說一說虛擬化繞不開的IO半虛擬化

作者：kvm虛擬化 2018-01-17 15:15:22

云計(jì)算

虛擬化 QEMU-KVM作為一個(gè)VMM提供了全虛擬化環(huán)境，guest不經(jīng)過任何修改就能運(yùn)行在KVM環(huán)境中。不過KVM在IO虛擬化方面，使用QEMU純軟件的方式來模擬IO設(shè)備，效率并不高。在KVM中，要想提高IO虛擬化的效率，就要使用半虛擬化的方式：virtio。

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QEMU-KVM作為一個(gè)VMM提供了全虛擬化環(huán)境，guest不經(jīng)過任何修改就能運(yùn)行在KVM環(huán)境中。不過KVM在IO虛擬化方面，使用QEMU純軟件的方式來模擬IO設(shè)備，效率并不高。在KVM中，要想提高IO虛擬化的效率，就要使用半虛擬化的方式：virtio。

簡(jiǎn)單介紹全虛擬化和半虛擬化

在全虛擬化 中，guest操作系統(tǒng)運(yùn)行在VMM之上，并不知道它已被虛擬化，不需要任何更改就可以工作。相反，在半虛擬化中，guest操作系統(tǒng)不僅知道它運(yùn)行在 VMM上，還需要做修改來對(duì)接VMM的代碼。

在全虛擬化中，VMM必須模擬設(shè)備硬件，盡管這種模擬很徹底很干凈，但它效率低代碼最復(fù)雜。在半虛擬化模式中，guest和 VMM共同合作，模擬更加高效。

IO全虛擬化使用QEMU軟件模擬

1.當(dāng)虛擬機(jī)進(jìn)行I/O操作時(shí)，根據(jù)《也談Intel的cpu虛擬化》我們知道，虛擬機(jī)通過VM exit將cpu控制權(quán)返回給VMM，從而陷入到root模式下的ring0內(nèi)的VMM，進(jìn)行”陷入模擬“。

2.將本次I/O請(qǐng)求的信息存放到IO共享頁，QEMU從IO共享頁讀取信息后由硬件模擬代碼來模擬出本次的IO操作，并調(diào)用內(nèi)核中的硬件驅(qū)動(dòng)把IO請(qǐng)求發(fā)送到物理硬件，完成之后將結(jié)果放回到IO共享頁。

3.KVM模塊中的捕獲代碼讀取IO共享頁中的結(jié)果，把結(jié)果返回到guest。

4.通過VM entry，guest再次獲得cpu控制權(quán)，根據(jù)IO返回的結(jié)果進(jìn)行處理。

說明：VMM和guest的IO信息共享不光IO共享頁一種，還可以使用DMA。QEMU不把IO結(jié)果放到IO共享頁中，而是通過DMA將結(jié)果直接寫到guest的內(nèi)存中去，然后通過KVM模塊告訴客戶機(jī)DMA操作已經(jīng)完成。

下面這張圖（來自網(wǎng)絡(luò)）是軟件模擬IO的流程圖：

IO半虛擬化virtio

guest和host使用使用virtio前后端的技術(shù)減少了guest IO時(shí)的VM Exit（guest和host的上下文切換）并且使guest和host能并行處理IO來提高throughput和減少latency。但是IO的路徑并沒有比全虛擬化技術(shù)減少。下面是virtio的IO路徑：

guest在IO請(qǐng)求時(shí)，首先guest需要切換到host kernel，然后host kernel會(huì)切換到hyperisor來處理guest的請(qǐng)求，hypervisor通過系統(tǒng)調(diào)用將數(shù)據(jù)包發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)后切換回host kernel，然后再切換回guest。這個(gè)長(zhǎng)IO路徑和全虛擬化時(shí)相同的，只是減少了VM exit和VM entry。

vhost

為了解決virio的IO路徑太長(zhǎng)的問題，vhost產(chǎn)生了。它是位于host kernel的一個(gè)模塊，用于和guest直接通信，所以數(shù)據(jù)交換就在guest和host kernel間進(jìn)行，減少了上下文的切換。vhost相對(duì)與virto架構(gòu)，把virtio驅(qū)動(dòng)后端驅(qū)動(dòng)從用戶態(tài)放到了內(nèi)核態(tài)中（vhost的內(nèi)核模塊充當(dāng)virtiO后端驅(qū)動(dòng)）

下面這張圖（來自redhat）描述了在virtio和vhost（vhost-net時(shí)vhost架構(gòu)中的網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)）架構(gòu)下內(nèi)核的不同工作流程：

下面這張圖（來自intel）介紹了vhost工作原理：

vhost-user

vhost-user和vhost類似，只是使用一個(gè)用戶態(tài)進(jìn)程vhost-user代替了內(nèi)核中的vhost模塊。vhost-user進(jìn)程和Guset之間時(shí)通過共享內(nèi)存的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。vhost-user相對(duì)與vhost架構(gòu)，把virtio驅(qū)動(dòng)后端驅(qū)動(dòng)從內(nèi)核態(tài)又放回到了用戶態(tài)中（vhost-user進(jìn)程充當(dāng)virtiO后端驅(qū)動(dòng)）。

下面這張圖（來自intel）介紹了vhost-user的工作原理：

總結(jié)

io虛擬化經(jīng)歷了從全虛擬化io到半虛擬化virtio。半虛擬化的后端驅(qū)動(dòng)又經(jīng)歷了從VMM中到內(nèi)核中，從內(nèi)核中到用戶空間中的過程。

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