En la arquitectura moderna de redes de centros de datos, la utilización eficiente de CPUs multi-core y la optimización del rendimiento de red en entornos virtualizados siempre han sido desafíos tecnológicos clave. Los servidores físicos tradicionales utilizan la tecnología RSS en las NIC para distribuir inteligentemente el tráfico de red entre múltiples núcleos de CPU, mejorando significativamente el rendimiento de red y la utilización de la CPU. Sin embargo, la introducción de la virtualización ha hecho que las rutas del tráfico de red sean más complejas: las NIC físicas deben atender simultáneamente tanto a la máquina anfitriona como a múltiples máquinas virtuales, lo que dificulta que la tecnología RSS tradicional se adapte directamente a la arquitectura en capas de los conmutadores virtuales. Para abordar este problema, la plataforma de virtualización Hyper-V introdujo la tecnología Virtual Machine Queue (VMQ), que hereda el concepto de equilibrio de carga multi-core de RSS mientras lo optimiza para escenarios de virtualización.
Tecnología RSS de NIC en servidores físicos tradicionales
Antes de presentar VMQ, veamos primero cómo una NIC recibe datos de red en un servidor físico tradicional. Cuando se introdujeron las CPU multinúcleo, inicialmente las NIC no admitían la distribución de interrupciones del tráfico de red en varios núcleos lógicos, sino que las gestionaban en un solo núcleo lógico. Esto provocaba una utilización desigual de la CPU y reducía la eficiencia en el procesamiento del tráfico de red. Hoy en día, la mayoría de las NIC admiten RSS, lo que permite a las NIC con múltiples colas de recepción por hardware distribuir los datos recibidos en varias colas. En servidores físicos multinúcleo, la tecnología RSS dirige las interrupciones procedentes de estas colas a diferentes núcleos lógicos de la CPU, mejorando así la eficiencia en la recepción de datos. El objetivo de RSS es asignar colas al núcleo lógico de CPU óptimo, equilibrando la carga de procesamiento del tráfico de red.
Cómo funciona VMQ de Hyper-V
La situación en un entorno virtualizado es más compleja que en un entorno físico. Primero, cuando una NIC física se transforma en un conmutador virtual, pierde su funcionalidad RSS. Segundo, dado que múltiples máquinas virtuales se ejecutan en el host físico y comparten la misma NIC para recibir paquetes, se necesita un método igualmente eficaz para equilibrar la sobrecarga de CPU relacionada con la red, asegurando al mismo tiempo el rendimiento de red de las máquinas virtuales. Aquí es donde entra en juego VMQ. VMQ es una cola especial que funciona de forma similar a las colas de hardware en las NIC y utiliza un mecanismo parecido a RSS para distribuir las interrupciones de cola entre diferentes núcleos lógicos de la CPU. Sin embargo, la lógica de filtrado y asignación de paquetes en VMQ difiere de la de las colas de hardware. En un entorno puramente físico, la NIC física solo considera su propia cola de datos, mientras que en un entorno virtualizado, el conmutador virtual debe equilibrar las colas tanto del host físico como de las máquinas virtuales.
Antes de explicar el principio de funcionamiento de VMQ, comprendamos primero la ruta de enrutamiento de los paquetes dentro de un conmutador virtual. El conmutador virtual Hyper-V tiene dos tipos de colas: VMQ y la cola predeterminada. Los datos en la cola predeterminada pasan por varias etapas, incluyendo enrutamiento del conmutador virtual, filtrado, extensiones, listas de control de acceso y rutas de reenvío, antes de distribuirse finalmente a través del bus de máquina virtual.
VMQ primero recopila las direcciones MAC de las NIC virtuales (vNIC) en las máquinas virtuales antes de distribuirlas en colas utilizando un filtro MAC VMQ para las máquinas virtuales que tienen habilitado VMQ. Las máquinas virtuales sin VMQ habilitado, o cuyo tráfico no coincida con el filtro MAC VMQ, permanecen en la cola predeterminada. A diferencia de la cola predeterminada, que sigue la ruta completa de enrutamiento, filtrado, extensiones, control de acceso y reenvío, VMQ omite algunos de estos pasos y transmite los datos al bus de máquina virtual con una sobrecarga mínima de enrutamiento. Una vez que los datos llegan al bus de máquina virtual, la vNIC en la máquina virtual utiliza la tecnología Virtual RSS (vRSS) para distribuir las interrupciones de cola a las CPU virtuales.
¿Cuáles son las funciones de VMQ?
Si VMQ está habilitado en la vNIC, el conmutador virtual omite varias capas de código de enrutamiento, lo que garantiza que los datos se transfieran a la máquina virtual de forma rápida y precisa. En comparación con un escenario sin VMQ, esto no solo reduce el consumo de recursos de CPU para el enrutamiento, sino que también disminuye la latencia en la transmisión de datos.
VMQ proporciona las siguientes funcionalidades:
Nota: En Hyper-V, las subparticiones también se denominan VMs.
Reduce el uso de la CPU al trasladar las tareas de filtrado de paquetes al hardware de la NIC.
Evita la duplicación de datos de red mediante el uso de DMA para transferir datos directamente a la memoria de la VM.
Segmenta los datos de red para proporcionar un entorno seguro.
Admite migración en vivo.
VMQ dinámico frente a VMQ estático
El VMQ se puede clasificar como dinámico o estático. El VMQ estático significa que la asociación entre el VMQ y los núcleos lógicos de la CPU es fija. Por ejemplo, el VMQ asignado a VM1 se asigna al núcleo lógico de la CPU1, mientras que el VMQ asignado a VM2 se asigna al núcleo lógico de la CPU2. Esta asignación permanece sin cambios durante todo el ciclo de vida de VM1 y VM2, lo que significa que los datos de VM1 siempre son manejados por el núcleo lógico de la CPU1, y los datos de VM2 por el núcleo lógico de la CPU2. Sin embargo, en casos donde la CPU que maneja el tráfico de red de una máquina virtual se vuelve ocupada, el VMQ estático podría ralentizar el procesamiento de red para esa máquina virtual.
Para abordar este problema, a partir de Windows Server 2012 R2 se introdujo la VMQ dinámica. La VMQ dinámica es más inteligente: a diferencia de la VMQ estática, permite que el procesamiento de red de la máquina virtual se ajuste dinámicamente según la carga y la CPU lógica asociada. Si la CPU lógica 2 está relativamente inactiva, las colas de VM1 y VM2 pueden asociarse con la CPU lógica 2.
¿Cómo administrar las colas de máquinas virtuales?
Habilitar o deshabilitar VMQ para una máquina virtual es sencillo. De forma predeterminada, Hyper-V habilita VMQ. Sin embargo, se puede activar o desactivar según los requisitos de la máquina virtual y el rendimiento real de la NIC. En algunos casos, VMQ puede provocar una degradación significativa del rendimiento de red para las máquinas virtuales. Si ocurren estos problemas, se puede deshabilitar VMQ en la NIC del host siguiendo estos pasos:
1. Abra la herramienta de administración del host: Computer Management, vaya a Device Manager y expanda la lista de Network Adapters.
2. Haga clic con el botón derecho en la NIC física asociada con Hyper-V y luego seleccione Properties.
3. En el cuadro de diálogo Propiedades del NIC, cambie a la pestaña Advanced, localice la opción Virtual Machine Queue en la lista de propiedades, cambie su valor a Disabled y haga clic en OK.
Si hay demasiadas máquinas virtuales y un número insuficiente de colas VMQ en la NIC, se pueden asignar pesos VMQ para priorizar el procesamiento de datos de red. Las máquinas virtuales con pesos más altos tendrán prioridad en VMQ, y viceversa. Por defecto, el peso VMQ se establece en 100, como se muestra en el ejemplo siguiente:
PS C:\> Get-VMNetworkAdapter -VMName VM01 | fl VMQweight VMQWeight : 100
Para cambiar el peso de VMQ para una máquina virtual, use el siguiente comando de PowerShell:
PS C:\> Get-VMNetworkAdapter -VMName vmname -VMQweight 50
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Preguntas frecuentes sobre la cola de máquinas virtuales Hyper-V
1. ¿Qué es VMMQ?
La cola múltiple de máquina virtual (VMMQ) mejora VMQ al distribuir el tráfico de red a través de múltiples núcleos de CPU, mejorando el rendimiento para cargas de trabajo de alto ancho de banda en NIC de 10GbE+ .
2. ¿Cuántas colas RSS debo usar?
La cantidad de colas de escalado del lado de recepción (RSS) que debe usar depende de su adaptador de red, núcleos de CPU y carga de trabajo. Utilice la misma cantidad o menos colas RSS que los núcleos de CPU disponibles para evitar un exceso de conmutación de contexto.
Conclusión
La tecnología VMQ extiende la lógica de cola de hardware de las NIC físicas hacia la capa de virtualización, permitiendo una distribución eficiente del tráfico de red de máquinas virtuales y equilibrando la carga de la CPU. Su valor principal radica en evitar la compleja ruta de enrutamiento de los switches virtuales, aprovechando al mismo tiempo mecanismos de asignación dinámica de colas para reducir la latencia de red y mejorar el rendimiento en entornos con concurrencia de múltiples máquinas virtuales. Aunque una configuración inadecuada de VMQ puede provocar problemas de rendimiento en ciertos escenarios, sus características la convierten en una tecnología fundamental para construir redes virtualizadas de alto rendimiento.
