KVM虚拟化CPU技术总结

一 NUMA技术介绍
NUMA是一种解决多CPU共同工作的技术方案,我们先回顾下多CPU共同工作的技术架构历史。多CPU共同工作主要有三种架构,分别是SMP MPP NUMA架构。SMP MPP NUMA 都是为了解决多CPU共同工作的问题。
早期的时候,每台服务器都是单CPU,随着技术发展,出现了多CPU共同工作的需求,最早的多CPU技术是SMP。
SMP
多个CPU通过一个总线访问存储器,因此SMP系统有时也被称为一致存储器访问(UMA)结构体系,一致性意指无论在什么时候,处理器只能为内存的每个数据保持或共享唯一一个数值。
SMP的缺点是可伸缩性有限,因为在存储器接口达到饱和的时候,增加处理器并不能获得更高的性能,因此SMP方式支持的CPU个数有限。

MPP
MPP模式则是一种分布式存储器模式,能够将更多的处理器纳入一个系统的存储器。一个分布式存储器模式具有多个节点,每个节点都有自己的存储器,可以配置为SMP模式,也可以配置为非SMP模式。单个的节点相互连接起来就形成了一个总系统。MPP可以近似理解成一个SMP的横向扩展集群,MPP一般要依靠软件实现。

NUMA
每个处理器有自己的存储器,每个处理器也可以访问别的处理器的存储器。

NUMA-Q
是IBM最早将NUMA技术应用到i386上的商业方案,可以支持更多的x86 CPU一起工作。


KVM虚拟机NUMA调优
因为NUMA架构每个处理器都可以访问自己和别的处理器的存储器,访问自己的存储器要比访问别的存储器的快很多,NUMA 调优的目标就是让处理器尽量的访问自己的存储器,以提高处理速度。

通过numactl --hardware可以看到当前CPU硬件的情况

wKiom1TEI_DxDwxSAAF3NRraZ2k306.jpg


libvirt的numa管理
使用numastat 命令可以查看每个节点的内存统计
wKioL1TEJO×××ZTKAAFaWRIAf8o626.jpg


使用numatune命令可以查看或者修改虚拟机的numa配置
wKiom1TEJBuD3I-KAADmHcQo0cI539.jpg


linux的numu平衡策略
linux系统默认是自动numu平衡策略,如果要关闭Linux系统的自动平衡,使用如下命令

# echo 0 > /proc/sys/kernel/numa_balancing


如果要开启,使用如下命令

echo 1 > /proc/sys/kernel/numa_balancing



numa工作方式可以是strict,指定cpu,或者auto 使用系统的numad服务

<numatune>
        <memory mode='strict' placement='auto'/>
</numatune>
<numatune>
        <memory mode='strict' nodeset='0,2-3'/>
</numatune>

virsh numatune rhel7 --nodeset ‘0,2-3’
vpcu的设置

<vcpu placement='auto'>8</vcpu>
<vcpu placement='static' cpuset='0-10,5'>8</vcpu>

<vcpu> 和 <numatune>需要保持一致,<numatune>配置的是物理CPU,<vcpu>配置的CPU的核,包括超线程产生的核;
<numatune>使用static模式,<nodeset>也必须是;
也可以设置一个虚拟机给32个虚拟CPU,但是一开始只能使用8个,然后可以根据系统压力,热添加CPU给虚拟机。

<vcpu placement='auto' current='8'>32</vcpu>

也可以给每个虚拟机CPU,指定具体的物理机CPU pinning策略

<cputune>
        <vcpupin vcpu="0" cpuset="1-4,2"/>
        <vcpupin vcpu="1" cpuset="0,1"/>
        <vcpupin vcpu="2" cpuset="2,3"/>
        <vcpupin vcpu="3" cpuset="0,4"/>
</cputune>

也可以使用emulatorpin的方式
emulatorpin 标签可以指定一个特定的物理CPU,是虚拟机使用的CPU和存储器都在一个物理机CPU内部

<cputune>
        <emulatorpin cpuset="1-3"/>
</cputune>

命令方式为

virsh emulatorpin rhel7 1-3

1-3的核都在一个物理CPU内部。

默认情况下,系统使用的是自动平衡的NUMA策略。

虚拟机的numa拓扑
可以设置虚拟机对numa资源的使用

<cpu>
        ...
    <numa>
      <cell cpus='0-3' memory='512000'/>
      <cell cpus='4-7' memory='512000'/>
    </numa>
    ...
</cpu>

cell numa的cell或者numa节点
cpu  cpu一个物理CPU可以使用的CPU范围
memory  可以使用的内存大小,单位kb

NUMA-AWARE和KSM
KSM可以合并相同的内存页,即使是不同NUMA节点,
设置/sys/kernel/mm/ksm/merge_across_nodes参数为0,可以关闭关闭跨NUMA节点的内存合并
或者可以关闭虚拟机的内存合并

<memoryBacking>
         <nosharepages/>
</memoryBacking>


二 host-passthrough 技术及应用场景

KVM关于CPU型号的定义
libvirt 对CPU的定义提炼出标准的几种类型在 /usr/share/libvirt/cpu_map.xml 可以查到    

<cpus>
  <arch name='x86'>
    <!-- vendor definitions -->
    <vendor name='Intel' string='GenuineIntel'/>
    <vendor name='AMD' string='AuthenticAMD'/>
    <!-- standard features, EDX -->
    <feature name='fpu'> <!-- CPUID_FP87 -->
      <cpuid function='0x00000001' edx='0x00000001'/>
    </feature>
    <feature name='vme'> <!-- CPUID_VME -->
      <cpuid function='0x00000001' edx='0x00000002'/>
    </feature>
...
<!-- models -->
    <model name='486'>
      <feature name='fpu'/>
      <feature name='vme'/>
      <feature name='pse'/>
    </model>
...
 <model name='Haswell'>
      <model name='SandyBridge'/>
      <feature name='fma'/>
      <feature name='pcid'/>
      <feature name='movbe'/>
      <feature name='fsgsbase'/>
      <feature name='bmi1'/>
      <feature name='hle'/>
      <feature name='avx2'/>
      <feature name='smep'/>
      <feature name='bmi2'/>
      <feature name='erms'/>
      <feature name='invpcid'/>
      <feature name='rtm'/>
    </model>
....

主要是以下几种CPU型号。
'486' 'pentium' 'pentium2' 'pentium3' 'pentiumpro' 'coreduo' 'pentiumpro' 'n270' 'coreduo' 'core2duo' 'qemu32' 'kvm32' 'cpu64-rhel5' 'cpu64-rhel6' 'kvm64' 'qemu64' 'Conroe' 'Penryn' 'Nehalem''Westmere' 'SandyBridge' 'Haswell' 'athlon' 'phenom' 'Opteron_G1' 'Opteron_G2' 'Opteron_G3' 'Opteron_G4' 'Opteron_G5' 'POWER7' 'POWER7_v2.1' 'POWER7_v2.3'
使用这种方案主要是为了在虚拟机迁移的时候,在不同的宿主机间保证兼容性。
CPU配置模式可以有以下几种种模式:
custom 自己定义

<cpu mode='custom' match='exact'>
    <model fallback='allow'>kvm64</model>
 ...
    <feature policy='require' name='monitor'/>
  </cpu>

host-model 根据物理CPU的特性,选择一个最靠近的标准CPU型号,如果没有指定CPU模式,默认也是使用这种模式,xml配置文件为:

<cpu mode='host-model' />

host-passthrough 直接将物理CPU 暴露给虚拟机使用,在虚拟机上完全可以看到的就是物理CPU的型号;xml配置文件为:

<cpu mode='host-passthrough'/>

使用host-model看到的VCPU

processor       : 3
vendor_id       : GenuineIntel
cpu family      : 6
model           : 44
model name      : Westmere E56xx/L56xx/X56xx (Nehalem-C)
...

使用host-passthrough看到的VCPU

processor       : 3
vendor_id       : GenuineIntel
cpu family      : 6
model           : 44
model name      : Intel(R) Xeon(R) CPU           X5650  @ 2.67GHz

应用场景
HOST技术适用于以下场景:
1 CPU压力非常大;
2需要将物理CPU的一些特性传给虚拟机使用;
3需要在虚拟机里面看到和物理CPU一模一样的CPU品牌型号,这个在一些公有云很有意义;
注意:HOST方式虚拟机不能迁移到不同型号的CPU上;


三 CPU热添加

CPU热添加是centos7的一个新特性,要求宿主机和虚拟机都是centos7
如何使用
我们在给虚拟机分配的时候,就用预留CPU
wKiom1TEJNeTfEzIAAEBWypo640076.jpg
目前在虚拟机中可以看到4个CPU。
wKioL1TEJdLB40fcAAGgc2UkvQ8376.jpg

我们把CPU在线修改成5个

virsh setvcpus centos7 5 --live

在虚拟机里面将第5个CPU激活

wKiom1TEJQ3xCUl3AAA_TtNCL04409.jpg
可以看到虚拟机的CPU已经变成了5个

wKioL1TEJffwcKLDAAFftr4eH3w821.jpg
同样的方法,我们可以把CPU增加到6个
wKiom1TEJTDwSORjAAFgQLu_LY4003.jpg


因为我们一开始预留的是10个,所有最多的时候,可以热添加CPU到10个。

应用场景:对于虚拟机跑得应用非常重要,不能停机,而性能严重不足的场景,CPU热添加的技术是一个很好的解决方案。


四 nested 虚拟机嵌套(kvm on kvm)
nested技术,简单的说,就是在虚拟机上跑虚拟机。
KVM虚拟机嵌套和VMWare原理不同,VMWare第一层是用的硬件虚拟化技术,第二层就是完全软件模拟出来的,所以VMWare只能做两层嵌套。KVM是将物理CPU的特性全部传给虚拟机,所有理论上可以嵌套N多层。
配置方法
因为nested技术centos还没有正式支持,建议测试的时候用最新的fedora进行测试。
第一步 打开kvm内核模块 nested特性

modprobe kvm-intel nested=1

或者修改modprobe.d 编辑 /etc/modprobe.d/kvm_mod.conf ,添加以下内容

options kvm-intel nested=y

检查是否打开nested功能

cat /sys/module/kvm_intel/parameters/nested 
Y

第二步 第一层的虚拟机配置文件,要将物理机CPU特性全部传给虚拟机,使用CPU HOST技术

<cpu mode='host-passthrough'/>

第三步 和宿主机一样,将第一层虚拟机按照宿主机配置,按照相应的组件,然后就可以再安装第二层的虚拟机了。
wKioL1TEJmiTW70lAAJwA3anQcs644.jpg


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