speicher in einem gemeinsamen Pool zusammenfasst.
Zu den neueren Virtualisierungsstandards von Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) gehören Single Root I/O Virtualization (SR-IOV) und Multi Root I/O Virtualization (MR-IOV). SR-IOV unterteilt eine Hardwarekomponente in mehrere logische Partitionen, die gleichzeitig gemeinsam auf ein PCIe-Gerät zugreifen. MR-IOV-Geräte befinden sich außerhalb des Hosts und werden von mehreren Hardwaredomänen gemeinsam genutzt.
Wie funktioniert I/O-Virtualisierung?
Bei der I/O-Virtualisierung wird ein virtuelles Gerät durch sein physisches Äquivalent ersetzt, zum Beispiel eine Netzwerkkarte (NIC) oder ein Host-Bus-Adapter (HBA). Abgesehen von der Vereinfachung der Serverkonfigurationen hat dieses Setup auch den Vorteil, dass es die Leistungsaufnahme im Netzwerk reduziert.
Virtualisierung und Blade-Server-Technologien bündeln eine hohe Rechenleistung in einem kleinen Formfaktor. Mit dem Aufkommen der Virtualisierung begannen Rechenzentren, Standardhardware zu verwenden, um Funktionen wie Burst Computing, Lastausgleich und vernetzte Speicher mit mehreren Mandanten zu unterstützen.
Die I/O-Virtualisierung basiert auf einem One-to-Many-Ansatz. Der Pfad zwischen einem physischen Server und nahe gelegenen Peripheriegeräten wird virtualisiert, so dass eine einzelne IT-Ressource von virtuellen Maschinen (VMs) gemeinsam genutzt werden kann. Die virtualisierten Geräte arbeiten mit den gängigen Anwendungen, Betriebssystemen und Hypervisoren zusammen.
Diese Technik kann auf jede Serverkomponente angewandt werden, einschließlich plattenbasierter RAID-Controller, Ethernet-NICs, Fibre-Channel-HBAs, Grafikkarten und intern eingebauter Solid-State-Laufwerke (SSDs). So wird beispielsweise eine einzelne physische NIC als eine Reihe mehrerer virtueller NICs dargestellt.
Vor- und Nachteile der I/O-Virtualisierung
IOV nutzt Emulation und Komponentenkonsolidierung, um die Auslastung von I/O-Adaptern und der zugehörigen Server-Speicher-Infrastruktur zu erhöhen. Architektonisch gesehen werden bei der I/O-Virtualisierung die Netzwerkadapter vom Hostserver entfernt und in einer Switching-Box untergebracht. Das Abstrahieren von Ressourcen auf diese Weise bietet mehr Flexibilität durch schnellere Bereitstellung und bessere Auslastung der zugrunde liegenden physischen Infrastruktur.
Mit der I/O-Virtualisierung kann ein IT-Administrator eine große Anzahl von VMs auf einem einzelnen Server aufsetzen, was den Bedarf an neuer Hardware reduziert. Tausende von VMs können in einem größeren Server-Cluster laufen.
Weitere Vorteile sind das unabhängige Hinzufügen oder Entfernen von Servern aus dem Cluster und das Ausführen mehrerer Betriebssysteme auf demselben Host-Rechner. IOV hat Auswirkungen auf die Serverkonsolidierung, da die Netzwerkadapter nicht mehr im Server untergebracht sind, so dass die Kunden von 2U- auf 1U-Hardware umsteigen können.
IOV ermöglicht es Unternehmen:
- vorhandene Verkabelung und Peripheriekomponenten weiterzuverwenden.
- Serverleistung durch Nutzung ungenutzter Mezzanine-Steckplätze zu verbessern.
- eine einzige Kabelverbindung zur Unterstützung von Netzwerk- und Speicher-I/O nutzen.
- Kosten für Kühlung, Heizung und Strom im Rechenzentrum zu senken.
- bei sich ändernden I/O-Profilen schneller zu skalieren.
Trotz dieser Vorteile hat die gesteigerte Verarbeitungsleistung pro Quadratzoll zu einem anderen Input/Output-Problem geführt: Die Leitungen haben nicht genügend Bandbreite, um Daten schnell genug zu übertragen, damit sie mit modernen Prozessoren Schritt halten.
Um dieses Problem zu lösen, entwickelt das Industriekonsortium PCI Special Interest Group (PCI-SIG) neue Standards, um die Kapazität von PCIe-Flash-Speichergeräten auf der Grundlage von Fibre Channel- und FC-over-Ethernet-Netzwerken mit höherer Geschwindigkeit vollständig zu nutzen.
Spezifikationen für die I/O-Virtualisierung entwickeln sich weiter
PCI-SIG-Standards regeln, wie verschiedene Betriebssysteme PCI-basierte Geräte gemeinsam zeitgleich nutzen. Die Gruppe hat zwei I/O-Virtualisierungsspezifikationen – SR-IOV und MR-IOV – entwickelt, um die Standardisierung zu unterstützen, obwohl die Anbieter ihre Produkte unabhängig von den Standards entwickeln.
Der SR-IOV-Standard spezifiziert, wie mehrere Gäste auf einem einzelnen Server mit einem einzigen PCIe-Controller, oder Root, I/O-Geräte gemeinsam nutzen können, ohne dass ein Hypervisor auf dem Hauptdatenpfad residieren muss.
MR-IOV erweitert das Konzept dahingehend, dass mehrere unabhängige Systeme mit separaten PCIe-Roots über einen Switch eine Verbindung zu I/O-Geräten herstellen können. Ein Multi-Root-Switching-Komplex teilt Betriebssystem-Images über geclusterte Server hinweg. Für den Einsatz von MR-IOV werden in der Regel Blade-Server empfohlen. Die Geräte befinden sich außerhalb des Hosts und werden über mehrere Hardwaredomänen gemeinsam genutzt. Sowohl SR-IOV als auch MR-IOV erfordern eine spezielle Unterstützung durch I/O-Karten.
Der allgemeine I/O-Virtualisierungsansatz, den die meisten aktuellen Produkte verfolgen, ist, die lokalen Hostserver mit einer Top-of-Rack-Einheit zu verbinden, die eine Vielzahl von Netzwerk-, Speicher- und Grafikadaptern enthält, die als dynamischer Pool von I/O-Konnektivitätsressourcen fungieren können. Das Top-of-Rack-Gerät dient als I/O-Fabric für die Server im Rack und kann mit anderen Servern im Rack kommunizieren oder eine Verbindung zu End-of-Row-Switches für weiter entfernte Ressourcen herstellen.
Ein I/O-Gateway ist ein Hardwaregerät, das mehrere I/O-Karten in einer einzigen Einheit zusammenfasst. Hosts und Server können auf die im I/O-Gateway enthaltenen gemeinsamen Funktionen zugreifen.
