支持虚拟化和带宽分享的网络适配器FPGA实现

摘要

伴随着以太网技术的快速发展,万兆以太网技术已经变得成熟。再加上CPU的性能不断提高,PCI Express总线的带宽越来越宽。万兆以太网以网络适配器形式通过PCI Express总线部署在服务器平台上已经变得现实。与此同时,云计算的概念被提出后,云计算的热潮也席卷了各个行业,众多IT企业和电信运营商都在向云计算进军,都已经推出了自己相关的服务。随着虚拟化技术的发展和云计算规模的壮大,在数据中心中的服务工作量日益增长,租户数量也随之增多,传统的数据中心网络也暴露出了很多局限性。局限性主要集中在可扩展性和资源合理分配问题上。可扩展性是当规模庞大后再扩建带来成本高,而且会影响原有的网络服务质量。分配在问题上,像CPU和内存等硬件资源有合理的分配管理,但是网络带宽仍然是使用传统的“尽力而为”方式被共享。网络中经常会出现堵塞,租户正面临着带宽分配不公平的困境。网络资源的分配变成了一个迫切而棘手的问题。
　　虽然很多相关的技术解决方案目前也有被提出,但是那些解决方案都有各自的局限性,到目前为止没有一种完美的解决方案。针对这些问题,本文提出了一种与机架交换机一起控制发送带宽的解决方案,在一定程度上解决了带宽分享问题,并将数据中心网络拓扑中的服务器端网络适配器硬件部分进行了实现。
　　网络适配器硬件部分是在FPGA上进行实现的,采用Altera的Strativ IV530芯片。实现中采用的主要技术如下:硬件使用DMA技术通过PCI Express总线与CPU实现通信;接口使用万兆以太网接口;虚拟机队列的调度采用差额轮询调度。
　　本设计主要成果如下:整体来说,在一定程度解决带宽分配问题的同时,扩展性问题上也有良好的解决。一台服务器上支持16个虚拟机,一个租户中的虚拟机数量可以软件动态控制分配。细节来说,在支持PCI Express2.0总线基础上,采用高性能DMA技术,特别是DMA读内存的速率得到大幅提升,以适应本设计需求;万兆以太网接口中将MAC层进行了设计实现;调度中对差额轮询调度在FPGA上进行了实现。实现过程中,采用先功能仿真后下板测试,最终设计得到实现和验证。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究问题的提出

1.3 研究现状

1.4 论文的主要工作

第二章 协议分析与技术介绍

2.1 万兆以太网

2.2 PCI Express总线介绍

2.3 高性能DMA技术

2.4 轮询调度技术

2.5 本章小结

第三章 总体设计的架构

3.1 简单的数据中心的系统部署

3.2 带宽分享要求下各设备的设计要求分析

3.3 服务器端网络适配器的总体框架

3.4 硬件开发环境和相关设计工具简介

3.5 本章小结

第四章 硬件设计方案及FPGA实现

4.1 硬件中的调度器实现

4.2 DMA控制器实现

4.3 MAC层实现

4.4 关于本地流量的实现方案

4.5 提高带宽利用率和必要的带宽限制

4.6 本章小结

第五章 仿真与测试

5.1 功能仿真

5.2 下板测试

5.3本章小结

第六章 结束语

6.1 论文总结

6.2工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果