一种利用虚拟交换机转发数据包的方法及设备与流程

本发明涉及计算机网络领域，具体涉及一种利用虚拟交换机转发数据包的方法及设备。

背景技术：

经过多年的发展，云计算已经逐步成熟，在整个云数据中心中，网络是所有设备互联互通的关键所在，网络的性能可以影响整个数据中心的运行效率。在云计算中虚拟机通过ovs虚拟机交换机与外部通信，由于虚拟化本身有性能损耗，虽然虚拟机网络带宽与实际物理硬件相同，但是网络延时还是比物理硬件高，网络的实时性相对较差。在工业控制或军用领域，网络的实时性要求非常高，如何提高虚拟网络的实时性，已成为当前云计算推广的关键所在。

技术实现要素：

有鉴于此，为了克服上述问题的至少一个方面，本发明实施例提出一种利用虚拟交换机转发数据包的方法，包括步骤：

利用网卡接收所述数据包，并上传到datapath；

通过所述datapath在缓存中检测所述数据包的相关记录；

响应于所述datapath在缓存中没有检测到相关记录，利用dpdk将所述数据包发送至所述虚拟交换机的用户空间的vswitchd；

所述vswitchd搜索所述数据包的目的端口并获取所述数据包的转发规则，以将所述数据包按照所述转发规则转发至相应虚拟机。

在一些实施例中，利用dpdk将所述数据包发送至所述虚拟交换机的用户空间的vswitchd包括：所述dpdk在用户空间利用轮询模式处理数据包。

在一些实施例中，将所述数据包按照所述转发规则进行转发包括：

利用vhost-user将所述数据包转发所述虚拟机的内核空间。

在一些实施例中，所述方法还包括步骤：

所述虚拟机利用虚拟网卡接收所述数据包，并转发至虚拟机的内核空间。

在一些实施例中，所述方法还包括步骤：

所述虚拟机利用物理网卡接收所述数据包；

所述物理网卡通过linuxbridge以及tap将所述数据包转发至virtio虚拟网卡；

所述virtio虚拟网卡将所述数据包转发至虚拟机的内核空间。

在一些实施例中，，所述搜索所述数据包的目的端口并获取所述数据包的转发规则包括：

利用openflow流表，实现所述主要模块与ovsdb以及ovs-ofctl交互，以使所述vswitchd搜索所述数据包的目的端口并获取所述数据包的转发规则。

在一些实施例中，所述方法还包括步骤：

在所述虚拟机中，将控制面线程和各个数据面线程绑定不同的cpu。

在一些实施例中，所述方法还包括步骤：

利用收发包批处理功能，将多个所述数据包集中到一个cacheline。

基于同一发明构思，根据本发明的另一个方面，本发明的实施例还提供了一种计算机设备，包括：

至少一个处理器；以及

存储器，所述存储器存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时执行如上所述的任一种利用虚拟交换机转发数据包的方法的步骤。

基于同一发明构思，根据本发明的另一个方面，本发明的实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时执行如上所述的任一种利用虚拟交换机转发数据包的方法的步骤。

本发明具有以下有益技术效果：本发明公开的方法可以提升虚拟交换机的实时性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1为本发明的实施例提供的利用虚拟交换机转发数据包的方法流程示意图；

图2为ovs+dpdk数据流处理过程图；

图3为vhost-user方式通信原理图；

图4为dpdk-virtio-net方式通信原理图；

图5为本发明的实施例提供的计算机设备的结构示意图；

图6为本发明的实施例提供的计算机可读存储介质的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

根据本发明的一个方面，本发明的实施例提出了一种利用虚拟交换机转发数据包的方法，主要利用数据平面开发套件(dpdk)能够极大提高网络数据处理性能和吞吐量，因此通过其与虚拟化技术结合，可以极大提高虚拟网络的实时性。

dpdk(dataplanedevelopmentkit)是由6wind、intel等多家公司开发，主要基于linux系统运行，用于快速数据包处理的函数库与驱动集合，dpdk使用了轮询(polling)而不是中断来处理数据包。在收到数据包时，经dpdk重载的网卡驱动不会通过中断通知cpu，而是直接将数据包存入内存，交付应用层软件通过dpdk提供的接口来直接处理，这样节省了大量的cpu中断时间和内存拷贝时间。

下面结合图1详细说明本发明实施例提供的利用虚拟交换机转发数据包的方法。

如图1所示，本发明实施例提供利用虚拟交换机转发数据包的方法可以包括步骤：利用网卡接收所述数据包，并上传到datapath；通过所述datapath在缓存中检测所述数据包的相关记录；响应于所述datapath在缓存中没有检测到相关记录，利用dpdk将所述数据包发送至所述虚拟交换机的用户空间的vswitchd；所述vswitchd搜索所述数据包的目的端口并获取所述数据包的转发规则，以将所述数据包按照所述转发规则转发至相应虚拟机。

具体的，如图2所示，可以首先在linux系统中配置大页缓存，使用大页缓存支持来提高内存访问效率。利用uio技术，提供应用空间下驱动程序的支持,也就是说网卡驱动是运行在用户空间的，减小了报文在用户空间和应用空间的多次拷贝。利用linux亲和性特性，把控制面线程及各个数据面线程绑定到不同的cpu核，节省了线程在各个cpu核来回调度。使用无锁环形缓存管理，加快内存访问效率。使用收发包批处理功能，多个收发包集中到一个cacheline，在内存池中实现，无需反复申请和释放。采用用户态轮询驱动，可以减小上下文切换开销，方便实现虚拟机和主机零拷贝。

在一些实施例中，如图2所示，使用dpdk优化后，ovs所有的工作全部在用户态完成，使虚拟交换机到物理网卡的整个数据传输都工作在用户态，极大的提升了ovs的性能。数据包到达网卡后，上传给数据通道(datapath)，datapath会检查缓存中的精确流表是否可以直接转发这个包，如果在缓存中没有找到记录，直接通过dpdklib将数据发送到用户空间的主要模块(vswitchd)，vswitchd检查数据库以查看数据包的目的端口，需要操作openflow流表，实现与ovsdb以及ovs-ofctl交互，获取数据包精确转发规则后，按规则进行数据包转发。经过上述优化后，可以让ovs虚拟交换机的实时性得到大幅度提升。

在一些实施例中，如图3所示，为了更好的提升虚拟机的网络实时性，不仅要提升ovs虚拟交换机的实时性，还要提升虚拟网卡的实时性，结合vhost-user技术的优势，利用用户态vhost-backend程序，将数据包转发至虚拟机的内核空间，这样从虚拟机到物理机上实现数据零拷贝(zerocopy)，显著降低了虚拟机与物理机的数据交换时间，提高虚拟网卡的实时性。

在一些实施例中，如图4所示，为了进一步优化虚拟网卡的实时性，虚拟机可以利用虚拟网卡接收所述数据包，并转发至虚拟机的内核空间，即可以利用网卡虚拟化技术，将物理网卡的虚拟功能，直接映射到虚拟机中使用，并在虚拟机中采用dpdk的方式，直接进行虚拟机的网络优化，实现虚拟机网络直接连通外部网络的功能。

在一些实施例中，若物理网卡没有虚拟功能的硬件，直接采用dpdk进行系统优化，即利用物理网卡接收数据包，然后利用物理网卡通过linuxbridge以及tap将所述数据包转发至virtio虚拟网卡，最后利用virtio虚拟网卡将所述数据包转发至虚拟机的内核空间，这样降低了内核与用户空间的切换时间，也可以达到提升虚拟网卡实时性目的。

本发明提出的利用虚拟交换机转发数据包的方法，通过dpdk的实现原理，改造ovs虚拟交换机，让ovs虚拟交换机可以使用dpdk的加速手段，用户态进程直接接管网卡收发数据，采用“io独占核”技术，即每个端口分配一个核专门用于数据收发，轮询式处理方式代替中断式处理，显著提高io性能。同时为了保证虚拟机中网络的实时性，需要改造虚拟机的网卡驱动，采用virtio网卡，并采用dpdk优化，将原本需要在内核中处理的内容，全部提到用户空间，减少中断及数据拷贝的时间损耗，提高网络的实时性。

基于同一发明构思，根据本发明的另一个方面，如图5所示，本发明的实施例还提供了一种计算机设备501，包括：

至少一个处理器520；以及

存储器510，存储器510存储有可在处理器上运行的计算机程序511，处理器520执行程序时执行如上的任一种利用虚拟交换机转发数据包的方法的步骤。

基于同一发明构思，根据本发明的另一个方面，如图6所示，本发明的实施例还提供了一种计算机可读存储介质601，计算机可读存储介质601存储有计算机程序610，计算机程序610被处理器执行时执行如上的任一种利用虚拟交换机转发数据包的方法的步骤。

最后需要说明的是，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关硬件来完成，的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(rom)或随机存储记忆体(ram)等。上述计算机程序的实施例，可以达到与之对应的前述任意方法实施例相同或者相类似的效果。

此外，典型地，本发明实施例公开的装置、设备等可为各种电子终端设备，例如手机、个人数字助理(pda)、平板电脑(pad)、智能电视等，也可以是大型终端设备，如服务器等，因此本发明实施例公开的保护范围不应限定为某种特定类型的装置、设备。本发明实施例公开的客户端可以是以电子硬件、计算机软件或两者的组合形式应用于上述任意一种电子终端设备中。

此外，根据本发明实施例公开的方法还可以被实现为由cpu执行的计算机程序，该计算机程序可以存储在计算机可读存储介质中。在该计算机程序被cpu执行时，执行本发明实施例公开的方法中限定的上述功能。

此外，上述方法步骤以及系统单元也可以利用控制器以及用于存储使得控制器实现上述步骤或单元功能的计算机程序的计算机可读存储介质实现。

此外，应该明白的是，本文的计算机可读存储介质(例如，存储器)可以是易失性存储器或非易失性存储器，或者可以包括易失性存储器和非易失性存储器两者。作为例子而非限制性的，非易失性存储器可以包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦写可编程rom(eeprom)或快闪存储器。易失性存储器可以包括随机存取存储器(ram)，该ram可以充当外部高速缓存存储器。作为例子而非限制性的，ram可以以多种形式获得，比如同步ram(dram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据速率sdram(ddrsdram)、增强sdram(esdram)、同步链路dram(sldram)、以及直接rambusram(drram)。所公开的方面的存储设备意在包括但不限于这些和其它合适类型的存储器。

本领域技术人员还将明白的是，结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，已经就各种示意性组件、方块、模块、电路和步骤的功能对其进行了一般性的描述。这种功能是被实现为软件还是被实现为硬件取决于具体应用以及施加给整个系统的设计约束。本领域技术人员可以针对每种具体应用以各种方式来实现的功能，但是这种实现决定不应被解释为导致脱离本发明实施例公开的范围。

结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑块、模块和电路可以利用被设计成用于执行这里功能的下列部件来实现或执行：通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或其它可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立的硬件组件或者这些部件的任何组合。通用处理器可以是微处理器，但是可替换地，处理器可以是任何传统处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以被实现为计算设备的组合，例如，dsp和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合dsp和/或任何其它这种配置。

结合这里的公开所描述的方法或算法的步骤可以直接包含在硬件中、由处理器执行的软件模块中或这两者的组合中。软件模块可以驻留在ram存储器、快闪存储器、rom存储器、eprom存储器、eeprom存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、cd-rom、或本领域已知的任何其它形式的存储介质中。示例性的存储介质被耦合到处理器，使得处理器能够从该存储介质中读取信息或向该存储介质写入信息。在一个替换方案中，存储介质可以与处理器集成在一起。处理器和存储介质可以驻留在asic中。asic可以驻留在用户终端中。在一个替换方案中，处理器和存储介质可以作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性设计中，功能可以在硬件、软件、固件或其任意组合中实现。如果在软件中实现，则可以将功能作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或通过计算机可读介质来传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，该通信介质包括有助于将计算机程序从一个位置传送到另一个位置的任何介质。存储介质可以是能够被通用或专用计算机访问的任何可用介质。作为例子而非限制性的，该计算机可读介质可以包括ram、rom、eeprom、cd-rom或其它光盘存储设备、磁盘存储设备或其它磁性存储设备，或者是可以用于携带或存储形式为指令或数据结构的所需程序代码并且能够被通用或专用计算机或者通用或专用处理器访问的任何其它介质。此外，任何连接都可以适当地称为计算机可读介质。例如，如果使用同轴线缆、光纤线缆、双绞线、数字用户线路(dsl)或诸如红外线、无线电和微波的无线技术来从网站、服务器或其它远程源发送软件，则上述同轴线缆、光纤线缆、双绞线、dsl或诸如红外线、无线电和微波的无线技术均包括在介质的定义。如这里所使用的，磁盘和光盘包括压缩盘(cd)、激光盘、光盘、数字多功能盘(dvd)、软盘、蓝光盘，其中磁盘通常磁性地再现数据，而光盘利用激光光学地再现数据。上述内容的组合也应当包括在计算机可读介质的范围内。

以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。

应当理解的是，在本文中使用的，除非上下文清楚地支持例外情况，单数形式“一个”旨在也包括复数形式。还应当理解的是，在本文中使用的“和/或”是指包括一个或者一个以上相关联地列出的项目的任意和所有可能组合。

上述本发明实施例公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。