virtio 半虚拟化驱动 5.1.1

Posted 2020-08-15 Freewill

半虚拟化驱动

5.1.1 virtio概述

KVM是必须使用硬件虚拟化辅助技术（如Intel VT-x、AMD-V）的hypervisor，在CPU运行效率方面有硬件支持，其效率是比较高的；在有Intel EPT特性支持的平台上，内存虚拟化的效率也较高。QEMU/KVM提供了全虚拟化环境，可以让客户机不经过任何修改就能运行在KVM环境中。不过，KVM在I/O虚拟化方面，传统的方式是使用QEMU纯软件的方式来模拟I/O设备（如第4章中提到模拟的网卡、磁盘、显卡等等），其效率并不非常高。在KVM中，可以在客户机中使用半虚拟化驱动（Paravirtualized Drivers，PV Drivers）来提高客户机的性能（特别是I/O性能）。目前，KVM中实现半虚拟化驱动的方式是采用了virtio这个Linux上的设备驱动标准框架。

1. QEMU模拟I/O设备的基本原理和优缺点

QEMU纯软件方式模拟现实世界中的I/O设备的基本过程模型如图5-1所示。

 

qemu-emulated-io-device

图5-1 QEMU 模拟I/O设备

使用QEMU模拟I/O的情况下，当客户机中的设备驱动程序（device driver）发起I/O操作请求之时，KVM模块中的I/O操作捕获代码会拦截这次I/O请求，然后经过处理后将本次I/O请求的信息存放到I/O共享页，并通知用户控件的QEMU程序。QEMU模拟程序获得I/O操作的具体信息之后，交由硬件模拟代码来模拟出本次的I/O操作，完成之后，将结果放回到I/O共享页，并通知KVM模块中的I/O操作捕获代码。最后，由KVM模块中的捕获代码读取I/O共享页中的操作结果，并把结果返回到客户机中。当然，这个操作过程中客户机作为一个QEMU进程在等待I/O时也可能被阻塞。另外，当客户机通过DMA（Direct Memory Access）访问大块I/O之时，QEMU模拟程序将不会把操作结果放到I/O共享页中，而是通过内存映射的方式将结果直接写到客户机的内存中去，然后通过KVM模块告诉客户机DMA操作已经完成。

QEMU模拟I/O设备的方式，其优点是可以通过软件模拟出各种各样的硬件设备，包括一些不常用的或者很老很经典的设备（如4.5节中提到RTL8139的网卡），而且它不用修改客户机操作系统，就可以实现模拟设备在客户机中正常工作。在KVM客户机中使用这种方式，对于解决手上没有足够设备的软件开发及调试有非常大的好处。而它的缺点是，每次I/O操作的路径比较长，有较多的VMEntry、VMExit发生，需要多次上下文切换（context switch），也需要多次数据复制，所以它的性能较差。

2. Virtio的基本原理和优缺点

Virtio最初由澳大利亚的一个天才级程序员Rusty Russell编写，是一个在hypervisor之上的抽象API接口，让客户机知道自己运行在虚拟化环境中，从而与hypervisor根据 virtio 标准协作，从而在客户机中达到更好的性能（特别是I/O性能）。目前，有不少虚拟机都采用了virtio半虚拟化驱动来提高性能，如KVM和Lguest[1]。

QEMU/KVM中，Virtio的基本结构框架如图5-2所示。

 

qemu-kvm-virtio-arch

图5-2 KVM中virtio基本架构

 

virtio 的驱动程序抽象

其中前端驱动（frondend，如virtio-blk、virtio-net等）是在客户机中存在的驱动程序模块，而后端处理程序（backend）是在QEMU中实现的[2]。在这前后端驱动之间，还定义了两层来支持客户机与QEMU之间的通信。其中，“virtio”这一层是虚拟队列接口，它在概念上将前端驱动程序附加到后端处理程序。一个前端驱动程序可以使用0个或多个队列，具体数量取决于需求。例如，virtio-net网络驱动程序使用两个虚拟队列（一个用于接收，另一个用于发送），而virtio-blk块驱动程序仅使用一个虚拟队列。虚拟队列实际上被实现为跨越客户机操作系统和hypervisor的衔接点，但它可以通过任意方式实现，前提是客户机操作系统和virtio后端程序都遵循一定的标准，以相互匹配的方式实现它。而virtio-ring实现了环形缓冲区（ring buffer），用于保存前端驱动和后端处理程序执行的信息，并且它可以一次性保存前端驱动的多次I/O请求，并且交由后端去动去批量处理，最后实际调用宿主机中设备驱动实现物理上的I/O操作，这样做就可以根据约定实现批量处理而不是客户机中每次I/O请求都需要处理一次，从而提高客户机与hypervisor信息交换的效率。

Virtio半虚拟化驱动的方式，可以获得很好的I/O性能，其性能几乎可以达到和native（即：非虚拟化环境中的原生系统）差不多的I/O性能。所以，在使用KVM之时，如果宿主机内核和客户机都支持virtio的情况下，一般推荐使用virtio达到更好的性能。当然，virtio的也是有缺点的，它必须要客户机安装特定的Virtio驱动使其知道是运行在虚拟化环境中，且按照Virtio的规定格式进行数据传输，不过客户机中可能有一些老的Linux系统不支持virtio和主流的Windows系统需要安装特定的驱动才支持Virtio。不过，较新的一些Linux发行版（如RHEL 6.3、Fedora 17等）默认都将virtio相关驱动编译为模块，可直接作为客户机使用virtio，而且对于主流Windows系统都有对应的virtio驱动程序可供下载使用。