采用軟件定義聯(lián)網(wǎng)中的虛擬機(jī)和虛擬化容器的本地服務(wù)鏈接的制作方法
【專利說(shuō)明】
【背景技術(shù)】
[0001]訪問(wèn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已變成現(xiàn)今計(jì)算機(jī)使用的無(wú)所不在的部分。無(wú)論是在企業(yè)環(huán)境中訪問(wèn)局域網(wǎng)(LAN)來(lái)訪問(wèn)共享網(wǎng)絡(luò)資源還是經(jīng)由LAN或其他接入點(diǎn)來(lái)訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，用戶似乎總是登錄到經(jīng)由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)而訪問(wèn)的至少一個(gè)服務(wù)。此外，基于云的服務(wù)的快速擴(kuò)充導(dǎo)致計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的甚至進(jìn)一步使用，并且預(yù)測(cè)這些服務(wù)變得越來(lái)越普遍。
[0002]聯(lián)網(wǎng)通過(guò)各種類型的設(shè)備而便利化，包括路由器、交換機(jī)、網(wǎng)橋、網(wǎng)關(guān)和接入點(diǎn)。大的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施典型地包括使用電信級(jí)網(wǎng)絡(luò)元件，包括由例如Cisco Systems、JuniperNetworksnAlcatel Lucent、IBM、和Hewlett-Packard等公司制造的交換機(jī)和路由器。這樣的電信交換機(jī)是非常復(fù)雜的，其以非常高的帶寬操作并且提供先進(jìn)路由功能性以及支持不同的服務(wù)質(zhì)量(QoS)水平。商業(yè)和家庭用戶最常使用例如局域網(wǎng)(LAN)等私有網(wǎng)絡(luò)。采用基于硬件和/或軟件的防火墻和類似物，這對(duì)于許多商業(yè)網(wǎng)絡(luò)也是常見的。
[0003]近年來(lái)，看到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的虛擬化快速發(fā)展，特別在服務(wù)器部署和數(shù)據(jù)中心中。根據(jù)常規(guī)方法，服務(wù)器直接在例如CPU、RAM、存儲(chǔ)設(shè)備(例如，硬盤)、網(wǎng)絡(luò)控制器、I/O端口等物理硬件資源上運(yùn)行操作系統(tǒng)的單個(gè)實(shí)例。根據(jù)使用虛擬機(jī)(VM)的一個(gè)虛擬化方法，采用物理硬件資源來(lái)支持虛擬資源的對(duì)應(yīng)實(shí)例，使得多個(gè)VM可在服務(wù)器的物理硬件資源上運(yùn)行，其中每個(gè)虛擬機(jī)包括它自己的CPU分配、存儲(chǔ)器分配、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)控制器、I/O端口等。相同或不同操作系統(tǒng)的多個(gè)實(shí)例然后在多個(gè)VM上運(yùn)行。此外，通過(guò)使用虛擬機(jī)管理器(VMM)或“管理程序”，在服務(wù)器運(yùn)行時(shí)可以動(dòng)態(tài)分配虛擬資源，從而能夠增加、關(guān)閉VM實(shí)例或使其改作他用而不需要關(guān)閉服務(wù)器。這提供更大的服務(wù)器利用靈活性和服務(wù)器處理資源的更好使用，尤其是對(duì)于多核處理器核/或多處理器服務(wù)器。
[0004]根據(jù)另一個(gè)虛擬化方法，使用基于容器的0S虛擬化，其采用虛擬化“容器”而不使用VMM或管理程序。代替在相應(yīng)VM上托管操作系統(tǒng)的獨(dú)立實(shí)例，基于容器的0S虛擬化跨多個(gè)容器共享單個(gè)0S內(nèi)核，其對(duì)于每個(gè)容器具有系統(tǒng)和軟件庫(kù)的獨(dú)立實(shí)例。如與VM —樣，還存在分配給每個(gè)容器的虛擬資源。
[0005]過(guò)去幾年還看到軟件定義聯(lián)網(wǎng)(SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)的部署的快速發(fā)展。根據(jù)SDN，對(duì)于將業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)到選擇的目的地的底層系統(tǒng)(數(shù)據(jù)平面)將做出關(guān)于將業(yè)務(wù)發(fā)送到哪里的決定的系統(tǒng)(控制平面)解耦?？刹捎肧DN概念來(lái)使得網(wǎng)絡(luò)虛擬化便利化，從而使服務(wù)提供商能夠經(jīng)由軟件應(yīng)用和API (應(yīng)用編程接口)來(lái)管理他們的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的各種方面。根據(jù)NFV，通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化為軟件應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商可以在網(wǎng)絡(luò)配置方面獲得靈活性，從而實(shí)現(xiàn)明顯的益處，包括可用帶寬的優(yōu)化、成本節(jié)省和更快的新服務(wù)上市時(shí)間。
[0006]“服務(wù)鏈接(service chaining)”通常在SDN的上下文中使用來(lái)描述穿越網(wǎng)絡(luò)、由在各種物理計(jì)算節(jié)點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)的一系列網(wǎng)絡(luò)服務(wù)元件處理的分組的流。如本文使用的，術(shù)語(yǔ)“本地服務(wù)鏈接(LSC)”用于描述穿越網(wǎng)絡(luò)(其在計(jì)算節(jié)點(diǎn)內(nèi)部)、由在VM或虛擬化容器中實(shí)現(xiàn)的一系列網(wǎng)絡(luò)服務(wù)元件處理的分組的流。根據(jù)常規(guī)方法，LCS采用虛擬交換機(jī)(VS)或等同機(jī)構(gòu)的使用以在VM之間交換分組。該交換機(jī)制需要計(jì)算資源并且不利地影響系統(tǒng)吞吐量。該問(wèn)題在通過(guò)LSC處理大量業(yè)務(wù)時(shí)加劇，因?yàn)槊總€(gè)分組的處理可牽涉經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)VS的多個(gè)數(shù)據(jù)傳輸。
【附圖說(shuō)明】
[0007]前述方面和本發(fā)明的伴隨優(yōu)勢(shì)中的許多通過(guò)參考下列詳細(xì)描述在結(jié)合附圖(其中類似的標(biāo)號(hào)指代貫穿各種視圖的類似部件，除非另外規(guī)定)來(lái)看時(shí)變得更好理解同樣也變得更容易被認(rèn)識(shí):
圖1是圖示架構(gòu)的示意圖，該架構(gòu)包括對(duì)于計(jì)算平臺(tái)的虛擬機(jī)，配置成通過(guò)使用LSC來(lái)執(zhí)行分組處理操作；
圖la是圖示圖1的計(jì)算平臺(tái)的增強(qiáng)版本的示意圖，據(jù)此，分組數(shù)據(jù)直接從網(wǎng)絡(luò)接口傳輸?shù)教摂M網(wǎng)絡(luò)接口控制器(vNIC)中的接收(Rx)緩沖器(buffer)；
圖lb是圖示對(duì)于計(jì)算平臺(tái)的架構(gòu)的示意圖，包括配置成通過(guò)使用LSC來(lái)執(zhí)行分組處理操作的虛擬化容器；
圖2是圖示由在計(jì)算平臺(tái)上執(zhí)行的軟件執(zhí)行來(lái)使LSC實(shí)現(xiàn)便利化的操作和邏輯的流程圖；
圖3是圖示圖1的架構(gòu)的共享存儲(chǔ)器區(qū)域中的Rx FIFO隊(duì)列的另外的細(xì)節(jié)的示意圖；圖4是圖示用于使用LSC ID來(lái)實(shí)現(xiàn)LSC操作的圖1的架構(gòu)的流表中包含的第一組示范性數(shù)據(jù)的圖；
圖4a是圖示用于使用流ID來(lái)實(shí)現(xiàn)LSC操作的圖1的架構(gòu)的流表中包含的第二組示范性數(shù)據(jù)的圖；
圖4b是圖示用于對(duì)在預(yù)定義網(wǎng)絡(luò)端口接收的所有分組實(shí)現(xiàn)預(yù)定義LSC的圖1的架構(gòu)的流表中包含的第三組示范性數(shù)據(jù)的圖；
圖5是包括虛擬機(jī)(經(jīng)由該虛擬機(jī)可實(shí)現(xiàn)本文公開的實(shí)施例的方面)的第一示范性主機(jī)平臺(tái)硬件和軟件架構(gòu)的示意圖；
圖6是包括實(shí)現(xiàn)基于容器的虛擬化的容器(由此可實(shí)現(xiàn)本文公開的實(shí)施例的方面)的第二示范性主機(jī)平臺(tái)硬件和軟件架構(gòu)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0008]在本文描述用于采用在軟件定義聯(lián)網(wǎng)中的虛擬機(jī)或虛擬化容器來(lái)實(shí)現(xiàn)本地服務(wù)鏈接的方法、軟件和裝置的實(shí)施例。在下列描述中，闡述許多具體細(xì)節(jié)來(lái)提供對(duì)本文公開和圖示的實(shí)施例的全面理解。然而，相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到本發(fā)明可在沒有這些具體細(xì)節(jié)中的一個(gè)或多個(gè)的情況下實(shí)踐，或用其他方法、部件、材料等實(shí)踐。在其他實(shí)例中，未詳細(xì)示出或描述眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或操作以避免使本發(fā)明的方面難以理解。
[0009]為了清楚起見，本文的圖中的個(gè)體部件也可通過(guò)它們?cè)趫D中的標(biāo)記來(lái)參考，而不是通過(guò)特定標(biāo)號(hào)。另外，指代特定類型部件(如與特定部件相對(duì))的標(biāo)號(hào)可用后跟“(typ)”(意思是“典型的”)的標(biāo)號(hào)來(lái)示出。將理解這些部件的配置將是可存在但為了簡(jiǎn)單或清楚起見而未在圖中示出的相似部件或未用獨(dú)立標(biāo)號(hào)標(biāo)記的另外的相似部件的代表。相反，“ (typ) ”不解釋為意指部件、元件等典型地用于它的公開功能、實(shí)現(xiàn)、目的等。
[0010]如本文使用的，術(shù)語(yǔ)“虛擬組件”、“虛擬網(wǎng)絡(luò)組件”、“網(wǎng)絡(luò)組件”或簡(jiǎn)單地“組件”可能互換地使用。另外，為了本文的目的(包括權(quán)利要求)，配置成實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化或與軟件定義聯(lián)網(wǎng)有關(guān)的任何基于軟件的組件可更一般地稱為“虛擬組件”，其中理解虛擬網(wǎng)絡(luò)組件包括配置成實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和/或與軟件定義聯(lián)網(wǎng)有關(guān)的操作的任何網(wǎng)絡(luò)組件或虛擬化實(shí)體。因此，下列描述中的術(shù)語(yǔ)虛擬組件也包括所有NFV組件。
[0011]根據(jù)本文描述的實(shí)施例的方面，分組吞吐量通過(guò)創(chuàng)建“直通”機(jī)制而加速，該“直通”機(jī)制使分組能夠在虛擬網(wǎng)絡(luò)組件與相似SDN部件之間傳輸而不使用虛擬交換機(jī)。這部分地經(jīng)由使用“本地服務(wù)鏈接(LSC)”而便利化，該“本地服務(wù)鏈接(LSC)”在本文用于描述穿越網(wǎng)絡(luò)(其在計(jì)算節(jié)點(diǎn)內(nèi)部)的分組的流，這些分組在該計(jì)算節(jié)點(diǎn)下由在多個(gè)虛擬機(jī)或虛擬化容器中實(shí)現(xiàn)的一系列網(wǎng)絡(luò)服務(wù)元件(例如，虛擬網(wǎng)絡(luò)組件)處理。
[0012]通過(guò)示例并且沒有限制地，圖1示出對(duì)于配置成通過(guò)使用LSC來(lái)執(zhí)行分組處理操作的計(jì)算節(jié)點(diǎn)(例如，計(jì)算平臺(tái)(例如服務(wù)器))的架構(gòu)100。架構(gòu)100包括計(jì)算平臺(tái)102，其耦合于網(wǎng)絡(luò)接口 104，該網(wǎng)絡(luò)接口 104可在計(jì)算平臺(tái)上集成(例如，作為網(wǎng)絡(luò)接口控制器(NIC))或用別的方式操作地耦合于計(jì)算平臺(tái)(例如，作為在PCIe (高速外圍部件互連)擴(kuò)充插槽中安裝的PCIe卡)。計(jì)算平臺(tái)102包括主機(jī)操作系統(tǒng)(0S)106，其在配置成托管多個(gè)應(yīng)用(在應(yīng)用存儲(chǔ)器空間108中運(yùn)行)(其被描繪為在主機(jī)0S 106之上)的0S存儲(chǔ)器107中運(yùn)行。這包括虛擬交換機(jī)109和配置成托管外虛擬機(jī)112 (如由標(biāo)記為VM1、VM2和VM N的虛擬機(jī)描繪)的管理程序110。軟件部件進(jìn)一步包括SDN控制器114。
[0013]網(wǎng)絡(luò)接口 104包括標(biāo)記為Portl、Port2…Porti^ 網(wǎng)絡(luò)端口 116，其中與財(cái)目同或不同。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口 116包括接收(Rx)緩沖器118和傳送(Tx)緩沖器120。如在本文的圖中使用的，描繪的Rx和Tx緩沖器以及Rx和Tx隊(duì)列也可代表同定位的Rx和Tx端口 ；為了減少雜亂，Rx和Tx端口未獨(dú)立示出，但本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到每個(gè)Rx和Tx端口將包括一個(gè)或多個(gè)Rx和Tx緩沖器和/或隊(duì)列。
[0014]—般，網(wǎng)絡(luò)接口可包括在Rx和Tx端口中實(shí)現(xiàn)的相對(duì)小的Rx和Tx緩沖器，并且然后包括可在網(wǎng)絡(luò)接口(其跨多個(gè)Rx和Tx端口被共享)上的輸入/輸出(10)存儲(chǔ)器中實(shí)現(xiàn)的較大Rx和Tx緩沖器。在圖示的示例中，10存儲(chǔ)器的至少一部分是存儲(chǔ)器映射10 (麗10)122，其由主機(jī)0S 106的OS存儲(chǔ)器107中的NIC驅(qū)動(dòng)器124配置。麗10 122配置成支持ΜΜΙ0 122中的存儲(chǔ)器緩沖器與計(jì)算平臺(tái)102上的系統(tǒng)存儲(chǔ)器中的緩沖器之間的直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(DMA)數(shù)據(jù)傳輸，如在下文進(jìn)一步詳細(xì)描述的。
[0015]虛擬交換機(jī)108是基于軟件的實(shí)體，其配置成在計(jì)算平臺(tái)102內(nèi)部執(zhí)行SDN交換操作。在圖示的示例中，虛擬交換機(jī)108包括對(duì)于網(wǎng)絡(luò)接口 104上的每個(gè)物理Rx和Tx端口(例如，對(duì)于Portl-Porti^的每個(gè))的虛擬Rx和Tx端口，和對(duì)于虛擬機(jī)VMV1-VM Λψ的每個(gè)的虛擬Rx和Tx端口。網(wǎng)絡(luò)接口側(cè)上的虛擬端口描繪為Rx虛擬端口 126和Tx虛擬端口127，而VM側(cè)上的虛擬端口描繪為Rx虛擬端口 128和Tx虛擬端口 129。如進(jìn)一步示出的，Rx和Tx虛擬端口 126、127、128和129中的每個(gè)的一部分描繪為與系統(tǒng)存儲(chǔ)器地址空間的共享存儲(chǔ)器區(qū)域134 (也稱為共享地址空間)重疊。另外，Rx和Tx虛擬端口 130和132的組對(duì)進(jìn)一步描繪為擴(kuò)展到相應(yīng)虛擬NIC (vNIC)，如由vNICl、vNIC2和vNICA示出的，其中vNIC與相應(yīng)虛擬機(jī)VM 1、VM 2和VM聯(lián)聯(lián)。
[0016]示出虛擬機(jī)VM 1、VM 2和VM Λψ的每個(gè)，其包括虛擬組件136和三個(gè)應(yīng)用138(具有識(shí)別其上運(yùn)行虛擬組件和應(yīng)用的對(duì)應(yīng)VM的記號(hào))。例如，對(duì)于VM 1，虛擬組件標(biāo)記為“組件1”并且應(yīng)用標(biāo)記為“應(yīng)用1A”、“應(yīng)用1B”和“應(yīng)用1C”。一般，每個(gè)虛擬組件136可經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用138來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且包括三個(gè)應(yīng)用僅僅是為了說(shuō)明目的。在計(jì)算平臺(tái)102的操作期間，虛擬組件136中的每個(gè)配置成執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)分組處理服務(wù)。此外，這些分組處理服務(wù)采用如由與每個(gè)分組關(guān)聯(lián)的分組流的可適用LSC限定的鏈接方式實(shí)現(xiàn)。
[0017]經(jīng)由連同分組140的處理描繪的操作和數(shù)據(jù)傳輸，并且進(jìn)一步參考在圖2中示出的流程圖200，使用本地服務(wù)鏈接的鏈接分組處理服務(wù)的概念進(jìn)一步在圖1中圖示。分組140描繪為IP (互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)分組，并且IP分組的該示范性使用意指分組采用IP尋址，其部分地用于確定分組140在網(wǎng)絡(luò)中被轉(zhuǎn)發(fā)到哪里以及由計(jì)算平臺(tái)102內(nèi)部處理。如在流程圖200的框202中示出的，過(guò)程以在網(wǎng)絡(luò)接口 102的Portl處從網(wǎng)絡(luò)接收分組140開始。一般，分組數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)位流在網(wǎng)絡(luò)的鏈路上傳輸。例如，對(duì)于以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，分組數(shù)據(jù)作為以太網(wǎng)幀的流傳輸。在Portl處，執(zhí)行可適用的物理層(PHY)操作來(lái)提取以太網(wǎng)分組，其封裝要由虛擬組件136處理的分組數(shù)據(jù)。提取的以太網(wǎng)分組在Portl的Rx緩沖器118中緩沖。
[0018]接著，在框204中，從以太網(wǎng)分組提取IP分組。可選地，如能適用的話，可提取層4或更高