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SR-IOV 技术

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1. 什么是 SR-IOV 技术

SR-IOV（Single Root I/O Virtualization）是一种虚拟化技术，它允许虚拟机、容器直接访问物理硬件资源，从而提高 I/O 性能，还能减少主机 CPU 消耗。

如上图，SR-IOV 将单个物理设备（例如网络接口卡，NIC）划分成多个虚拟功能 (Virtual Functions, VFs)，每个 VF 可以被分配给不同的虚拟机或容器，像独立的设备一样使用。

2. 开启 SR-IOV 软件硬件支持

在开机时按下 Del 或 F2 等键进入 BIOS 设置界面，相关的配置通常在 Advanced \ System Configuration \ Virtualization 中。

  • 开启 VT-d

VT-d 是定向 I/O 虚拟化技术，俗称虚拟化直通技术。允许宿主机将某些硬件资源（比如硬盘、显卡、网卡）的管辖权直接移交给虚拟机。

  • 开启 SR-IOV

SR-IOV（Single Root I/O Virtualization）是一种 PCIe 设备虚拟化技术，它允许将单个物理 PCIe 设备（如网卡）划分为多个虚拟功能（VF）。

  • 开启 IOMMU

开启 IOMMU 后，系统能够为每个虚拟机分配独立的设备地址空间，提供设备的内存隔离和保护，防止虚拟机之间发生内存地址冲突。

  • 系统设置

编辑 Grub 配置

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vim /etc/default/grub

在 GRUB_CMDLINE_LINUX 中添加 intel_iommu=on iommu=pt。

生成 Grub 配置

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grub-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg

重启系统

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reboot

查看是否开启 IOMMU

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dmesg | grep -e DMAR -e IOMMU

3. 查看本地网络设备

  • 查看 SR-IOV 设备
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lspci -v | grep -i SR-IOV

        Capabilities: [bcc] Single Root I/O Virtualization (SR-IOV)
        Capabilities: [160] Single Root I/O Virtualization (SR-IOV)
        Capabilities: [160] Single Root I/O Virtualization (SR-IOV)
        Capabilities: [160] Single Root I/O Virtualization (SR-IOV)
        Capabilities: [160] Single Root I/O Virtualization (SR-IOV)

这其中 1 个 [bcc] 是 NVIDIA 显卡的 SR-IOV 设备，剩下的 4 个 [160] 是 Intel 网卡。

3.1 查看网卡

  • 列出网卡
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ls /sys/class/net/

eth0          eth1          bond1          lo        calixxx      ...

其中，ethX 是真实的物理网卡，bondX 是网络绑定 (bonding) 接口，lo 是本机的 loopback 网络接口，calixxx 是网络插件 Calico 为容器提供的网络接口.

网络绑定是一种将多个物理网络接口组合为一个逻辑接口的方法。

  • 查看 bond 绑定的网卡
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cat /proc/net/bonding/bond1

Ethernet Channel Bonding Driver: v3.7.1 (April 27, 2011)
...

Slave Interface: eth5
MII Status: up
Speed: 10000 Mbps
...

Slave Interface: eth4
MII Status: up
Speed: 10000 Mbps
...

这意味着，bond1 绑定了两个 eth5 和 eth4 网卡，聚合成一个虚拟网卡提供 20 Gbps 的带宽。

3.2 创建 SR-IOV VF

SR-IOV 针对的是物理网卡，不能针对 bond 绑定的网卡，而要使用 ethX 网卡。

  • 查看之前是否已经开启 SR-IOV
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cat /sys/class/net/eth0/device/sriov_numvfs

0
  • 开启 SR-IOV
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echo 2 > /sys/class/net/eth0/device/sriov_numvfs
  • 查看 VF
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lspci | grep Virtual

3d:02.0 Ethernet controller: Intel Corporation Ethernet Virtual Function 700 Series (rev 09)
3d:02.1 Ethernet controller: Intel Corporation Ethernet Virtual Function 700 Series (rev 09)

这样就给网卡创建了 2 个 SR-IOV VF。

  • 查看网卡
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ip link show eth0

4: eth0: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether 90:f7:b2:4b:dc:3d brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    vf 0     link/ether 2e:3a:41:bc:02:cc brd ff:ff:ff:ff:ff:ff, spoof checking on, link-state auto, trust off
    vf 1     link/ether 5a:d4:e4:45:83:7b brd ff:ff:ff:ff:ff:ff, spoof checking on, link-state auto, trust off
    altname enp61s0f0

3.3 删除 SR-IOV VF

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echo 0 > /sys/class/net/eth0/device/sriov_numvfs

4 K8s 下使用 SR-IOV

4.1 Pod 中如何使用 SR-IOV

SR-IOV 设备的 VF 资源在 Pod 中是无法被直接访问的，需要基于 Kubernetes 的资源扩展方式实现对 VF 的管理。

4.2 创建 multus

安装 kube-multus 之后，一个 Pod 可以使用多个网卡。

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kubectl apply -f https://ghp.ci/https://raw.githubusercontent.com/shaowenchen/hubimage/refs/heads/main/network/kube-multus.yml

4.3 安装 SR-IOV CNI

安装 kube-sriov-cni 之后，创建 Pod 网络时，可以调用 SR-IOV CNI 挂载 VF 资源。

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kubectl apply -f https://ghp.ci/https://raw.githubusercontent.com/shaowenchen/hubimage/main/network/kube-sriov-cni.yaml

4.4 安装 SR-IOV 设备插件

安装 sriov-network-device-plugin 之后，创建 Pod 时，Kublet 会通过 GRPC 与 sriov-network-device-plugin 交互来给 Pod 分配 SR-IOV VF。

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kubectl apply -f https://ghp.ci/https://raw.githubusercontent.com/shaowenchen/hubimage/refs/heads/main/network/kube-sriov-device-plugin.yaml

4.5 配置可用的 SR-IOV VF

  • 查看网卡
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ethtool -i eth0

driver: i40e # 驱动
version: 2.25.7
firmware-version: 4.10 0x80001a63 1.2585.0
expansion-rom-version:
bus-info: 0000:3d:00.0 # PCI 地址
supports-statistics: yes
supports-test: yes
supports-eeprom-access: yes
supports-register-dump: yes
supports-priv-flags: yes
  • 确认支持 SR-IOV
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lspci -s 0000:3d:00.0 -v | grep SR-IOV

        Capabilities: [160] Single Root I/O Virtualization (SR-IOV)
  • 查看厂商、设备 ID
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lspci -s 0000:3d:00.0 -n

3d:00.0 0200: 8086:37d1 (rev 09)

这里的 8086 就是厂商 ID，37d1 就是设备 ID。

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kubectl -n kube-system edit cm sriovdp-config

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        {
            "resourceName": "eth0",
            "selectors": {
                "drivers": ["i40e"],
                "vendor": ["8086"],
                "device": ["37d1"]
            }
        },
  • 查看发现的 SR-IOV 设备
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kubectl get node bj6-a-kas-t41-01  -o json | jq '.status.allocatable'

{
  "cpu": "38",
  "ephemeral-storage": "527342541975",
  "hugepages-1Gi": "0",
  "hugepages-2Mi": "0",
  "intel.com/eth0": "2",
  "memory": "127356472Ki",
  "pods": "110",
  "tencent.com/vcuda-core": "100",
  "tencent.com/vcuda-memory": "60"
}

这里的 intel.com/eth0 就是 sirov-device-plugin 识别的 SR-IOV 设备。

4.6 配置 NetworkAttachmentDefinition

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kubectl apply -f - <<EOF
apiVersion: k8s.cni.cncf.io/v1
kind: NetworkAttachmentDefinition
metadata:
  annotations:
    k8s.v1.cni.cncf.io/resourceName: intel.com/eth0
  name: sriov-eth0
  namespace: default
spec:
  config: |
    {
        "type": "sriov",
        "cniVersion": "0.3.1",
        "name": "sriov-network",
        "ipam": {
            "type": "host-local"
        }
    }
EOF

如果 Pod 一直处于 ContainerCreating 状态，很有可能是 NetworkAttachmentDefinition 配置错误。

4.7 创建普通 Pod

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kubectl apply -f - <<EOF
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: demo-ubuntu
spec:
  containers:
  - name: demo-ubuntu
    image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/shaowenchen/demo-ubuntu
    imagePullPolicy: Always
EOF

查看网卡

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kubectl exec -it demo-ubuntu ip link show

1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
3: eth0@if1659: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default
    link/ether 52:22:5d:0c:0d:d3 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0

4.8 创建 SR-IOV Pod

通过注解的方式，可以给 Pod 申请 SR-IOV VF。

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kubectl apply -f - <<EOF
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: demo-ubuntu-sriov
  annotations:
    k8s.v1.cni.cncf.io/networks: sriov-eth0
spec:
  containers:
  - name: demo-ubuntu
    image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/shaowenchen/demo-ubuntu
    imagePullPolicy: Always
    resources:
      requests:
        intel.com/eth0: '1'
      limits:
        intel.com/eth0: '1'
EOF

查看网卡

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kubectl exec -it demo-ubuntu-sriov ip link show

1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
3: eth0@if1663: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default
    link/ether f2:32:06:2f:85:13 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
7: net1: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc mq state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
    link/ether 90:f7:b2:4b:dc:40 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    alias eth0
    altname enp61s0f0

主机上的 eth0 也是 DOWN 状态，这里出现了 net1 网卡就说明已经配置了 SR-IOV VF。

4.9 将 sriov 设置为默认网卡

需要在 kube-system 下创建 NetworkAttachmentDefinition 。

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kubectl apply -f - <<EOF
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: demo-ubuntu-sriov-default
  annotations:
    v1.multus-cni.io/default-network: sriov-eth0
spec:
  containers:
  - name: demo-ubuntu
    image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/shaowenchen/demo-ubuntu
    imagePullPolicy: Always
    resources:
      requests:
        intel.com/eth0: '1'
      limits:
        intel.com/eth0: '1'
EOF

5. 总结

本篇文章，介绍了 SR-IOV 技术以及在 Kubernetes 中的使用。

常用的部署方式还有 https://github.com/k8snetworkplumbingwg/sriov-network-operator ，借助 Operator 可以更快地实现 SR-IOV 与 Kubernetes 的集成。

SR-IOV 实现了对物理网卡的虚拟化、多租户使用。除了借助 sriov-network-device-plugin 实现对 VF 资源的注册，还有一种方式是 k8s-rdma-shared-dev-plugin，在我们生产的环境中，也是使用的这种方式对接 IB 网卡。

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