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Virtual Open Systems - Publications scientifiques

SVFF: Une Solution Automatisée pour la gestion des fonctions virtuelles SR-IOV dans les environnements virtualisés accélérés par FPGA

SVFF - Framework pour manager des SR-IOV fonctions virtuelles (VF) - conference CITS2023

Évènement

The 2023 International Conference on Computer, Information and Telecommunication Systems (CITS2023).

Mots-clés

Virtualisation d'accélérateurs, FPGA, SR-IOV, reconfiguration partielle, VFIO, QEMU.

Auteurs

Stefano Cirici, Michele Paolino, Daniel Raho (Virtual Open Systems SAS)

Résumé

Les accélérateurs FPGA se sont imposés pour la mise en œuvre de solutions performantes et évolutives dans un large éventail de domaines, en tirant parti de leurs capacités de reconfiguration et de virtualisation. La virtualisation, en particulier, offre plusieurs avantages, notamment une sécurité accrue grâce à l'isolation et au partage des ressources, et SR-IOV est la principale solution pour l'activer sur des FPGAs. Cet article présente le SR-IOV Virtual Function Framework (SVFF), une solution qui vise à simplifier et à améliorer la gestion des fonctions virtuelles (VF) sur les dispositifs FPGA connectés au PCI dans les environnements Linux et QEMU/KVM, tout en résolvant le manque de prise en charge de la reconfiguration SR-IOV sur les invités. La solution se base sur la prise en charge SR-IOV dans l'accès direct à la mémoire basé sur la queue (QDMA) de Xilinx pour automatiser la création, l'attachement, le détachement et la reconfiguration des fonctions virtuelles à différentes machines virtuelles (VM). Une nouvelle fonctionnalité de pause pour le périphérique VFIO a été mise en œuvre dans QEMU pour permettre le détachement des VFs de l'hôte sans les détacher de l'invité, ce qui rend la reconfiguration des VFs transparente pour les invités qui ont déjà un VF attaché à eux **sans aucune perte de performance. La solution proposée permet d'attribuer automatiquement et de manière transparente un ensemble de VFs à différentes machines virtuelles et d'ajuster la configuration à la volée. Grâce à la fonctionnalité de pause, elle permet également d'attacher des VFs supplémentaires à des nouvelles VMs sans affecter les dispositifs déjà attachés à d'autres VMs.

Introduction

Ces dernières années, l'adoption généralisée des technologies de virtualisation a entraîné une demande croissante de gestion efficace et efficiente des ressources matérielles dans les centres de données, l'informatique en nuage (le cloud) et les environnements de calcul à haute performance. La gestion des dispositifs dans ces environnements peut s'avérer difficile, en particulier lorsqu'il s'agit de gérer plusieurs machines virtuelles et de procéder à des reconfigurations fréquentes. Pour accélérer les charges de travail complexes, les Field Programmable Gate Arrays (FPGA) sont de plus en plus utilisés pour fournir une solution de déploiement et de prototypage rapide à des problèmes personnalisés, avec un intérêt croissant pour les domaines de l'intelligence artificielle (AI) et de l'apprentissage automatique (ML). La virtualisation des ressources FPGA permet également des scénarios dans lesquels un seul FPGA peut fournir plusieurs dispositifs à différentes machines virtuelles, afin d'améliorer la charge de travail et la sécurité.

Il est déjà possible d'accélérer certaines VMs en utilisant la technologie SR-IOV (Single Root I/O Virtualization) pour permettre à plusieurs VMs de partager le même périphérique physique et d'accéder directement au matériel avec une surcharge minime, voire inexistante. Cependant, l'utilisation de la technologie SR-IOV n'est pas toujours simple et peut conduire à des scénarios complexes, en particulier lorsqu'il est nécessaire de modifier la configuration du VF à la volée, ce qui nécessite la suppression de chaque VF de chaque VM. Ce n'est pas un problème dans les applications avec des charges de travail fixes et prévisibles ou avec des ressources dédiées aux machines virtuelles, mais dans des environnements tels que l'informatique en nuage, le logiciel en tant que service, l'informatique à haute performance et l'informatique de pointe, où les charges de travail peuvent varier rapidement, où les ressources doivent être partagées entre différentes machines virtuelles et où les dispositifs doivent être reconfigurés et réaffectés, les limites du SR-IOV deviennent plus évidentes. Dans ces cas, une solution qui permet l'affectation et la reconfiguration automatiques des fonctions virtuelles peut simplifier considérablement la gestion des dispositifs et améliorer l'efficacité du système.

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