进入新世纪以来，全球数据量的爆炸式增长，人们进入了一个信息爆炸的时代。每秒数以亿万计的数据在互联网上不断产生，如何获取、存储、管理、处理如此庞大的数据量成为了如今急需解决的问题[1-2]。为了解决这一问题，云计算被提出并寄予厚望。OpenStack作为当前解决云计算方案中最佳的开源项目，是全球各大公有云、私有云以及混合云提供商的首选云平台[3]。但是由于x86服务器架构是一种通用服务器平台，并非是专门针对OpenStack网络服务，x86服务器提供的数据平面性能在面临大量并发业务时捉襟见肘。同时现阶段所使用的技术限制了OpenStack的网络稳定性、灵活性和虚拟网络的吞吐量，制约了OpenStack云环境数据平面的传输能力，从而影响了OpenStack的进一步发展。因此需要引入更加先进和灵活的方法来解决上面提到的这些问题。

1 OpenStack及网络组件Neutron简介

OpenStack是由美国国家航空航天局（NASA）发起的开源软件项目，它是以Apache授权的自由软件和开源代码的软件开发项目[4]。OpenStack的社区现已发展成为由1 000多家公司和数以万计的开发者协作提供代码开发，版本升级的平台。作为公有云和私有云的开源云计算平台，OpenStack的主要任务是简化云计算平台的搭建过程和改善云数据中心的管理方式。

典型的OpenStack平台组网图如图1所示。将OpenStack的组件——包含了计算服务Nova、网络服务Neutron、镜像服务Glance、身份认证服务Keystone、对象存储服务Swift、用户Web页面服务Horizon等等组件分别部署在对应的节点上就组成一个简单的云平台。

图1 典型的OpenStack平台组网图

Neutron作为OpenStack中的核心组件之一，是OpenStack社区的核心项目之一，提供云计算环境下的虚拟网络功能[4-5]。在OpenStack云环境中的虚拟网络也如同物理网络一样，将网络、子网、端口、路由器等概念引入，组建一个虚拟网络就是将这几个基本概念有机的结合到一起。

图2所示为在OpenStack云环境内部组成虚拟网络的虚拟网络设备的组网结构。从图中可以看到虚拟网络设备分为以下几种：

首先，针对Openvswitch的数据包转发性能问题，根据上一节中对Openvswitch的数据包转发流程的分析，跟数据包转发性能相关的主要有两个组件：ovs-vswitch（用户态慢速通道）和openvswitch.ko（内核态快速通道）。为了减少网卡在接收和发送数据包过程中的CPU的中断次数，文中在云环境中使用高性能的向量化PMD（Poll-mode driver）代替异步中断模式[13]。这样在有大量的数据包需要发送或者接收的时候，会触发一个收包或者发包中断，唤醒应用程序的收发包进程，应用程序进行轮询收发包，这样CPU在有大量数据包需要处理的时候不会收到中断信号，同时也不会让轮询收发包进程一直占用CPU。为了减少Openvswitch转发过程中内核态和用户态之间切换，如图3所示文中给出了一种数据包不经过内核态openvswitch.ko处理直接到达用户态的方式。通过向量指令将使得vSwitch netdev可以在用户态访问数据包所存储的内存地址，同时通过dpif和dpif-netdev实现用户态的快速数据通路。

2）Openvswitch虚拟交换机：由Openvswitch软件创建的虚拟交换机，其中虚拟交换机br-int用于实现租户内的虚拟网络，而网络节点的br-ex用于实现外部网络，br-eth用于实现租户访问外网和租户之间相互访问的数据通道，同时也是节点出口。

2）数据包从虚拟交换机到虚拟机。从性能和安全两方面综合考虑，虚拟机的I/O一般使用半虚拟化方案——virtio/virtio-net[10]。当虚拟机发送报文时，它会利用消息通知机制通知KVM（Kernel-based Virtual Machine），并退出到用户空间Qemu进程，然后由Qemu开始对Tap设备进行读写。这个过程中，在数据通道从Tap设备到Qemu的报文拷贝和Qemu到虚拟机的报文拷贝，两次报文拷贝导致报文发送上的性能瓶颈；在消息通知路径上，当报文到达Tap设备时内核发送到Qemu通知消息，然后Qemu利用ioctl向KVM请求中断，KVM发送中断到虚拟机，这样也会带来不必要的性能开销[11]。

针对虚拟机访问不同的访问对象，可以把虚拟机的数据包流向分为以下几种：

（1）成立稻作安定经营基金。该基金主要用于弥补米价下跌所引起的农户收益降低问题，由政府和农户共同出资建立。具体补贴的方法主要根据前三年市场米价的平均值来算出米价基准值，然后由基准值减去当年的市场米价，以其差值的8%作为补贴的数额。

图2 OpenStack云平台虚拟网络设备结构图

4）Linux bridge：这是一种功能相对简单的虚拟网桥设备，通过访问内核协议栈实现数据交换[9]。如图2所示，qbr设备就是Linux bridge设备。

1）虚拟机访问同一计算节点同一租户的虚拟机。虚拟机VM1发出的数据包是通过vnet1接口到qbrXXX这个linux bridge上的，而qbrXXX与br-int之间用qvbqvo这种veth pair来连接。在同一租户中的数据包在br-int上会打上同一的vlan tag，而不同的租户的数据包打上不同的vlan tag，这样就实现了不同租户的隔离。

（1）物流园区信息基础设施规划。物流园区信息基础设施规划主要包括通信基础设施和公共数据资源两大部分。一是完善园区通信基础设施建设，为企业提供高速、安全、便捷的通信网络接入服务；二是通过建设物流园区数据中心和大数据平台，为园区管理者、企业提供安全集约的数据存储、计算、共享等服务，汇聚区域物流信息资源，为开展物流大数据的分析、挖掘和运营提供支撑。

采用分布式电源接入这种模式，能够在一定程度上弱化电网对大型发电厂等的实际依赖性，从而减少电网施工的支出，正因如此，该种模式成了电网改造中的一大热点。与此同时，如何保证电源结构的科学性，如何做好一系列分布式电源的综合利用，成了亟待解决的现实问题[3]。

可以发现无论是访问同一节点的还是不同节点的虚拟机，都需要虚拟机发出的数据包都需要经过依次经过Linux Bridge、Openvswitch、物理网卡等设备，提升这些设备的性能成为了优化OpenStack网络的关键。

2 OpenStack网络性能瓶颈

砂石桩法通过震动的方式在软土路基成孔，将砂石挤入孔中。形成良好的砂石桩体。从而保证砂石结构牢固。此方法通过排水减压及砂石的紧密实现固结。必要时需加入一定的水泥形成混凝土，从而保证软土路基结构稳固。此施工方法简单，加固效果良好，可有效缩短工期。保证软土路基的抗剪切力。在施工中要注意外边线满足设计布桩要求，施工前应检查震动振冲器的性能，根据实际情况定位轴线，震冲施工采用双水高压新型震冲工艺，用震动压路机对表面进行压实处理。

从数据包在云平台中的传输过程来看，云平台的网络性能由以下两方面影响：一是数据包有从物理交换机到达物理网卡的过程；二是从物理网卡到虚拟机的过程。交换机到网卡的部分已经由物理网络硬件解决，在此本文讨论数据包从网卡到虚拟机的过程。一个数据包从网卡到达虚拟机的过程可以分为两部分。第一，从网卡到虚拟交换机；第二，从虚拟交换机到虚拟机。

从云平台的整体来看，通过分析OpenStack云环境的网络组成，可以将其分为两个部分，一是由物理网络设备组成的网络，另一种是由软件模拟的网络设备组成的虚拟网络。物理网络的性能由物理设备——交换机、路由器等网络设备的性能决定，是虚拟网络的承载。物理网络的性能可以通过选用更好性能的物理网络设备，增加物理网络设备的数量来提高。而OpenStack云平台中网络性能主要受制于虚拟网络的性能瓶颈[10]。虚拟网络设备的性能由虚拟软件的性能和x86平台的性能决定。OpenStack虚拟网络主要由Openvswitch和Linux Bridge这两个软件生成的虚拟网络设备组成。由Linux Bridge生成的网络设备是用于安全组功能的qbr设备，每一个qbr设备连接一台虚拟机，通过测试原生的Linux Bridge设备性能满足一台虚拟机的性能要求。而由Openvswitch生成的设备有用于实现租户网络的brint，有节点出口br-eth，还有外网出口br-ex。但是经过测试发现原生Openvswtich的包转发率仅有0.75Mbps，由于在云平台中有众多虚拟机通过Openvswitch相连，Openvswitch的数据包转发性能会直接影响整个云环境的网络性能[11]。

1）数据包从网卡到虚拟交换机。其实可以认为是从网卡到一个应用程序的过程。数据包到达网卡，网卡接收到电信号并将其转化为数字信号存储到网卡寄存器进入网卡收包队列后，网卡会产生硬件中断，发送中断请求给CPU触发CPU的中断，进入中断服务程序。然后需要由Openvswitch的内核态快速通路openvswitch.ko进行内核态的包处理，然后从内核态进入用户态与抽象的网络设备的交互，到达Openvswitch主进程ovs-vswitchd。数据包从网卡到达CPU寄存器是基于异步中断信号模式的收包，是不断的在做中断处理，上下文切换，每次处理这种开销是固定的，累加起来的负荷是非常明显的。数据包从内核态openvswitch.ko到ovs-vswitchd需要从内核态切换到用户态，这种切换伴随这内存拷贝和上下文的切换[10，12]。

3）veth pair：qvbqvo和 int-br-ethphy-br-eth设备对都是连接两个虚拟网桥的veth pair，相当于物理网络中的一根网线[8]。

第一，从重要性和满意度来看。首先，厕所环境、布局、管理、数量和男女厕比例等方面的重要性感知高，突出“干净的”、“好找的”、“不臭的”，旅游厕所的实用性、舒适性和方便性成为游客的主要关注点。满意度上，旅游厕所总体表现一般，游客对标识、管理服务、如厕环境、特殊人群设施四个方面相对比较满意。

当然数据包从虚拟机到达网卡的过程与以上过程是一个相反的类似过程，在此不在赘述。

第二，加强技术创新。主要包括劣质重油高效转化为轻质油品和化工原料技术、炼油化工一体化技术、清洁燃料生产技术、生物炼化技术、新型高效催化剂技术等。要加强技术储备，加快推进原油直接裂解制烯烃、柴油转化工原料（LTAG）、催化裂解多产烯烃及芳烃（DCC、CPP）、重油加工转化工（沸腾床、浆态床）等油转化技术攻关及推广。推动炼油与其他能源技术跨学科、跨领域融合，开展催化材料、生物质能、燃料电池、氢能等方面的技术储备。

3 OpenStack网络优化设计

1）内部端口：这是Linux中提供的虚拟接口设备，其中vnet设备是虚拟机的虚拟网卡设备，tap设备作为连接dhcp和Openvswitch虚拟交换机的接口设备，而qr/qg设备则连接Openvswitch虚拟交换机和qrouter命名空间[6-7]。

按照钻机成孔-钢管放置的施工顺序，在第一次注浆浆液初凝后，终凝之前进行二次注浆，达到设计规定强度以后，进行放坡段的开挖与施工，并进行面层与施工土钉施工。选用孔径为150mm的锚管桩，注浆分2次进行，填料量不能低于计算体积的0.75倍，填料粒径要低于20mm，并要事先清理干净。第一次注浆材料为水泥浆，水灰比为0.55，注浆压力控制为0.2～0.5MPa。二次注浆也使用水泥浆，水灰比0.6，注浆压力1.5～2.0MPa，选用普通硅酸盐水泥。

图3 优化后Openvswitch的数据通道

其次，针对虚拟交换机到虚拟机的两次拷贝和一次用户态和内核态的切换所带来的性能损耗，文中采用vhost-user方式实现优化。vhost的库实现了以下特性：

1）实现了一种用户态中的vhost-backend，使得数据包从虚拟机到后端驱动不需要切换CPU特权等级。

2）在虚机访问不同计算节点同一租户的虚拟机时，虚拟机发出的数据包由于需要访问的虚拟机不在同一个计算节点，数据包需要经过网络节点之后来访问另一个计算节点。因此，数据包从虚拟机发出，经过 br-int打上 vlan tag，在 br-eth上换上mod_vlan_id，然后从计算节点发送到网络节点的breth上，然后从网络节点发送到另外一个计算节点上，最终发到需要访问的虚拟机上。

2）实现了对virtio网络设备的管理，包括virtionet设备的创建和销毁[14]；

3）通过IVSHMEM将宿主机内存和虚拟机共享，将虚拟机的物理地址映射到vhost-user的地址空间，实现了数据包从虚拟机到后端驱动的零内存拷贝[15]；

4）通过eventfd接收来自虚拟机的接收报文消息通知vhost接收来自虚拟机的报文，同时通过eventfd通知虚拟机接收报文；

图4 使用vhost-user后虚拟机到网卡结构图

如图4所示是使用vhost-user后虚拟机到网卡的结构图。图中当虚拟机发送数据包时，数据包经由virtio driver的两个虚拟队列——tx发送。tx将数据包发送给用户态中的vhost，同时virtio driver通过eventfd通知vhost接收数据包。由于虚拟机的物理地址映射到了vhost的地址空间，因此virtio只需要通过eventfd将数据包所在内存地址告诉vhost，这样vhost就可以通过地址偏移计算出数据包所在虚拟机物理地址[13]。当虚拟机从Openvswitch接收数据包时，数据包会被存储到vhost的地址空间，同时vhost通过eventfd发送通知消息给virtio driver让其接收报文，并告知virtio driver数据包所在地址空间。由于虚拟机的地址空间和vhost地址空间是共享的，这样virtio driver只需要找到对应的地址就可以使得虚拟机接收到数据包。

图5 优化后虚拟网络结构图

经过以上方法优化后，一台虚拟机在OpenStack云平台中的虚拟网络如图5所示。虚拟机通过vhost-user接口连接到虚拟交换机上，由于没有了linux bridge简化了虚拟网络的结构，但是也同时无法使用内核态的iptables实现安全组功能，因此需要使用安全组的另一种实现方式，Openflow流表实现。因此在OpenStack的配置文件需要加入以Open⁃vswitch为驱动的firewall_driver。

4 测试方案与结果分析

文中的测试是通过对比原生的OpenStack和优化后OpenStack的二层/三层转发性能得出测试结论。测试方案如图6所示，在测试优化后的转发能力测试中，将一台服务器1作为转发服务器，一台服务器2作为测试服务器。其中转发服务器作为OpenStack中的计算节点，在上面创建一台虚拟机，并在虚拟机上安装L2/L3转发程序：dpdk_l2_forwarding和dpdk_l3_forwarding。图6中服务器2通过DPDK Pktgen程序从eth0网卡发送数据包，通过服务器2和服务器1之间的网线发送到Openvswitch+这个虚拟交换机上，并通过修改Openvswitch上的流表规则将发送到服务器1的eth0网卡上的数据包都发送给vhost-user1这个接口，数据包通过虚拟机的virtio接口将数据包交给虚拟机中的L2/L3 Forwarding程序处理，通过配置L2/L3 Forwarding程序将数据包由vhost-user2这个接口发送出虚拟机，最终发送回DPDK Pktgen程序，并由其进行测量[16]。在测试过程中，原生的OpenStack在二层/三层转发测试的过程中发现在小包的处理上有明显的丢包现象，而由于使用大页内存技术和轮询技术，极大的提高了虚拟交换机收包的能力，使得在优化后的测试中没有出现丢包现象。同时通过如图7和8所示优化后性能是原生OpenStack的6～7倍。

图6 优化后二层/三层转发测试模型图

图7 二层转发测试数据

图8 三层转发测试数据

5 结束语

文中首先对OpenStack云平台及其网络组件Neutron进行了研究，并通过研究影响Nuetron虚拟网络的因素，发现通过减少中断处理、内存拷贝、系统调用和协议处理的开销可以优化OpenStack的虚拟网络的性能。通过优化网卡数据包到达Open⁃vswitch的途径和引入vhost-user接口提升了Open⁃Stack数据网络中二层和三层的转发性能。经过测试，OpenStack环境优化后可以将二层和三层转发性能提高6-7倍，大大改善了OpenStack的网络性能。

纳入标准：（1）RockwoodⅢ型肩锁关节脱位；（2）单侧、闭合、新鲜（2周内）肩锁关节脱位；（3）年龄20～50岁。

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