从性能优化的角度看virtio技术的演进和发展 (1/2)

Posted 2021-05-20 宋宝华

作者简介

孙雷，曾在联想研究院和NEC研究院工作10年，任资深研究员，研发经理。

负责云计算底层技术，包括软件定义网络(SDN)，云网络(OpenStack)，

数据面加速等等。

2020年起开始创业，北京守志科技有限公司创始人。

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01

virtio性能优化技术的整体梳理  

在前一次的virtio基础篇中，我们介绍了virtio的基本原理，QEMU/KVM以及virtio的关系。我们还介绍了virtio设备的发现，初始化以及virtio-net从虚拟机中发送数据包的过程。

这一次的virtio进阶篇会从性能优化的角度，进一步介绍virtio技术演进和发展的过程。包括：

  1). vhost-net技术 (virtio-net后端的内核态实现)；

  2). vhost-user  (virtio-net后端在用户态的实现)以及与之紧密联系的DPDK加速技术；

  3). vDPA (固化在网卡中virtio-net后端的硬件实现)。

就像我们之前介绍的那样，virtio的设计是分为前端和后端的。

在实现层面上，以virtio网络为例子，在最初的virtio-net的实现中，virtio的前端驱动程序在虚拟机的内核空间运行，而virtio的后端驱动程序实现在QEMU中运行在用户空间，前后端的通信机制是通过KVM(内核模块)实现的。

以虚拟机向外部发送数据为例，虚拟机通过写寄存器的方式通知外部的KVM，再进而通知virtio后端(实现在QEMU中)。在此基础上，又逐步发展出了vhost-net，vhost-user和vDPA三种加速技术。

虽然三种技术的目的都是提升处理网络数据包的能力，但是各自所采用的方法却有很大区别：

  1).vhost-net：virtio-net后端以内核模块的方式实现，做为内核线程运行。和virtio-net的实现相比，减少了一次KVM到QEMU通信时的内核态/用户态的切换，让虚拟机的数据在内核态就把报文发送出去，进而提升性能；

  2).vhost-user：为了进一步提升虚拟机网络的性能，DPDK完全不再沿用Linux内核的网络数据处理流程，基于Linux UIO技术在用户态直接和网卡交互处理网络数据，并且使用了内存大页，绑定CPU核，NUMA亲和性等方法进一步提升数据处理的性能。配合DPDK技术，virtio-net后端也在用户态做了实现，这就是vhost-user；

  3).vDPA：DPDK毕竟还是软件加速方案，并且因为绑定CPU核导致独占相应的CPU资源。虽然提高了网络的性能，却是通过牺牲服务器的计算资源做为代价的。于是，在这样的背景下提出了vDPA (vhost Data Path Acceleration)技术。vDPA技术可以理解为virtio-net后端在网卡中的硬件实现，目前已经被一些网卡厂商支持。

在梳理了这三种技术和virtio-net之间的关系之后，我们接下来结合Linux内核，QEMU以及DPDK的代码深入分析它们的具体实现。

02

vhost-net  

 接下来我们先结合QEMU和Linux内核的代码回顾一下virtio-net的具体实现，之后再和vhost-net做一个对比，这样才能更好的说明vhost-net的优化思路。

● QEMU的vCPU线程以及IO处理

QEMU是一个多线程的用户态程序。其中启动虚拟机的vCPU线程的实现，可以参考代码qemu-1.5.3/cpus.c中第1073行的qemu_init_vcpu函数。

可以看出，在确认KVM是被使能的情况下，会进一步调用qemu_kvm_start_vcpu函数，再调用qemu_thread_create函数创建执行虚拟机的子线程(也可以叫做vCPU线程)。

由于需要支持多种硬件平台，所以针对不同的体系结构的平台，在qemu_thread_create函数内部做了封装，实现底层平台的上层封装。

比如POSIX平台的实现代码在qemu-1.5.3/util/qemu-thread-posix.c，Windows平台的实现在qemu-1.5.3/util/qemu-thread-win32.c。

void qemu_init_vcpu(void *_env)
{
    CPUArchState *env = _env;
    CPUState *cpu = ENV_GET_CPU(env);


    cpu->nr_cores = smp_cores;
    cpu->nr_threads = smp_threads;
    cpu->stopped = true;
    
    if (kvm_enabled()) {
        qemu_kvm_start_vcpu(env);
    } else if (tcg_enabled()) {
        qemu_tcg_init_vcpu(cpu);
    } else {
        qemu_dummy_start_vcpu(env);
    }
}

static void qemu_kvm_start_vcpu(CPUArchState *env)
{
    CPUState *cpu = ENV_GET_CPU(env);


    cpu->thread = g_malloc0(sizeof(QemuThread));
    cpu->halt_cond = g_malloc0(sizeof(QemuCond));
    qemu_cond_init(cpu->halt_cond);
    qemu_thread_create(cpu->thread, qemu_kvm_cpu_thread_fn, env,
                       QEMU_THREAD_JOINABLE);
    while (!cpu->created) {
        qemu_cond_wait(&qemu_cpu_cond, &qemu_global_mutex);
    }
}

关于QEMU中vCPU的执行(也就是运行虚拟机的线程)和外部IO的处理，可以参考下面的代码qemu-1.5.3/cpus.c第739行的qemu_kvm_cpu_thread_fn函数。其中kvm_cpu_exec是运行虚拟机，qemu_kvm_wait_io_event是处理外部的IO操作，两者都在一个大的死循环中。

结合从虚拟机内部发送数据的例子来说，virtio-net前端(虚拟机中的网卡驱动程序)写寄存器进行IO操作的时候，会触发VM_EXIT，之后KVM检查退出的理由，并且进一步处理IO在执行完IO操作之后，会再继续执行vCPU线程，就这样一直循环下去。

static void *qemu_kvm_cpu_thread_fn(void *arg)
{
    CPUArchState *env = arg;
    CPUState *cpu = ENV_GET_CPU(env);
    int r;


    qemu_mutex_lock(&qemu_global_mutex);
    qemu_thread_get_self(cpu->thread);
    cpu->thread_id = qemu_get_thread_id();
    cpu_single_env = env;


    r = kvm_init_vcpu(cpu);
    if (r < 0) {
        fprintf(stderr, "kvm_init_vcpu failed: %s\\n", strerror(-r));
        exit(1);
    }


    qemu_kvm_init_cpu_signals(env);


    /* signal CPU creation */
    cpu->created = true;
    qemu_cond_signal(&qemu_cpu_cond);


    while (1) {
        if (cpu_can_run(cpu)) {
            r = kvm_cpu_exec(env);
            if (r == EXCP_DEBUG) {
                cpu_handle_guest_debug(env);
            }
        }
        qemu_kvm_wait_io_event(env);
    }
    return NULL;
}

● QEMU/KVM的通信机制

QEMU/KVM的通信机制是基于eventfd实现的。

eventfd是内核实现的线程通信机制，通过系统调用可以创建eventfd，它可以用于线程间或者进程间的通信，比如用于实现通知，等待机制。

内核也可以通过eventfd和用户空间进程进行通信。eventfd的具体实现可以参考内核代码linux-3.10.0-957.1.3.el7/fs/eventfd.c文件的第25行，主要的数据结构是eventfd_ctx。

通过代码查看数据结构eventfd_ctx，可以看出eventfd的核心实现是在内核空间的一个64位的计数器。不同线程通过读写该eventfd通知或等待对方，内核也可以通过写这个eventfd通知用户程序。

在eventfd被创建之后，系统提供了对eventfd的读写操作的接口。写eventfd的时候，会增加计数器的数值，并且唤醒wait_queue队列；读eventfd的时候，就是将计数器的数值置为0。

struct eventfd_ctx {
    struct kref kref;
    wait_queue_head_t wqh;
    /*
     * Every time that a write(2) is performed on an eventfd, the
     * value of the __u64 being written is added to "count" and a
     * wakeup is performed on "wqh". A read(2) will return the "count"
     * value to userspace, and will reset "count" to zero. The kernel
     * side eventfd_signal() also, adds to the "count" counter and
     * issue a wakeup.
     */
    __u64 count;
    unsigned int flags;
};

QEMU/KVM通信机制的实现是基于ioeventfd实现，对eventfd又做了一次封装。具体的实现代码在linux-3.10.0-957.1.3.el7/virt/kvm/eventfd.c第642行。

/*
 * --------------------------------------------------------------------
 * ioeventfd: translate a PIO/MMIO memory write to an eventfd signal.
 *
 * userspace can register a PIO/MMIO address with an eventfd for receiving
 * notification when the memory has been touched.
 * --------------------------------------------------------------------
 */


struct _ioeventfd {
    struct list_head     list;
    u64                  addr;
    int                  length;
    struct eventfd_ctx  *eventfd;
    u64                  datamatch;
    struct kvm_io_device dev;
    u8                   bus_idx;
    bool                 wildcard;
};

在QEMU/KVM的系统虚拟化环境中，针对每个虚拟机，vhost-net会生成一个名为"vhost-[pid]"的内核线程，这里的"pid"即QEMU进程（也称作"hypervisor process"）的PID。该内核线程替代了QEMU的等待轮询工作。与virtio-net的实现不同的是，eventfd_signal 唤醒的是内核vhost-net创建的内核线程。这个内核线程负责从虚拟队列中提取报文数据，然后发送给 tap接口。

与virtio-net的实现相比，vhost-net的内核线程在内核态处理网络数据，在发送到tap接口的时候少了一次数据拷贝。具体的实现代码在：linux-3.10.0-957.1.3.el7/drivers/vhost/vhost.c的vhost_dev_set_owner函数，在第486行调用kthread_create函数创建内核线程调用vhost_worker函数进行轮询。

/* Caller should have device mutex */
long vhost_dev_set_owner(struct vhost_dev *dev)
{
    struct task_struct *worker;
    int err;
 
    /* Is there an owner already? */
    if (vhost_dev_has_owner(dev)) {
        err = -EBUSY;
        goto err_mm;
    }
 
    /* No owner, become one */
    dev->mm = get_task_mm(current);
    worker = kthread_create(vhost_worker, dev, "vhost-%d", current->pid);
    if (IS_ERR(worker)) {
        err = PTR_ERR(worker);
        goto err_worker;
    }
 
    dev->worker = worker;
    wake_up_process(worker);    /* avoid contributing to loadavg */
 
    err = vhost_attach_cgroups(dev);
    if (err)
        goto err_cgroup;
 
    err = vhost_dev_alloc_iovecs(dev);
    if (err)
        goto err_cgroup;
 
    return 0;
err_cgroup:
    kthread_stop(worker);
    dev->worker = NULL;
err_worker:
    if (dev->mm)
        mmput(dev->mm);
    dev->mm = NULL;
err_mm:
    return err;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(vhost_dev_set_owner);

 

图1 vhost-net和virtio-net的对比图

03

总结   

总结一下：虚拟机virtio前端驱动程序发送通知的函数最终是执行I/O写指令。在QEMU/KVM环境中，虚拟机执行I/O指令，会触发VMExit。在KVM的VMExit代码中会判断退出的原因，I/O操作对应的处理函数是handle_io()。接下来KVM是通过eventfd的机制通知virtio-net后端程序来处理。接下来的处理流程，使用virtio-net和vhost-net就不一样了。

Ø 使用virtio-net的情况：KVM会使用eventfd的通知机制，通知用户态的QEMU程序模拟外部I/O事件，所以这里有一次从内核空间到用户空间的切换。

Ø 使用vhost-net的情况：KVM会使用eventfd的通知机制，通知vhost-net的内核线程，这样就直接在vhost内核模块(vhost-net.ko)内处理。所以，和virtio-net相比就减少了一次从内核态到用户态的切换，从而提升网络IO的性能。

 

由于vhost-user和vDPA都和DPDK紧密相关，所以我们将在virtio进阶篇(2/2)中集中介绍。

敬请期待续集