Na arquitetura moderna de rede de data center, a utilização eficiente de CPUs multi-core e a otimização do desempenho da rede em ambientes virtualizados sempre foram desafios tecnológicos centrais. Servidores físicos tradicionais usam a tecnologia RSS nas NICs para distribuir inteligentemente o tráfego de rede entre vários núcleos da CPU, melhorando significativamente a taxa de transferência da rede e a utilização da CPU. No entanto, a introdução da virtualização tornou os caminhos do tráfego de rede mais complexos — as NICs físicas devem servir simultaneamente tanto a máquina hospedeira quanto múltiplas VMs, dificultando a adaptação direta da tecnologia tradicional RSS à arquitetura em camadas dos switches virtuais. Para resolver isso, a plataforma de virtualização Hyper-V introduziu a tecnologia Virtual Machine Queue (VMQ), que herda o conceito de balanceamento de carga multi-core do RSS enquanto o otimiza para cenários de virtualização.
Tecnologia RSS de NIC de Servidor Físico Tradicional
Antes de apresentar a VMQ, vamos primeiro analisar como uma NIC recebe dados de rede em um servidor físico tradicional. Quando as CPUs multi-core foram introduzidas, inicialmente as NICs não davam suporte à distribuição de interrupções de tráfego de rede entre múltiplos núcleos lógicos, processando-as em um único núcleo lógico. Isso resultava em uma utilização desigual da CPU e reduzia a eficiência no processamento do tráfego de rede. Atualmente, a maioria das NICs suporta RSS, o que permite que NICs com múltiplas filas de recebimento de hardware distribuam os dados recebidos por várias filas. Em servidores físicos multi-core, a tecnologia RSS direciona interrupções dessas filas para diferentes núcleos lógicos da CPU, melhorando assim a eficiência na recepção de dados. O objetivo do RSS é atribuir filas ao núcleo lógico da CPU ideal, equilibrando a sobrecarga da CPU com o tráfego de rede.
Como o Hyper-V VMQ Funciona
A situação em um ambiente virtualizado é mais complexa do que em um ambiente físico. Primeiro, quando uma NIC física é transformada em um switch virtual, ela perde sua funcionalidade RSS. Segundo, como várias VMs executam no host físico e compartilham a mesma NIC para receber pacotes, é necessário um método igualmente eficaz para equilibrar a sobrecarga da CPU relacionada à rede, ao mesmo tempo que garante o desempenho de rede das VMs. É aí que entra o VMQ. O VMQ é uma fila especial que funciona de maneira semelhante às filas de hardware nas NICs e utiliza um mecanismo semelhante ao RSS para distribuir as interrupções da fila por diferentes núcleos lógicos da CPU. No entanto, a lógica de filtragem e atribuição de pacotes no VMQ difere daquela das filas de hardware. Em um ambiente puramente físico, a NIC física considera apenas sua própria fila de dados, enquanto em um ambiente virtualizado, o switch virtual precisa equilibrar as filas tanto do host físico quanto das VMs.
Antes de explicar o princípio de funcionamento do VMQ, vamos primeiro compreender o caminho de encaminhamento dos pacotes dentro de um comutador virtual. O comutador virtual Hyper-V possui dois tipos de filas – VMQ e a fila padrão. Os dados na fila padrão passam por várias etapas, incluindo roteamento do comutador virtual, filtragem, extensões, listas de controle de acesso e caminhos de encaminhamento, antes de finalmente serem distribuídos através do barramento da máquina virtual.
A VMQ coleta primeiro os endereços MAC das NICs virtuais (vNICs) nas VMs antes de distribuí-los em filas usando um filtro MAC VMQ para as VMs que têm a VMQ habilitada. As VMs sem a VMQ habilitada, ou cujo tráfego não corresponde ao filtro MAC VMQ, permanecem na fila padrão. Diferentemente da fila padrão, que segue o caminho completo de roteamento, filtragem, extensão, controle de acesso e encaminhamento, a VMQ ignora alguns desses passos e transmite os dados para o barramento da VM com sobrecarga mínima de roteamento. Assim que os dados chegam ao barramento da VM, a vNIC na VM utiliza a tecnologia RSS virtual (vRSS) para distribuir interrupções de fila aos CPUs virtuais.
Quais são as funções do VMQ?
Se o VMQ estiver habilitado na vNIC, o switch virtual ignora várias camadas de código de roteamento, garantindo que os dados sejam encaminhados à VM rapidamente e com precisão. Em comparação com um cenário sem VMQ, isso não apenas reduz o consumo de recursos da CPU para roteamento, mas também diminui a latência na transmissão de dados.
VMQ fornece as seguintes funcionalidades:
Nota: No Hyper-V, as subpartições também são referidas como VMs.
Reduz o uso da CPU ao transferir tarefas de filtragem de pacotes para o hardware da NIC.
Evita a duplicação de dados na rede usando DMA para transferir dados diretamente para a memória da VM.
Segmenta dados da rede para fornecer um ambiente seguro.
Suporta migração ao vivo.
VMQ Dinâmico vs. VMQ Estático
O VMQ pode ser categorizado como dinâmico ou estático. O VMQ estático significa que a associação entre o VMQ e os núcleos lógicos da CPU é fixa. Por exemplo, o VMQ atribuído à VM1 é mapeado para o CPU lógico 1, enquanto o VMQ atribuído à VM2 é mapeado para o CPU lógico 2. Esse mapeamento permanece inalterado durante todo o ciclo de vida da VM1 e da VM2, o que significa que os dados da VM1 são sempre tratados pelo CPU lógico 1 e os dados da VM2 pelo CPU lógico 2. No entanto, em casos em que a CPU que processa o tráfego de rede de uma VM fica ocupada, o VMQ estático pode desacelerar o processamento de rede dessa VM.
Para resolver esse problema, a partir do Windows Server 2012 R2, foi introduzida a VMQ dinâmica. A VMQ dinâmica é mais inteligente—diferentemente da VMQ estática, ela permite que o processamento de rede da máquina virtual se ajuste dinamicamente com base na carga e na CPU lógica associada. Se a CPU lógica 2 estiver relativamente ociosa, as filas de VM1 e VM2 podem ser associadas à CPU lógica 2.
Como Gerenciar Filas de Máquinas Virtuais?
Ativar ou desativar o VMQ para uma VM é simples. Por padrão, o Hyper-V habilita o VMQ. No entanto, pode ser ativado ou desativado com base nos requisitos da VM e no desempenho real da NIC. Em alguns casos, o VMQ pode causar uma significativa degradação do desempenho de rede para as VMs. Se esses problemas ocorrerem, o VMQ pode ser desativado na NIC do host seguindo estas etapas:
1. Abra a ferramenta de gerenciamento do host — Computer Management, navegue até Device Manager e expanda a lista de Network Adapters.
2. Clique com o botão direito do mouse na NIC física associada ao Hyper-V e selecione Properties.
3. Na caixa de diálogo Propriedades do NIC, alterne para a guia Advanced, localize a opção Virtual Machine Queue na lista de propriedades, altere seu valor para Disabled e clique em OK.
Se houver muitas máquinas virtuais e filas VMQ insuficientes na NIC, é possível atribuir pesos VMQ para priorizar o processamento de dados de rede. As máquinas virtuais com pesos mais altos terão prioridade na VMQ, e vice-versa. Por padrão, o peso da VMQ é definido como 100, conforme mostrado no exemplo abaixo:
PS C:\> Get-VMNetworkAdapter -VMName VM01 | fl VMQweight VMQWeight : 100
Para alterar o peso VMQ de uma VM, use o seguinte comando PowerShell:
PS C:\> Get-VMNetworkAdapter -VMName vmname -VMQweight 50
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Perguntas Frequentes sobre a Fila de Máquina Virtual Hyper-V
1. O que é VMMQ?
A Fila Múltipla da Máquina Virtual (VMMQ) melhora a VMQ distribuindo o tráfego de rede por vários núcleos da CPU, melhorando o desempenho para cargas de trabalho de alta largura de banda em NICs de 10GbE+.
2. Quantas filas RSS devo usar?
O número de filas Receive Side Scaling (RSS) que você deve usar depende do seu adaptador de rede, núcleos da CPU e carga de trabalho. Use o mesmo número ou menos filas RSS do que os núcleos de CPU disponíveis para evitar trocas de contexto excessivas.
Conclusão
A tecnologia VMQ estende a lógica de fila de hardware das NICs físicas até a camada de virtualização, permitindo uma distribuição eficiente do tráfego de rede das máquinas virtuais e equilibrando a carga da CPU. Seu valor principal está em contornar o caminho de roteamento complexo dos switches virtuais, ao mesmo tempo que utiliza mecanismos dinâmicos de alocação de filas para reduzir a latência de rede e melhorar o throughput em ambientes com concorrência de múltiplas máquinas virtuais. Embora a configuração inadequada do VMQ possa levar a problemas de desempenho em certos cenários, suas características o tornam uma tecnologia essencial para a construção de redes virtualizadas de alto desempenho.
