CN103200085B - 一种实现vxlan报文线速收发的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于网络数据处理领域，提供了一种实现VXLAN报文线速收发的方法及系统，所述方法包括：虚拟机应用程序调用VXLAN接口库打开网卡设备端口；VXLAN接口库在用户空间分配DMA缓冲区队列，并向网卡驱动传递缓冲区地址；网卡扩展驱动程序将收到的VXLAN报文写入DMA缓冲区，接口库函数将收到的报文进行VXLAN协议解封装后提交给虚拟机应用程序；虚拟机应用程序调用接口库函数发送报文，接口库函数将报文进行VXLAN封装后写入DMA缓冲区，网卡扩展驱动程序根据目的地址转发。本发明在不更换硬件设备的情况下，在云计算环境中实现对VXLAN报文的实时处理，有效降低了VXLAN报文处理的成本。

Description

一种实现VXLAN报文线速收发的方法及系统

技术领域

本发明属于网络数据处理领域，尤其涉及一种实现VXLAN报文线速收发的方法及系统。

背景技术

VLAN技术受到12位标签的限制，最多只能在一个网络中提供4096个虚拟子网。在多租户的云计算网络中，对虚拟网络的需求数量远远超过VLAN的能力，因此以VMWARE、CISCO为代表的厂家提出了VXLAN的实现架构，可以最多提供1600万个虚拟网络，从而彻底解决了这个问题。

现有技术中，实现VXLAN架构，一般需要服务器升级并安装相关厂家的软硬件套件，且网络性能受到软硬件性能的限制，既增加成本，又无法保证QoS。

发明内容

本发明实施例提供一种实现VXLAN报文线速收发的方法，旨在解决上述问题。

本发明实施例是这样实现的，一种实现VXLAN报文线速收发的方法，所述方法包括下述步骤：

虚拟机应用程序调用虚拟可扩展局域网VXLAN接口库打开网卡设备端口；

VXLAN接口库在用户空间分配直接内存存取DMA缓冲区队列，并向网卡扩展驱动程序传递缓冲区地址；

在接收VXLAN报文时，网卡扩展驱动程序将收到的VXLAN报文写入DMA缓冲区，供VXLAN接口库直接读取，VXLAN接口库函数将收到的报文进行VXLAN协议解封装后提交给虚拟机应用程序；

在发送VXLAN报文时，虚拟机应用程序调用VXLAN接口库函数发送报文，VXLAN接口库函数将报文进行VXLAN封装后写入DMA缓冲区，网卡扩展驱动程序根据目的地址转发，

其中，所述接口库方式为虚拟机应用程序提供VXLAN报文收发支持，实现云计算环境对1600万个虚拟局域网VLAN的支持，同时对虚拟机应用程序是透明的，通过DMA缓冲区队列方式处理VXLAN报文。

本发明实施例还提供一种实现VXLAN报文线速收发的系统，所述系统包括：

虚拟可扩展局域网VXLAN接口库，用于分配直接内存存取DMA缓冲区队列；读取DMA缓冲区数据，并进行VXLAN解封装，解析出VXLAN标识VNI号，转发给目的虚拟机VM，调用操作系统通用库函数发送带VXLAN封装的地址解析协议ARP报文检查目的地址；对报文进行VXLAN封装，并写入DMA缓冲区，调用网卡扩展驱动程序接口进行发送，其中，所述VXLAN接口库包括：

用户空间缓冲区分配和管理模块，用于初始化时，在用户空间建立多个所述DMA缓冲区，并向网卡扩展驱动程序提供缓冲区控制地址；

应用程序调用接口模块，用于为虚拟机应用程序提供调用接口函数，当虚拟机应用程序收发VXLAN报文时，只需调用对应的接口函数；

VXLAN协议处理模块，用于VXLAN报文的封装、解封装、读写缓冲区、L2范数学习；

网卡扩展驱动程序，用于读取DMA缓冲区数据，并输出至网卡的物理端口；接收以本机硬件地址MAC地址为目的地址的VXLANARP报文，写入DMA缓冲区，

其中，所述接口库方式为虚拟机应用程序提供VXLAN报文收发支持；实现云计算环境对1600万个虚拟局域网VLAN的支持，同时对虚拟机应用程序是透明的，通过DMA缓冲区队列方式处理VXLAN报文。

本发明实施例在不更换硬件设备的情况下，在云计算环境中实现对VXLAN报文的实时处理，有效降低了VXLAN报文处理的成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的实现VXLAN报文线速收发的方法流程图；

图2是本发明实施例提供的实现VXLAN报文线速收发的系统结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例使用DMA缓冲区队列处理VXLAN报文，解决了报文收发效率问题，不需要使用专用VXLAN协议处理芯片，实现了在通用设备上调用VXLAN功能，并且不新增网卡设备，即可实现对VXLAN报文和普通报文的兼容处理，极大降低了成本。

图1为本发明实施例提供的VXLAN报文线速收发的方法流程图，详述如下：

在步骤S101中，虚拟机应用程序调用VXLAN接口库打开网卡设备端口；

在步骤S102中，VXLAN接口库在用户空间分配DMA缓冲区队列，并向网卡扩展驱动程序传递缓冲区地址；

在步骤S103中，在接收VXLAN报文时，网卡扩展驱动程序将收到的VXLAN报文写入DMA缓冲区，供接口库直接读取，接口库函数将收到的报文进行VXLAN协议解封装后提交给虚拟机应用程序；

在步骤S104中，在发送VXLAN报文时，虚拟机应用程序调用接口库函数发送报文，接口库函数将报文进行VXLAN封装后写入DMA缓冲区，网卡扩展驱动程序根据目的地址转发。

在本发明实施例中，在非虚拟机应用程序收发报文时，仍调用系统默认的库函数，网卡扩展驱动程序不对其进行VXLAN的封装和解封装处理。网卡扩展驱动程序同时支持对VXLAN报文和普通报文的收发。

在本发明实施例中，通过接口库方式为虚拟机应用程序提供VXLAN报文收发支持；实现云计算环境对1600万个VLAN的支持，同时对虚拟机应用程序基本上是透明的。

本发明实施例中，虚拟机应用程序发送VXLAN报文的实现方法，详述如下：

1.虚拟机应用程序调用VXLAN接口库发送报文；

2.VXLAN接口库分配DMA缓冲区队列；

3.VXLAN接口库调用intel网卡扩展驱动接口，将分配好的DMA缓冲区地址传递给intel网卡扩展驱动；

4.VXLAN接口库调用操作系统通用库函数发送带VXLAN封装的ARP报文检查目的地址，如果是IP多播，那么应该发送到VXLAN组播地址，否则，如果MAC地址是已知的，直接单播到对应的IP；如果未知，则广播到VXLAN网关地址；

5.intel网卡扩展驱动读取DMA缓冲区数据，并输出到网卡的物理端口；

6.接收方主机收到组播报文后，发现该报文的目的MAC地址是自己，即开始VXLAN报文解析并找到目的VNI号，确定目的虚拟机VM，转发给目的VM。目的VM使用自己的MAC地址响应发送方，接收方主机使用VXLAN协议封装这个响应，并使用IP路由返回发送方；

7.VXLAN接口库保存VNI与IP地址对照表；

8.VXLAN接口库使用单播方式对报文进行VXLAN封装，将VXLAN报文写入缓冲区，调用intel网卡扩展驱动接口进行发送；

9.intel网卡扩展驱动读取DMA缓冲区数据，并输出到网卡的物理端口；

10.接收方收到报文后，解析VXLAN报文解析并找到目的VNI号，确定目的虚拟机VM，转发给目的VM。

在本发明实施例中，虚拟机应用程序接收VXLAN报文的实现方法，详述如下：

1.虚拟机应用程序调用VXLAN接口库监听指定的UDP端口，同时注册本虚拟机的VNI；

2.VXLAN接口库分配DMA缓冲区队列；

3.VXLAN接口库调用intel网卡扩展驱动接口，将分配好的DMA缓冲区地址传递给intel网卡扩展驱动；

4.intel网卡扩展驱动收到以本机MAC为目的地址的VXLANARP报文，写入DMA缓冲区；

5.VXLAN接口库读取DMA缓冲区数据，并进行VXLAN解封装，解析出VNI号，转发给目的虚拟机VM；

6.目的虚拟机VM回复响应报文，VXLAN接口库对响应报文进行VXLAN封装，并写入DMA缓冲区，调用intel网卡扩展驱动接口进行发送；

7.intel网卡扩展驱动读取DMA缓冲区数据，并输出到网卡的物理端口。

图2为本发明实施例提供的实现VXLAN报文线速收发的系统结构图，详述如下：

VXLAN接口库21分配DMA缓冲区队列；读取DMA缓冲区数据，并进行VXLAN解封装，解析出VNI号，转发给目的虚拟机VM，调用操作系统通用库函数发送带VXLAN封装的ARP报文检查目的地址；对报文进行VXLAN封装，并写入缓冲区，调用intel网卡扩展驱动接口进行发送。

网卡扩展驱动程序22读取DMA缓冲区数据，并输出至网卡的物理端口；接收以本机MAC为目的地址的VXLANARP报文，写入DMA缓冲区。

在本发明实施例中，VXLAN接口库21包括用户空间缓冲区分配和管理模块211、应用程序调用接口模块212，以及VXLAN协议处理模块213。其中：

用户空间缓冲区分配和管理模块211在用户应用调用接口库初始化时，在用户空间建立多个DMA缓冲区，并向intel网卡扩展驱动提供缓冲区控制地址，由于intel网卡支持多缓冲区队列技术，可以将报文均匀分配到各缓冲区，从而实现接口库的多线程负载均衡。

应用程序调用接口模块212为虚拟机应用程序提供调用接口函数，当虚拟机应用程序收发VXLAN报文时，只需调用对应的接口函数。接口通过虚拟机管理控制程序与应用程序所在的VM绑定，并分配给每个VM虚拟机一个VNI(VXLAN标识)。

VXLAN协议处理模块213负责VXLAN报文的封装、解封装、读写缓冲区、L2学习。当接收到虚拟机应用程序的VXLAN报文时，首先发送ARP报文检查目的地址，如果是IP多播，那么应该发送到VXLAN组播地址，否则，如果MAC地址是已知的，直接单播到对应的IP；如果未知，则广播到VXLAN网关地址。VXLAN封装操作为顺序添加VXLAN包头、UDP包头、IP包头。VXLAN解封装操作为对收到的UDP报文去除IP包头、UDP包头、VXLAN包头，返回给VM应用程序。当收到VXLAN广播包时，记录VXLAN报文携带的VNI和IP地址对照表。

在本发明实施例中，Intel网卡扩展驱动程序22是在原有驱动的基础上进行了功能扩展，使其支持DMA缓冲区零拷贝模式和普通网卡模式的混合使用。Intel网卡扩展驱动程序22包括DMA缓冲区控制模块221、混合报文收发模块222。其中：

DMA缓冲区控制模块221负责从VXLAN接口库接收DMA缓冲区队列的控制地址；根据获取的DMA缓冲区数分配线程，确保每个缓冲区写入的数据同源同宿。

混合报文收发模块222根据调用接口的区别，采用DMA缓冲区零拷贝模式和普通网卡模式两种方式处理报文，对于前者，从DMA缓冲区读写报文，对于后者，从内核空间读写报文；这种方式保证网卡可以同时支持普通应用和VXLAN应用。

本发明实施例使用DMA缓冲区零拷贝模式收发VXLAN报文的目的是解决由于虚拟机应用调用VXLAN接口库新增的传输时延，保证VXLAN业务的QoS。

本发明实施例使用DMA缓冲区队列处理VXLAN报文，解决了报文收发效率问题，不需要使用专用VXLAN协议处理芯片，实现了在通用设备上调用VXLAN功能，并且不新增网卡设备，即可实现对VXLAN报文和普通报文的兼容处理，极大降低了成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种实现VXLAN报文线速收发的系统，其特征在于，所述系统包括：

虚拟可扩展局域网VXLAN接口库，用于分配直接内存存取DMA缓冲区队列；读取DMA缓冲区数据，并进行VXLAN解封装，解析出VXLAN标识VNI号，转发给目的虚拟机VM，调用操作系统通用库函数发送带VXLAN封装的地址解析协议ARP报文检查目的地址；对报文进行VXLAN封装，并写入DMA缓冲区，调用网卡扩展驱动程序接口进行发送，其中，所述VXLAN接口库包括：

用户空间缓冲区分配和管理模块，用于初始化时，在用户空间建立多个所述DMA缓冲区，并向网卡扩展驱动程序提供缓冲区控制地址；

应用程序调用接口模块，用于为虚拟机应用程序提供调用接口函数，当虚拟机应用程序收发VXLAN报文时，只需调用对应的接口函数；

VXLAN协议处理模块，用于VXLAN报文的封装、解封装、读写缓冲区、L2范数学习；

网卡扩展驱动程序，用于读取DMA缓冲区数据，并输出至网卡的物理端口；接收以本机硬件地址MAC地址为目的地址的VXLANARP报文，写入DMA缓冲区，

其中，所述接口库方式为虚拟机应用程序提供VXLAN报文收发支持；实现云计算环境对1600万个虚拟局域网VLAN的支持，同时对虚拟机应用程序是透明的，通过DMA缓冲区队列方式处理VXLAN报文。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述网卡扩展驱动程序包括：

DMA缓冲区控制模块，用于从所述VXLAN接口库接收DMA缓冲区队列的控制地址；根据获取的DMA缓冲区数分配线程，确保每个缓冲区写入的数据同源同宿；

混合报文收发模块，用于根据调用接口的区别，采用DMA缓冲区零拷贝模式和普通网卡模式两种方式处理报文。

3.一种实现VXLAN报文线速收发的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

虚拟机应用程序调用虚拟可扩展局域网VXLAN接口库打开网卡设备端口；

VXLAN接口库在用户空间分配直接内存存取DMA缓冲区队列，并向网卡扩展驱动程序传递缓冲区地址；

在接收VXLAN报文时，网卡扩展驱动程序将收到的VXLAN报文写入DMA缓冲区，供VXLAN接口库直接读取，VXLAN接口库函数将收到的报文进行VXLAN协议解封装后提交给虚拟机应用程序；

在发送VXLAN报文时，虚拟机应用程序调用VXLAN接口库函数发送报文，VXLAN接口库函数将报文进行VXLAN封装后写入DMA缓冲区，网卡扩展驱动程序根据目的地址转发，

其中，所述接口库方式为虚拟机应用程序提供VXLAN报文收发支持，实现云计算环境对1600万个虚拟局域网VLAN的支持，同时对虚拟机应用程序是透明的，通过DMA缓冲区队列方式处理VXLAN报文。