服务器虚拟化对网络I/O的影响与其对IT架构其它方面的影响是同样的，那就是使它们的缺点更加暴露无遗。在本文中，我们将看看虚拟化技术是如何显现这些缺点的，带宽管理的不足如何制约着服务器虚拟化的发展。此外，我们还将进一步探讨I/O问题的解决者——10Gb以太网（10GbE）网卡。

网络I/O资源并不如CPU或内存资源那么丰富。如果按照大多数服务器虚拟化厂商的最佳做法——每个虚拟机安装一个1GbE网卡，很快你就会发现虚拟化主机根本支持不了多少虚拟机。毕竟，网卡插槽只有那么多。

对于网络I/O的这些缺点，业界主要有如下几种应对方法。首先，几乎每个数据中心都是每增加一个虚拟机，就迅速分裂一次网卡。但是如果用这种方法，那么只有网络I/O需求较低的服务器是虚拟的。这样做有个明显的缺点，就是没有对整个环境进行虚拟化，会减低服务器虚拟化技术的优越性。第二种方法是常见做法，也是本文的重点——安装10GbE以太网卡。毫无疑问，10GbE可以大大地提高带宽。物理架构的解决方案的确是很容易，但如果是虚拟服务器环境又该如何处理呢？

在虚拟环境下，多个虚拟服务器通过hypervisor层竞争同一网络I/O资源。Hypervisor相当于一个“交警”，位于物理机和主机服务器的物理硬件之间。工作负载的处理遵循“先到先服务”的原则。随着每个物理硬件平台上的虚拟服务器数量的增加，hypervisor被中断而来处理网络I/O需求的时间也会增多。这种情况下，如果多个虚拟服务器的网络I/O负载过大，就会出现问题，因为它们会给hypervisor带来过大的压力。

为了解决这个问题，可以为每个虚拟机分配一个NIC。这个方法将原来共用的I/O队列分为了多个I/O队列，每个物理适配器处理一个队列。这样做的好处是减少了hypervisor的中断时间，有利于更好地管理hypervisor的中断。然而，这种让每个虚拟机（或多个虚拟机）使用一个NIC的方法不仅会导致网卡插槽不够用，还会带来一些其它的问题。

多NIC显然是布线管理的一个噩梦，而且还会增加耗电量。例如，一个1GbE卡的功率通常约为8瓦，安装10这样的卡等同于一个10GbE卡的性能，所以总功率应该是80瓦，而且还会影响服务器自身的空气流通。空气流通的降低进而会增加冷却需求，风扇需要转得更快，从而增加了服务器的电能消耗。相比之下，一个10GbE卡大约只有15瓦，而且对空气流通几乎没有任何影响。

由于这些原因，尽管10GbE卡存在上述所说的共用队列问题，它仍然是一个明智的选择，是未来发展的绝佳途径。10GbE NIC的问题在于它利用了10倍的带宽，这种情况在虚拟服务器环境下变得更加恶劣。在非虚拟环境下，一台带10GbE卡的高性能服务器可以获得9.9Gbps的带宽。而在虚拟环境下，同样的服务器却只能达到4.0Gbps。这是因为，在虚拟环境下所有I/O操作都要通过hypervisor中的同一队列完成，而且适配器中只有唯一的一个I/O通道。随着虚拟机数量和网络I/O负载的增加，虚拟机和虚拟机中的应用的性能将无法得到保持，因为它们都要在同一队列竞争I/O资源。

对于虚拟环境的网络I/O问题，有两种可能的解决方案。第一种，行业内的hypervisor厂商应该开发一个高级的I/O队列系统，允许分割10GbE卡的带宽。这种方案还需要有一个能充分利用队列系统的更加智能的10GbE卡。还有一种方案是，网卡厂商提高服务质量能力（QoS capability），允许对网卡进行硬件级别的分割，从而保证I/O通道的性能。

第一个具有QoS能力的hypervisor是VMware公司出的，不过其它供应商也将会跟着推出各自的产品。VMware把它称作NetQueue，它可以显著提高10GbE环境的性能。不过，它还需要得到NIC供应商的支持，目前的英特尔和Neterion网卡都支持NetQueue。NetQueue不用处理包路由工作，因此解放了CPU资源，缩减了延迟等待时间。

NetQueue使广泛的服务器整合成为可能，它使用了优化的10GbE适配器，让10GbE适配器的带宽最大限度地接近其额定值。这样，要获得9.8Gbps的带宽就不是什么难事了。但是，有些关键任务需要保证一定的带宽，而NetQueue没有为这样的特殊虚拟机提供真正的QoS。在交换机领域，QoS早就成为了现实，而在NIC方面，QoS能力还有待提高。

在“一个服务器一个应用”的日子里，的确没有太多的NIC QoS需求。服务器与交换机不同，交换机要处理多个数据源的通信，而服务器只有一个目的：为它的应用提供计算和处理能力。如今，由于虚拟化技术的出现，我们需要让某些虚拟服务器优先享有网络I/O资源，为它们保证一定的带宽。“先到先服务”的机制已经不再适合这种新形势了。一些供应商正在协力完成解决方案，进一步拓宽虚拟化。如，Neterion开发了IOQos。

作为802.11标准的一部分，IOQos是从零开始设计的，用于多应用环境——多个应用竞争I/O资源的环境。基于硬件的信道隔离有利于管理，管理员可以对不同虚拟机数据通道进行绝对的I/O隔离。完全隔离的优点体现在安全性方面，避免了共用资源间的干扰，如内存和CPU资源。如今，大多数软件应用假定自己对系统资源和网卡有绝对的使用权。而在虚拟环境下的网卡是为多个应用共用的，软件开发者们并没有意识到这一点。如果网卡资源的供应可以让软件自身觉得情况与它预期的一样，那将会大大地提高软件的兼容性。

最后，在将多个软件应用整合到物理主机中的虚拟机时，还需要有带宽作保障。从I/O的角度来看，可以让网卡把这个应用看作一个物理网卡，该应用可以获得有保证的带宽。在过去，系统管理员不得不为某些应用保证带宽，以保持服务器处于非虚拟化状态，或在虚拟服务器中为这些应用分配专用的NIC。这两种做法都不利于节省成本，虚拟化策略有可能帮助获得数据中心的成功。

如果10GbE结合虚拟厂商的智能队列系统、NIC厂商对队列系统的支持和IOQos的应用，我们将可以实现更广泛、更密集的服务器虚拟化部署。此外，还可以优化基础设施投资，获得更高的投资回报率。