在高性能计算(HPC)中,网络性能对于集群效率起着至关重要的作用。为了支持大规模并行计算,HPC集群通常依赖高带宽、低延迟的网络,而InfiniBand(IB)正是其中的首选技术。它能够提供超过100Gbps的带宽,并将通信延迟控制在微秒级,非常适合需要快速数据交换的任务,比如机器学习、科学模拟和金融建模。
随着虚拟化技术的快速发展,HPC集群也逐渐迈向虚拟化,以提升资源利用率、隔离性和灵活性。这带来了一个新的技术挑战:如何将InfiniBand网络虚拟化,并让虚拟机也能充分利用这项高效的网络技术。这正是本文探讨的关键问题。
一、Kubernetes与KubeVirt
Kubernetes 是当今流行的容器编排平台,具备强大的资源调度、自动扩展和集群管理能力。虽然 Kubernetes 主要用于容器的调度与管理,但虚拟机在某些场景中仍有不可替代的价值,尤其是对于需要更高隔离性、兼容性或特定操作系统的工作负载。而一些企业的需求更加复杂,既要使用容器,又要在同一环境中运行虚拟机。为此,KubeVirt 应运而生——它是 Kubernetes 的一个扩展,允许在 Kubernetes 集群中运行虚拟机,从而在同一平台上统一管理容器和虚拟机,满足不同应用的需求。
KubeVirt是一个基于Kubernetes的开源项目,它扩展了Kubernetes平台,使其能够运行和管理虚拟机(VM)。KubeVirt允许用户在Kubernetes集群中以类似于Pod的方式创建和管理虚拟机实例。KubeVirt通过引入自定义的CRD(Custom Resource Definition,自定义资源定义)来描述虚拟机资源,包括虚拟机定义、磁盘、网络和调度策略等。它提供了一套API和控制器,负责将虚拟机的配置和管理操作与底层的虚拟化技术(如KVM)集成起来。Kubevirt能将Kubernetes结合来管理虚拟机,在一个平台上将现有的虚拟化与容器化打通并管理,能够支持虚拟机应用与容器化应用内部交互访问。
KubeVirt架构图
KubeVirt通过将虚拟化功能集成到Kubernetes生态系统中,能够实现容器与虚拟机的统一调度与管理。这为混合工作负载提供了极大的灵活性,尤其是在企业云端和HPC环境中,用户可以根据需求同时使用容器和虚拟机来运行不同类型的任务。
这种灵活性使得企业能够更好地利用现有资源,优化工作流。例如,计算密集型的任务可以在虚拟机中运行,以获得更强的隔离性和稳定性,而容器则适合于微服务架构和快速部署的应用。用户可以在同一个Kubernetes集群中高效地管理这两种工作负载,从而简化运维流程、降低管理复杂性,并提升整体资源利用率。此外,KubeVirt的设计也让企业能够平滑地过渡到云原生架构,充分利用现代技术带来的优势。
二、SR-IOV
在虚拟化环境中,对网卡进行虚拟化是一种常见的做法。虚拟化技术可以将物理的IB网卡资源分割为多个虚拟网络设备,使多个虚拟机能够共享和使用这些虚拟化的IB网卡。在虚拟化环境中使用IB高速网卡的方式包括SR-IOV、虚拟交换机和虚拟机迁移等技术。SR-IOV技术是比较主流的技术,它是一种硬件虚拟化技术,用于将网卡划分为多个虚拟功能VF。通过SR-IOV,可以将物理InfiniBand网卡配置为支持虚拟功能。具体来说,物理网卡会被划分成多个虚拟功能(通常是16个或更多),每个虚拟功能具有自己的MAC地址和资源。这些虚拟功能可以像独立的物理网卡一样被虚拟机使用。通过这种方式,虚拟机可以直接访问物理网卡的资源,而不需要通过虚拟化管理程序进行数据转发,这显著降低了延迟和提高了带宽。
SR-IOV的关键优势在于它能提供接近裸机的网络性能。与传统的虚拟化方法相比,SR-IOV允许虚拟机直接与物理硬件进行交互,减少了数据传输过程中的开销。这种直接访问的方式可以显著降低网络延迟,提高数据吞吐量,使得虚拟机能够处理高性能计算(HPC)任务时保持出色的网络性能。
在虚拟化环境中,尤其是在对网络性能要求极高的应用(如科学计算、金融分析和机器学习等)中,SR-IOV能够有效解决传统虚拟化带来的性能瓶颈。使用SR-IOV,用户可以在不妥协性能的情况下,充分利用虚拟化的灵活性和资源隔离能力。这使得SR-IOV成为现代数据中心和云环境中虚拟化网络的重要技术选择。
三、KubeVirt架构中的InfiniBand虚拟化
本文介绍了一种将虚拟化IB高速网卡添加到Kubernetes中Kubevirt虚拟机内的方法。这一方法旨在满足虚拟机内部对IB高速网卡的需求,加快了数据交换速率。同时,通过使用Kubevirt虚拟机,使应用程序能够以容器级别、轻量化的方式部署在虚拟机内,提供更加便携和高效的环境,使开发人员能够更快地部署和管理应用程序。该方式允许将虚拟化的IB高速网卡作为VFIO-PCI设备,经由Kubernetes集群Feature Gate添加到Kubernetes集群资源池中,然后分配到Kubevirt虚拟机中。通过SR-IOV技术,物理IB高速网卡可以划分为多个VF,每个VF可以被分配给一个Kubevirt虚拟机。这样,每个虚拟机可以独立地获得高带宽、低延迟和高吞吐量的网络连接。而且虚拟机可以独立地使用自己分配的VF,不受其他虚拟机的影响。
实现过程如下:
1、将物理机IB高速网卡划分为复数以上的VF设备。
2、把VF设备添加进物理机的VFIO设备当中。
3、配置K8s中的功能门,使集群能够识别到VF设备并且添加进集群资源池中。
4、配置虚拟机yaml文件,从资源池中取出VF设备然后添加进Kubevirt虚拟机内进行使用。
5、虚拟机系统内配置使用IB高速网卡。
KubeVirt虚拟机中添加IB高速网卡
过程中需要对VF相关的port、policy等信息进行定义,定义完后进行添加,可以正常使用。接下来需要把划分好的VF设备给添加进到宿主机的VFIO设备当中进行使用。功能门中需要配置划分好的VF的信息,例如厂商、型号等信息,使K8s集群能够识别到这些VF并且可以添加到K8s的资源池中进行使用。在虚拟机yaml文件中配置VFIO设备的相关信息,使要部署的虚拟机能够从资源池中取出虚拟化IB网卡资源并进行添加使用。
这样,就将虚拟化IB高速网卡集成到了KubeVirt虚拟机中。这种方法使虚拟机能够利用高速网络,特别适合需要进行大规模计算和数据交换的场景,如科学研究、机器学习和金融分析等。在这些领域,数据处理的效率直接影响到研究结果和业务决策,因此高带宽和低延迟的网络连接至关重要。
而且,与传统的虚拟化网络技术相比,使用InfiniBand网卡能显著提升虚拟机之间的通信速度。传统虚拟化技术通常会在虚拟机与物理硬件之间增加额外的开销,导致网络延迟增加和数据传输效率降低。而通过SR-IOV技术,IB网卡则可以提供直接的硬件访问,使虚拟机能够以更接近裸机的方式进行通信,从而实现更高的数据传输速率和更低的延迟。这种性能提升对需要快速数据交换的应用尤为重要,使得用户能够充分发挥高性能计算环境的优势。
通过这种技术,企业和研究机构可以在虚拟化环境中享受到优质的网络性能,满足现代高性能计算应用的需求。
四、总结
在本文中,我们探讨了在KubeVirt中应用InfiniBand高速网卡的方法,介绍了SR-IOV技术如何提升虚拟机的网络性能。通过将物理IB网卡划分为多个虚拟功能,虚拟机能够实现高带宽、低延迟的网络连接,这对于需要大规模计算和快速数据交换的应用场景尤为重要,例如科学研究、机器学习和金融分析。
借助KubeVirt,企业可以在同一Kubernetes集群中灵活管理虚拟机与容器,为不同工作负载提供支持。这种技术的结合不仅优化了资源利用率,还简化了运维流程,使得开发和部署变得更加高效。
展望未来,随着虚拟化技术的不断进步,类似SR-IOV和InfiniBand的解决方案将在更多行业中得到应用。我们相信,虚拟机与容器化技术的深度融合将进一步推动高性能计算的发展,为各类应用带来新的机遇与挑战。