vhost-user

1，virtqueue

图一

每个queue实际上是由tx/rx两个virtqueue组成的也就是说tx和rx的virtqueue是分开的，并没有共享。一个virtio net设备最多有多少个queue由后端vhost决定，但前端可以通过ethtool –L eth0 combined 16命令动态修改当前队列数，每个queue有多少个描述符(即队列深度)是由前端决定。一个queue里有3个关键的数据实体：

descriptor table：描述符表，每个描述符指明了缓冲区的位置，长度，以及与后面描述符的串联情况。描述符在描述符表中的位置就是它的ID，available/used ring用ID来引用描述符。

used ring：已用描述符环，在tx queue (vm tx and vhost rx) 中，被vhost用来归还已发送报文的描述符给vm，在rx queue (vhost tx and vm rx) 中，被vhost用来填充发送给vm的报文，由上可知，used ring始终是vhost在写，而vm在读。

available ring：可用描述符环，在tx queue (vm tx and vhost rx) 中，被vm用来填充发送给vhost的报文，在rx queue (vhost tx and vm rx) 中，被vm用来填充空的缓冲区给vm以接收新报文，由上可知，available ring始终是vm在写，而vhost在读。

vm和vhost共享的能同时看到的内存区就是上述3个数据实体：descriptor table，used ring，available ring，而struct virtqueue中其他数据结构都只是vhost本地的数据，vm看不到。考虑到数据的一致性，vhost操作available ring和used ring的原则是：

最先读取available ring的idx，把它保存为局部变量，之后在单轮burst收发过程中不再读取avail ring的idx。
最后写入used ring的idx：无论是tx (vm tx and vhost rx)时归还已发送报文的描述符还是在rx (vm rx and vhost tx)时填充发送给vm的报文，都应在所有操作完成后改变used ring的idx，因为一旦改变，理论上vm就可以看到。

无论是vhost还是vm，他们都可以工作在interrupt和polling两种模式之一：

interrupt意味着需要发消息给对方，对方才知道avail / used ring中的数据有变化，需要通知对方时，vq->callfd用于vhost通知vm，而vq->kickfd用于vm通知vhost。
polling意味着对端一直在轮询avail / used ring，所以无需发消息对端就能只能知道avail / used ring的变化。

dpdk vhost user显然是工作在polling模式，所以vq->used->flags上会有VRING_USED_F_NO_NOTIFY标识。这也就是说vm操作available ring导致变化时并不需要发消息给vhost。传统的vm virtio net驱动是工作在interrupt模式，所以vq->avail->flags默认为0而没有VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT标识。这也就是说vhost操作used ring导致变化时需要发消息通知vm。当然虚拟机里面也可以运行dpdk vhost user驱动，这时vm就是工作在polling模式了，这时vq->avail->flags就会带上VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT标识。这也就是说vhost操作used ring导致变化时无需要发消息通知vm。

图二

tx (vm tx and vhost rx)时ring的使用：

前后端共享区域：vq->avail.ring[x]存放vm发送给vhost的报文，vq->avail.idx指示available ring中vm发送给vhost的报文的头部位置，也就是vm放下一个filled buffer的位置。vq->used.ring[x]存放vhost发送完报文后归还给vm的描述符，vq->used.idx指示used ring中vhost归还给vm的描述符的头部位置，也就是vhost放下一个used buffer的位置。

vhost私有区域：vq->last_avail_idx记录vhost从available ring中取下一个vm发过来的报文的位置，vq->last_used_idx记录used ring中vhost归还下一个used buffer描述符的位置，这个值最终是会等于vq->used->idx。

rx (vm rx and vhost tx)时ring的使用：

前后端共享区域：vq->avail.ring[x]存放vm发送给vhost的用以接收新报文的empty buffer，vq->avail.idx指示available ring中vm发送给vhost的empty buffer的头部位置，也就是vm放下一个empty buffer的位置。vq->used.ring[x]存放vhost发送给vm的报文filled buffer，vq->used.idx指示used ring中vhost发给vm的报文的头部位置，也就是vhost放下一个报文filled buffer的位置。

vhost私有区域：vq->last_avail_idx记录vhost从available ring中取下一个vm发过来的empty buffer的位置，vq->last_used_idx记录used ring中vhost填充下一个发给vm的报文filled buffer描述符的位置，这个值最终是会等于vq->used->idx。vq->shadow_used_idx表示在报文copy之前预取了多少个empty buffer，vq->shadow_used_ring在报文copy之前预取的empty buffer都放在这里包括描述符的索引及长度。

ring的idx索引：

需要注意的是ring的大小就是queue的大小，即vq->size，这个值一般不大，典型值为256. 但是vq->used->idx, vq->avail->idx, vq->last_used_idx, vq->last_avail_idx这些索引并不会限于vq->size，它们是单方向增长的，也就是会一直增加直到超出uint16_t的范围溢出再从0开始。可看做是在一条无止境的射线上。只有拿这些index真正去索引vq->used->ring[x]和vq->avail->ring[x]时才需要将这些索引与(vq->size - 1)进行与操作：ring [index & (vq->size - 1)]。无论是tx还是rx，索引的大小关系是恒定的，即使是uint16_t溢出： vq->used->idx < vq->last_used_idx < vq->last_avail_idx < vq->avail->idx，所以我们可以用 vq->avail->idx - vq->last_used_idx 表示还可以发送多少个报文给vm而不需要考虑这2个数之间的大小和绕卷。

2，vhost user与qemu的消息交互

图三

2.1，vhost_user_msg_handler(vid, fd)

dev = get_device(vid)
read_vhost_message(fd, &msg)read_fd_message(sockfd, msg, msg->fds)recvmsg(sockfd, &msgh, 0)cmsg = CMSG_FIRSTHDR(&msgh)memcpy(fds, CMSG_DATA(cmsg), fdsize)read(sockfd, &msg->payload, msg->size)

读取来自QEMU的vhost消息，然后根据msg.request进行对应处理 switch (msg.request)：

2.2，VHOST_USER_GET_FEATURES

msg.payload.u64 = VHOST_FEATURES
send_vhost_message

返回vhost支持的virtio-net功能子集它来自全局变量VHOST_FEATURES。

2.3，VHOST_USER_SET_FEATURES

dev->features = features
dev->vhost_hlen = sizeof(struct virtio_net_hdr_mrg_rxbuf)

检查功能掩码，设置vhost和virtio前端共同支持的特性，需要两者同时支持才能生效，同时根据dev->features里是否包含VIRTIO_NET_F_MRG_RXBUF设置virtio net header的长度。

2.4，VHOST_USER_RESET_OWNER

dev->flags &= ~VIRTIO_DEV_RUNNING
notify_ops->destroy_device(dev->vid)
cleanup_device(dev, 0); reset_device(dev);

当前进程释放对设备的所有权，这一步也会同时destroy设备。

2.5，VHOST_USER_SET_MEM_TABLE

vhost_user_set_mem_table

dev->guest_pages = malloc(dev->max_guest_pages *sizeof(struct guest_page))
dev->mem = rte_zmalloc(sizeof(struct virtio_memory) + sizeof(struct virtio_memory_region) * nregions)
dev->mem->nregions = memory.nregions
Iterate every memory region in message: fd = pmsg->fds[i]; reg = &dev->mem->regions[i];
reg->guest_phys_addr = memory.regions[i].guest_phys_addr
reg->guest_user_addr = memory.regions[i].userspace_addr
reg->size = memory.regions[i].memory_size; reg->fd = fd
reg->mmap_addr = mmap(mmap_size, READ | WRITE, MAP_SHARED | MAP_POPULATE, fd)
reg->mmap_size = RTE_ALIGN_CEIL((reg->size + memory.regions[i].mmap_offset), alignment)
reg->host_user_addr = reg->mmap_addr + mmap_offset
add_guest_pages(dev, reg, alignment)

add_guest_pages(dev, reg, alignment)

host_phys_addr = rte_mem_virt2phy(reg->host_user_addr)
add_one_guest_page(dev, guest_phys_addr, host_phys_addr, size)page = &dev->guest_pages[dev->nr_guest_pages++]page->guest_phys_addr = guest_phys_addrpage->host_phys_addr = host_phys_addrpage->size = size

设置内存空间布局信息，用于报文收发时的地址转换。

虚拟机是以一个进程的形式运行的，虚拟机内部看到的物理地址空间(guest phys addr)实际上是虚拟机所在进程的虚拟地址空间。虚拟机所发出的报文描述符携带的是guest phys addr，这是虚拟机所在进程的虚拟地址空间。为了能在vhost user这个进程访问到虚拟机的guest phys addr，vhost user必须把虚拟机的guest phys addr空间映射到自己的虚拟地址空间来，vhost user自己的虚拟地址空间称作host user addr。这个映射以共享内存的方式进行：qemu把虚拟机的guest phys addr以文件描述符fd_vm的形式告诉vhost user，vhost user再用mmap把这个fd_vm映射到自己的虚拟地址空间host user addr。这样vhost user就可以像访问自己的数据一样去访问报文了。

guest phys addr到host user addr的转换主要靠dev->mem->regions[x]进行(参考图二里的virtio_memory)：

.guest_phys_addr qemu通过消息告诉vhost user的虚拟机所看到的物理地址空间，也就是虚拟机所在进程的虚拟机地址空间。
.guest_user_addr 这是guest phys addr映射到qemu的虚拟地址空间中的地址。
.host_user_addr 这是把虚拟机所在进程的虚拟机地址空间通过mmap映射到vhost user进程后的地址。
.size 内存区块的大小。
.mmap_addr 这个地址即是mmap返回的地址，它与host_user_addr仅仅相差一个mmap_offset.fd 代表虚拟机所在进程的虚拟地址空间，是一个命名的共享内存块。

gpa_to_vva：vhost user把虚拟机发送的报文copy到mbuf时，首先需要把报文描述符内的guest phys addr转换成vhost user能访问的host user addr。

当zero copy开启时，vhost user直接把虚拟机发过来的报文转发给host主机上网卡，而不进行copy。这个时候涉及到2层地址转换：将虚拟机的guest phys addr转换成vhost user所能直接访问的host user addr，这一步即通过上面所述的共享内存mmap形式进行；host主机上的网卡并不能直接访问host user addr，因为它是vhost user进程的虚拟地址空间，所以vhost user在发送报文时还需把host user addr转换为host phys addr。这一步是通过访问vhost user进程自己的页表/proc/vhost_user_pid/pagemap来进行翻译的。

guest phys addr到host phys addr的转换主要靠dev->guest_pages[x]进行(参考图二里的guest_page)

.guest_phys_addr qemu通过消息告诉vhost user的虚拟机所看到的物理地址空间，也就是虚拟机所在进程的虚拟机地址空间。
.host_phys_addr 这是网卡所能访问的主机物理地址空间，它通过读取vhost user进程的页表 /proc/vhost_user_pid/pagemap翻译得到。
.size 内存区块的大小。

gpa_to_hpa：vhost user进行zero copy直接把虚拟机发过来的报文转发给host上的物理网卡时需要把报文描述符内的guest phys addr转换成网卡能访问的host phys addr。

2.6，VHOST_USER_SET_VRING_NUM

vq = dev->virtqueue[state->index]
vq->size = state->num
if (dev->dequeue_zero_copy) vq->zmbufs = rte_zmalloc(vq->zmbuf_size * sizeof(struct zcopy_mbuf))
vq->shadow_used_ring = rte_malloc(vq->size * sizeof(struct vring_used_elem))

vhost记录某个虚拟队列的大小，即描述符的个数。同时为每个描述符分配一个struct zcopy_mbuf结构，以在zero copy时把mbuf和描述符关联起来。

2.7，VHOST_USER_SET_VRING_ADDR

vq = dev->virtqueue[addr->index]
vq->desc = qva_to_vva(dev,addr->desc_user_addr)
vq->avail = qva_to_vva(dev,addr->avail_user_addr)
vq->used = qva_to_vva(dev,addr->used_user_addr)

由qemu发送virtqueue结构的descriptor table, available ring, used ring虚拟地址，vhost user将该地址转换成vhost user的虚拟地址。qva_to_vva()：

2.8，VHOST_USER_SET_VRING_BASE

dev->virtqueue[state->index]->last_used_idx = state->num
dev->virtqueue[state->index]->last_avail_idx = state->num

设置某个虚拟队列的last_used_idx和last_avail_idx的初始值，vhost通过该索引值找到初始描述符。

2.9，VHOST_USER_GET_VRING_BASE

vhost_user_get_vring_base(struct vhost_vring_state *state)：

vq = dev->virtqueue[state->index]
dev->flags &= ~VIRTIO_DEV_RUNNING
notify_ops->destroy_device(dev->vid)
state->num = vq->last_used_idx
close(vq->kickfd)
if (dev->dequeue_zero_copy) free_zmbufs(vq)
rte_free(vq->shadow_used_ring)
send_vhost_message

将虚拟队列的当前last_used_idx值发送给qemu。这个消息只有在qemu将要关闭这个虚拟队列时才发送，所以vhost user要做一些关闭时的清理动作：

1, 调用notify_ops->destroy_device(dev->vid)通知ovs即将关闭virtio net设备。
2, close(vq->kickfd)：打开vq->kickfd表示启用虚拟队列，关闭表示停止虚拟队列。
3, 释放为虚拟队列中每个描述符分配的struct zcopy_mbuf结构。

2.10，VHOST_USER_SET_VRING_KICK

index = pmsg->payload.u64;
fd = pmsg->fds[0]
vq = dev->virtqueue[file.index];
vq->kickfd = file.fd
if (virtio_is_ready(dev)) notify_ops->new_device(dev->vid)

传递eventfd文件描述符kickfd。当guest有新的数据要发送时写PCI BAR空间中的notification capability，这是一个doorbell会引发vm-exit陷入host kvm，之后KVM根据发生page fault的MMIO地址找到关联的ioeventfd，这就是之前QEMU注册的kickfd。kickfd被QEMU传递给vhost-user后其一端是KVM另一端是vhost-user，所以KVM将kickfd变为ready后vhost-user就会被唤醒。通过该文件描述符通知vhsot接收数据并发送到目的地；vhost使用eventfd代理模块把这个文件描述符从qemu上下文切换到自己的进程上下文。kickfd用于虚拟机通知vhost user，但是由于当前dpdk采用polling模式，这个kickfd实际未使用。目前kickfd的唯一用途是：打开vq->kickfd表示启用虚拟队列，关闭表示停止虚拟队列。

2.11，VHOST_USER_SET_VRING_CALL

index = pmsg->payload.u64;
fd = pmsg->fds[0]
vq = dev->virtqueue[file.index];
vq->callfd = file.fd

传递eventfd文件描述符callfd。使vhost能够在完成对新的数据包接收或有新数据发送到虚拟机时，通过中断方式通知guest准备回收缓冲区或接收数据包。使用eventfd代理模块把这个文件描述符从qemu上下文切换到自己的进程上下文。callfd用于vhost user通知虚拟机，它的一端是vhost-user另一端是KVM，当vhost-user将callfd变为ready后KVM会在vm-entry时向VM注入一个MSIX中断。

2.12，VHOST_USER_GET_QUEUE_NUM

msg.payload.u64 = VHOST_MAX_QUEUE_PAIRS
send_vhost_message

返回virtio net设备的队列数，每个队列对应了2个struct vhost_virtqueue *vq，称之为queue pair，一个为rx queue，一个为tx queue。

2.13，VHOST_USER_SET_VRING_ENABLE

notify_ops->vring_state_changed(dev->vid, state->index, enable)
dev->virtqueue[state->index]->enabled = enable

当虚拟队列准备好启用时，qemu发送此消息enable此虚拟队列。

2.14，VHOST_USER_SEND_RARP

mac = (uint8_t *)&msg->payload.u64
memcpy(dev->mac.addr_bytes, mac, 6)
dev->broadcast_rarp = 1

当虚拟机发生迁移时需要构造一个rarp报文并广播到各个交换机以让虚拟机学习虚拟机的新地址。此处并不直接发送rarp报文，而仅在dev->broadcast_rarp做一下标记，之后在rte_vhost_dequeue_burst()从虚拟机收包时插入一个rarp报文，并随同虚拟机要发送的报文一起发送(广播)。

3，初始化

当使用vhost-user时，需要在系统中创建一个unix domain socket server，用来处理qemu发送给host的消息。如果有新的socket连接，说明guest创建了新的virtio-net设备，vhost驱动会为之创建一个vhost设备，之后qemu就可以通过socket和vhost进行通信了；当socket关闭，vhost就会销毁对应的设备。

初始化首先是从struct netdev_class dpdk_vhost_class->init()开始，即netdev_dpdk_vhost_class_init()。

第一步首先是调用rte_vhost_driver_callback_register注册了一些事件回调函数：

new_device(int vid) ：新的virtio net设备准备好时的回调函数。
destroy_device(int vid) ：virtio net设备关闭时的回调函数。
vring_state_changed(int vid, uint16_t queue_id, int enable)：virtio net设备的某个queue开启/关闭的回调函数。

第二步是调整了一下默认的virtio net feature。

第三步是起了一个线程轮询各个socket，这包括作为server 的socket，以及client连上来的socket这些fd是在调用rte_vhost_driver_register的过程中逐步添加到全局变量vhost_user的。

当virtio端口被添加后会调用struct netdev *netdev->class->construct()即netdev_dpdk_vhost_construct。

对于vhost server而言，它会起一个socket开始监听来自qemu的连接，有client连过来以后会创建一个struct virtio_net设备放在全局变量vhost_user里，同时开始监听来自client的消息。对于vhost client而言，它会主动去连接vhost server，同时也会创建一个struct virtio_net设备放在全局变量vhost_user里，同时开始监听来自server的消息。无论是server还是client，其消息的处理都是在函数vhost_user_msg_handler里处理的(见2.1)。

4，发包流程

这里的发包是指前端guest os driver收包，后端dpdkvhostuser发包。发包对上API是netdev_send()，它实际上调用了netdev_dpdk_vhost_send() -> rte_vhost_enqueue_burst()，当双方支持VIRTIO_NET_F_MRG_RXBUF 功能时，即guest os driver能接收保存在一个描述符数组内的包，则调用virtio_dev_merge_rx() 把包发driver。若不支持上述功能，则调用virtio_dev_rx() 把包发给driver。

4.1，virtio_dev_merge_rx

vq = dev->virtqueue[queue_id];for (pkt_idx = 0; pkt_idx < count; pkt_idx++) {uint32_t pkt_len = pkts[pkt_idx]->pkt_len + vq->vhost_hlen;reserve_avail_buf_mergeable(vq, pkt_len, &start, &end);nr_used = copy_mbuf_to_desc_mergeable(dev, vq, start, end, pkts[pkt_idx]);rte_smp_wmb();while (unlikely(vq->last_used_idx != start)) rte_pause();*(volatile uint16_t *)&vq->used->idx += nr_used;vhost_log_used_vring(dev, vq, offsetof(struct vring_used, idx), sizeof(vq->used->idx));vq->last_used_idx = end;
}rte_mb();if (!(vq->avail->flags & VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT) && (vq->callfd >= 0))eventfd_write(vq->callfd, (eventfd_t)1);

这里整体的逻辑是遍历每一个mbuf，调用reserve_avail_buf_mergeable()为每一个mbuf预留分配足够的描述符，同时记录描述符预留区间 [start, end]，再调用copy_mbuf_to_desc_mergeable()将包填充到上面分配到的描述符中。之后调用flush_shadow_used_ring(dev, vq)把vq->shadow_used_ring[x]数组中预取的描述符copy到vq->used->ring[x]中从vq->last_used_idx开始的位置，更新vq->last_used_idx += vq->shadow_used_idx, 调用rte_smp_wmb()写屏障之后更新vq->used->idx += vq->shadow_used_idx，至此，guest os虚拟机就能看到新发送的报文了。如果driver没有禁止中断，即vq->avail->flags 上没有 VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT 标识，则调用 eventfd_write(vq->callfd) 通知guest os driver收到了包。

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copy_mbuf_to_desc_mergeable：

desc_addr = gpa_to_vva(dev, vq->buf_vec[vec_idx].buf_addr);
rte_prefetch0((void *)(uintptr_t)desc_addr);virtio_hdr.num_buffers = res_end_idx - res_start_idx;
virtio_enqueue_offload(m, &virtio_hdr.hdr);
copy_virtio_net_hdr(vq, desc_addr, virtio_hdr);
vhost_log_write(dev, vq->buf_vec[vec_idx].buf_addr, vq->vhost_hlen);

所有分配到的描述符已经放在了vq->buf_vec[ ]中，所以这里直接从vq->buf_vec[ ]取描述符。见reserve_avail_buf_mergeable()。desc->addr是guest os driver填充的地址，它是guest os的物理地址即GPA。但是当前的代码运行在ovs中，所以需要将其转换为vhost地址空间虚拟地址即VVA。desc_addr = gpa_to_vva(dev, vq->buf_vec[vec_idx].buf_addr)。

更新virtio_net_hdr.num_buffers记录当前包所占用的描述符的个数。

virtio_enqueue_offload()用于初始化virtio_net_hdr中的offload相关域，如果m_buf->ol_flags上有PKT_TX_TCP/UDP/SCTP_CKSUM等标识位则更新virtio_net_hdr->flags/csum_start/csum_offset。如果m_buf->ol_flags上有PKT_TX_TCP_SEG标识位则更新virtio_net_hdr->gso_type/gso_size/hdr_len。

copy_virtio_net_hdr()将virtio_net_hdr写入描述符。

desc_avail  = vq->buf_vec[vec_idx].buf_len - vq->vhost_hlen;
desc_offset = vq->vhost_hlen;mbuf_avail  = rte_pktmbuf_data_len(m);
mbuf_offset = 0;
while (mbuf_avail != 0 || m->next != NULL) {/* done with current desc buf, get the next one */if (desc_avail == 0) {desc_idx = vq->buf_vec[vec_idx].desc_idx;if (!(vq->desc[desc_idx].flags & VRING_DESC_F_NEXT)) {/* Update used ring with desc information */used_idx = cur_idx++ & (vq->size - 1);vq->used->ring[used_idx].id  = desc_idx;vq->used->ring[used_idx].len = desc_offset;vhost_log_used_vring(dev, vq, offsetof(struct vring_used, ring[used_idx]), sizeof(vq->used->ring[used_idx]));}vec_idx++;desc_addr = gpa_to_vva(dev, vq->buf_vec[vec_idx].buf_addr);/* Prefetch buffer address. */rte_prefetch0((void *)(uintptr_t)desc_addr);desc_offset = 0;desc_avail  = vq->buf_vec[vec_idx].buf_len;}/* done with current mbuf, get the next one */if (mbuf_avail == 0) {m = m->next;mbuf_offset = 0;mbuf_avail  = rte_pktmbuf_data_len(m);}cpy_len = RTE_MIN(desc_avail, mbuf_avail);rte_memcpy((void *)((uintptr_t)(desc_addr + desc_offset)), rte_pktmbuf_mtod_offset(m, void *, mbuf_offset), cpy_len);vhost_log_write(dev, vq->buf_vec[vec_idx].buf_addr + desc_offset, cpy_len);mbuf_avail  -= cpy_len;mbuf_offset += cpy_len;desc_avail  -= cpy_len;desc_offset += cpy_len;
}used_idx = cur_idx & (vq->size - 1);
vq->used->ring[used_idx].id = vq->buf_vec[vec_idx].desc_idx;
vq->used->ring[used_idx].len = desc_offset;
vhost_log_used_vring(dev, vq, offsetof(struct vring_used, ring[used_idx]), sizeof(vq->used->ring[used_idx]));

mbuf 可能是一个链表，第一个mbuf -> pkt_len 是总的包长，每个mbuf->data_len表示这个mbuf内的数据长度，描述符也可能是一个链表，每个desc->len表示这个描述符可存储的数据长度。因为所有描述符都已被记录在vq->buf_vec[ ]中，所以取描述符时只需依次从vq->buf_vec[ ]中取。

填充数据包时遍历每一个mbuf，将其mbuf->data_len指示的数据长度复制到描述符中。一个mbuf被写完时遍历到下一个mbuf->next。当一个描述符被用完时遍历到下一个描述符vq->buf_vec[++vec_idx]。当前描述符有VRING_DESC_F_NEXT标识时下一个描述符来自desc->next，当前描述符没有VRING_DESC_F_NEXT标识时下一个描述符来自available ring 中预留的下一个描述符。

一个由desc->next链接起来的描述符链表在available ring和used ring中只占据一个数组索引，被当做单一逻辑描述符，它是由guest os driver分配的。与之不同的是，virtio device用virtio_net_hdr->num_buffers串联起几个描述符(包括上面guest os driver分配的描述符链表)。前一种串联方式在guest os driver和virtio device两边都是默认支持的。而后一种串联方式只有在两边协商了VIRTIO_NET_F_MRG_RXBUF功能时才支持。

4.2，virtio_dev_rx

vq = dev->virtqueue[queue_id];count = reserve_avail_buf(vq, count, &res_start_idx, &res_end_idx);
rte_prefetch0(&vq->avail->ring[res_start_idx & (vq->size - 1)]);
for (i = 0; i < count; i++) {desc_indexes[i] = vq->avail->ring[(res_start_idx + i) & (vq->size - 1)];
}rte_prefetch0(&vq->desc[desc_indexes[0]]);
for (i = 0; i < count; i++) {err = copy_mbuf_to_desc(dev, vq, pkts[i], desc_idx, &copied);vq->used->ring[used_idx].id = desc_idx;if (unlikely(err)) { vq->used->ring[used_idx].len = vq->vhost_hlen; }else { vq->used->ring[used_idx].len = copied + vq->vhost_hlen; }vhost_log_used_vring(dev, vq, offsetof(struct vring_used, ring[used_idx]), sizeof(vq->used->ring[used_idx]));if (i + 1 < count) rte_prefetch0(&vq->desc[desc_indexes[i+1]]);
}rte_smp_wmb();while (unlikely(vq->last_used_idx != res_start_idx))rte_pause();*(volatile uint16_t *)&vq->used->idx += count;
vq->last_used_idx = res_end_idx;
vhost_log_used_vring(dev, vq, offsetof(struct vring_used, idx), sizeof(vq->used->idx));/* flush used->idx update before we read avail->flags. */
rte_mb();/* Kick the guest if necessary. */
if (!(vq->avail->flags & VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT) && (vq->callfd >= 0))eventfd_write(vq->callfd, (eventfd_t)1);

这里整体的逻辑是：首先调用reserve_avail_buf()从available ring中预留empty buffer，同时记录预留区间 [res_start_idx, res_end_idx]。接着cache预取第一个描述符 rte_prefetch0()。调用copy_mbuf_to_desc()填充上面分到的描述符。将填充后的描述符放到used->ring[ ]中，注意这里放在used ring中的位置跟empty buffer的预留区间是一样的，即used->ring [res_start_idx, res_end_idx]。这也就是说一个描述符从available ring中移到used ring时其index索引位置是不变的。调用rte_smp_wmb()写屏障确保前面的乱序写已完成，再rte_pause() 等待vq->last_used_idx进入自己的预留区间，即等待vq->last_used_idx == res_start_idx，更新 vq->used->idx 和 vq->last_used_idx，调用rte_mb()内存屏障在读取vq->avail->flags之前确保vq->used->idx已被更新到内存。最后如果driver没有禁止中断，即vq->avail->flags 上没有F_NO_INTERRUPT 标识，则调用 eventfd_write(vq->callfd) 通知guest os driver收到了包。

copy_mbuf_to_desc：

desc_offset = vq->vhost_hlen;
desc_avail  = desc->len - vq->vhost_hlen;*copied = rte_pktmbuf_pkt_len(m);
mbuf_avail  = rte_pktmbuf_data_len(m);
mbuf_offset = 0;
while (mbuf_avail != 0 || m->next != NULL) {/* done with current mbuf, fetch next */if (mbuf_avail == 0) {m = m->next;mbuf_offset = 0;mbuf_avail  = rte_pktmbuf_data_len(m);}/* done with current desc buf, fetch next */if (desc_avail == 0) {if ((desc->flags & VRING_DESC_F_NEXT) == 0) { return -1; }if (unlikely(desc->next >= vq->size)) return -1;desc = &vq->desc[desc->next];desc_addr   = gpa_to_vva(dev, desc->addr);desc_offset = 0;desc_avail  = desc->len;}cpy_len = RTE_MIN(desc_avail, mbuf_avail);rte_memcpy((void *)((uintptr_t)(desc_addr + desc_offset)), rte_pktmbuf_mtod_offset(m, void *, mbuf_offset), cpy_len);vhost_log_write(dev, desc->addr + desc_offset, cpy_len);mbuf_avail  -= cpy_len;mbuf_offset += cpy_len;desc_avail  -= cpy_len;desc_offset += cpy_len;
}

mbuf 可能是一个链表，第一个mbuf -> pkt_len 是总的包长，每个mbuf->data_len表示这个mbuf内的数据长度，描述符也可能是一个链表，每个desc->len表示这个描述符可存储的数据长度，填充数据包时遍历每一个mbuf，将其mbuf->data_len指示的数据长度复制到描述符中。一个mbuf被写完时遍历到下一个mbuf->next。当一个描述符被用完时遍历到下一个描述符desc->next。注意只有desc->flags 上有 VRING_DESC_F_NEXT标识时才能使用下一个描述符。

5，收包流程

这里的收包是指前端guest os driver发包，后端dpdkvhostuser收包。发包对上API是netdev_rxq_recv(rxq, batch)，它实际上调用了netdev_dpdk_vhost_rxq_recv() -> rte_vhost_dequeue_burst()：

if (unlikely(rte_atomic16_cmpset((volatile uint16_t *) & dev->broadcast_rarp.cnt, 1, 0))) {rarp_mbuf = rte_pktmbuf_alloc(mbuf_pool);make_rarp_packet(rarp_mbuf, &dev->mac);
}count = vq->avail->idx - vq->last_used_idx;/* Retrieve all of the head indexes first to avoid caching issues. */
for (i = 0; i < count; i++) { desc_indexes[i] = vq->avail->ring[(vq->last_used_idx + i) & (vq->size - 1)]; }/* Prefetch descriptor index. */
rte_prefetch0(&vq->desc[desc_indexes[0]]);
rte_prefetch0(&vq->used->ring[vq->last_used_idx & (vq->size - 1)]);for (i = 0; i < count; i++) {pkts[i] = rte_pktmbuf_alloc(mbuf_pool);copy_desc_to_mbuf(dev, vq, pkts[i], desc_indexes[i], mbuf_pool);used_idx = vq->last_used_idx++ & (vq->size - 1);vq->used->ring[used_idx].id  = desc_indexes[i];vq->used->ring[used_idx].len = 0;vhost_log_used_vring(dev, vq, offsetof(struct vring_used, ring[used_idx]), sizeof(vq->used->ring[used_idx]));
}rte_smp_wmb();
rte_smp_rmb();
vq->used->idx += i;
vhost_log_used_vring(dev, vq, offsetof(struct vring_used, idx), sizeof(vq->used->idx));/* Kick guest if required. */
if (!(vq->avail->flags & VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT) && (vq->callfd >= 0)) eventfd_write(vq->callfd, (eventfd_t)1);

如果该报文是虚机迁移以来的第一个报文则需要构造一个RARP广播包放在pkts[0]，用以刷新switch的mac learning table。vq->avail->idx指向了guest os driver发送的包的末尾，vq->last_avail_idx指向了上次virtio device已读取包的末尾，这两者之间的描述符就是guest os driver已发送但virtio device还未处理的包。而vq->last_used_idx指向了下一次归还用过的报文的位置。每次最多发送MAX_PKT_BURST个报文。把所有准备发送的报文的描述符copy到局部变量desc_indexes[x]数组中，同时把这些描述符copy到vq->used->ring[x]中vq->last_used_idx指向的开始位置。对于每一个需要接收的描述符，分配一个mbuf，调用copy_desc_to_mbuf()将描述符内的包内容copy到mbuf中。vq->last_used_idx是在used ring里还描述符开始的位置，现已还完发送的报文，所以将其移至下一次还描述符开始的位置。调用读写屏障后更新vq->used->idx，加上所还掉的描述符个数。如果driver没有禁止中断，即vq->avail->flags 上没有 VRING_AVAIL_F_NO_INTERRUPT 标识，则调用 eventfd_write(vq->callfd) 通知guest os driver返还了已用过的包缓冲区。

copy_desc_to_mbuf：

desc = &vq->desc[desc_idx];
desc_addr = gpa_to_vva(dev, desc->addr);
rte_prefetch0((void *)(uintptr_t)desc_addr);/* Retrieve virtio net header */
hdr = (struct virtio_net_hdr *)((uintptr_t)desc_addr);
desc_avail  = desc->len - vq->vhost_hlen;
desc_offset = vq->vhost_hlen;mbuf_offset = 0;
mbuf_avail  = m->buf_len - RTE_PKTMBUF_HEADROOM;

desc->addr是guest os driver填充的地址，它是guest os的物理地址即GPA。但是当前的代码运行在ovs中，所以需要将其转换为vhost地址空间虚拟地址即VVA。desc_addr = gpa_to_vva(dev, desc->addr)。guest os driver发过来的包前面是一个virtio_net_hdr，之后再紧跟包的具体内容进行报文copy之前需要先跳过virtio_net_hdr。

while (desc_avail != 0 || (desc->flags & VRING_DESC_F_NEXT) != 0) {/* This desc reaches to its end, get the next one */if (desc_avail == 0) {desc = &vq->desc[desc->next];desc_addr = gpa_to_vva(dev, desc->addr);rte_prefetch0((void *)(uintptr_t)desc_addr);desc_offset = 0;desc_avail  = desc->len;}if (mbuf_avail == 0) {cur = rte_pktmbuf_alloc(mbuf_pool);prev->next = cur;prev->data_len = mbuf_offset;m->nb_segs += 1;m->pkt_len += mbuf_offset;prev = cur;mbuf_offset = 0;mbuf_avail  = cur->buf_len - RTE_PKTMBUF_HEADROOM;}cpy_len = RTE_MIN(desc_avail, mbuf_avail);rte_memcpy(mbuf_offset(cur, mbuf_offset), (desc_addr + desc_offset)), cpy_len);mbuf_avail  -= cpy_len;mbuf_offset += cpy_len;desc_avail  -= cpy_len;desc_offset += cpy_len;
}

遍历所有描述符，将描述符中的内容copy到mbuf中。当前描述符copy完时遍历到下一个描述符desc->next (前提是desc->flags 上有 VRING_DESC_F_NEXT标识)。当mbuf用完时再分配：rte_pktmbuf_alloc(mbuf_pool)。注意mbuf->data_len记录了当前段的长度，而mbuf->pkt_len记录了mbuf链表所有段的长度，mbuf->nb_segs记录了mbuf链表的段数。copy时每个mbuf前面预留RTE_PKTMBUF_HEADROOM的空间用于填充各种报文头。同属一个描述符的mbuf用mbuf->next串起来形成一个逻辑包。每新加一个mbuf需更新第一个mbuf的m->nb_segs和m->pkt_len。

mbuf->buf_addr是mbuf中数据开始的位置，而mbuf->buf_len是mbuf分配的内存空间的大小。注意区分： mbuf->pkt_len : 总的包长，包含mbuf链表内所有段的长度。mbuf->data_len : 当前mbuf段的长度，mbuf->buf_len : 当前mbuf段的实际分配内存长度。每个mbuf头部都保留了一个RTE_PKTMBUF_HEADROOM的长度

prev->data_len = mbuf_offset;
m->pkt_len    += mbuf_offset;if (hdr->flags != 0 || hdr->gso_type != VIRTIO_NET_HDR_GSO_NONE)vhost_dequeue_offload(hdr, m);

最后调用vhost_dequeue_offload()用描述符中的virtio_net_hdr初始化mbuf的offload相关域。如果需要csum卸载即virtio_net_hdr->flags上有VIRTIO_NET_HDR_F_NEEDS_CSUM标识则在m_buf->ol_flags上设置PKT_TX_TCP/UDP/SCTP_CKSUM等标识位。如果需要GSO卸载即virtio_net_hdr->gso_type上有VIRTIO_NET_HDR_GSO_TCPV4/6等标识，则在m_buf->ol_flags上设置PKT_TX_TCP_SEG标识位，同时更新 m->tso_segsz = hdr->gso_size，和m->l4_len。

6，zero copy

zero copy的功能由dev->dequeue_zero_copy控制开关，它是ovs调用rte_vhost_driver_register(path, flags)时传入的flags参数决定的。正常情况下vhost从vm收包时需要先分配一个mbuf，再把vm发送的报文从描述符指向的缓冲区copy到mbuf的缓冲区。这一步最多要copy 64K字节的报文，所以有很大的overhead，这是进行zero copy原始动力。zero copy则是在vhost从vm收包时直接将mbuf的缓冲区指针指向描述符里的的缓冲区，而不是进行报文copy。除了mbuf指向描述符内的缓冲区外，为了后续归还描述符，我们需要建立mbuf与描述符的关联关系，这是用一个struct zcopy_mbuf结构来表示的。这个结构体构造好之后被插入vq->zmbuf_list关联关系链表。每次vhost从vm收包时先遍历vq->zmbuf_list关联关系链表，检查链表里每个mbuf是否已被物理网卡发送完毕，若是则可以把与mbuf关联的描述符归还给vm了。

vq->zmbufs是在收到VHOST_USER_SET_VRING_NUM消息时分配的，总共vq->size个struct zcopy_mbuf。vq->zmbuf_size等于vq->size。struct zcopy_mbuf表示了一个mbuf与描述符的关联关系：mbuf：报文所在的mbuf，它在vhost从vm收包后承载报文直到发送到物理网卡。desc_idx：报文从vm发给vhost时所关联的描述符，这是vm分配的所以也必须还给vm。in_use：为1表示这个mbuf与描述符的关联关系结构体正在使用中，这是它会被插入vq->zmbuf_list中。为0表示这是一个空闲的结构体且不在vq->zmbuf_list中。vq->zmbuf_list是一个struct zcopy_mbuf的链表，只有正在使用的mbuf与描述符的关联关系结构体才会放在这个链表中。vq->nr_zmbuf表示了这个链表的长度。vq->zmbuf_list是一个struct zcopy_mbuf的链表，只有正在使用的mbuf与描述符的关联关系结构体才会放在这个链表中。vq->nr_zmbuf表示了这个链表的长度。

6.1，关联mbuf与描述符

将mbuf内的缓冲区指针指向描述符内的缓冲区，这一步是vhost从vm收报文rte_vhost_dequeue_burst()并准备将报文从描述符copy到mbuf时进行的copy_desc_to_mbuf()：

如果dev->dequeue_zero_copy开启则不调用rte_memcpy()进行报文copy，我们只是直接将mbuf内的缓冲区指针指向描述符内的缓冲区，这里需要注意的是描述符内的缓冲区由desc->addr表示，它是一个guest phys addr，我们把它放到mbuf->buf_addr时需要转换为vhost能访问的host user addr，因为这个报文最终还要发送到物理网卡，所以还要将其转换为物理网卡能访问的host phys addr并存入mbuf->buf_physaddr。与有copy时一个mbuf可以承载多个描述符的数据内容不同，zero copy时一个mbuf只能关联一个描述符(因为只有一个mbuf->addr)，所以在mbuf->buf_addr指向desc->addr之后，把mbuf_avail设为cpy_len，这样在下一轮就需要重新分配一个mbuf了。

为mbuf与描述符的关联构建一个struct zcopy_mbuf结构并插入vq->zmbuf_list链表中，这一步是在mbuf指向描述符内的缓冲区之后进行的：

首先从vq->zmbufs数组中取一个zmbuf->in_use为0元素，zmbuf->mbuf指向表示报文的mbuf，zmbuf->desc_idx设置为表示报文的描述符然后将zmbuf插入有效关联关系链表vq->zmbuf_list，并递增vq->nr_zmbuf。这里因为有对mbuf的引用，所以需要调用rte_mbuf_refcnt_update()增加mbuf的引用计数。

6.2，回收描述符

当mbuf里的报文被物理网卡发送完毕后，与mbuf关联的描述符就可以归还给vm了。没有zero copy时，归还描述符的时间节点就是vhost从available ring取出报文copy到mbuf之后。有zero copy时，归还描述符的时间节点是在vhost从available ring取出报文之前(参考rte_vhost_dequeue_burst)。

遍历有效的mbuf描述符关联关系链表vq->zmbuf_list，检查其中的每个mbuf，如果其已被物理网卡发送完毕则其关联的描述符就可以归还给vm了。一个mbuf被物理网卡发送完毕的标识就是其引用计数为1。如果是一个mbuf chain则需chain内各个mbuf引用计数均为1。要归还的描述符即mbuf关联的描述符zmbuf->desc_idx，跟正常情况下一样，这个描述符也是要归还到vq->used->ring[x]中，归还的位置也是由vq->last_used_idx指定。 update_used_ring()就是将要归还的描述符写入used ring。描述符归还之后就可以撤销mbuf与描述符的关联关系了，这一步就是将struct zcopy_mbuf结构体从vq->zmbuf_list中移除。同时调用put_zmbuf(zmbuf)将zmbuf->in_use 设为0，并递减vq->nr_zmbuf。遍历完关联关系链表vq->zmbuf_list归还完所有描述符后就可以正式更新vq->used->idx以让vm看到归还的描述符了，这一步正是update_used_idx(dev, vq, nr_updated)所做的事。

7，参考

本文的源码分析基于DPDK 16.04

原文链接：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/540997335

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