virtio frontend and backend

1，QEMU如何模拟virtio设备

一个virtio设备被QEMU虚拟出来呈现给guest OS时，guest OS中的virtio driver是为前端，而QEMU中的virtio device是为后端。一个virtio前后端之间采用virtqueue通信，这是一种基于共享内存的通信方式。QEMU本身并不能将虚机报文发送至外部物理世界，这依赖于host OS里的物理网络设备，所以QEMU里的virtio device还需要绑定到一个host OS里的网卡。

2，QEMU中的前端设备与后端设备

在QEMU启动脚本里“qemu -device virtio-net,netdev=xxx0”这段参数用于向VM添加virtio网卡，这个设备对应着QEMU里的frontend device，它决定了设备如何呈现在VM里，比如MAC地址，queue数量，还有其他feature。前面说过QEMU模拟的virtio设备还依赖于host OS里的后端设备才能真正的往物理世界发送报文，“qemu -netdev tap,id=xxx0,vhost=on”这段参数添加一个数据面卸载至kernel vhost-net的后端virtio设备，“qemu -netdev vhost-user,id=xxx0,chardev=/var/run/tap0”这段参数添加一个数据面卸载至DPDK vhost-user的后端virtio设备，注意前后端的绑定是通过id进行的，前端使用netdev=xxx0来指定它所绑定的后端设备。

3，pci transport of virtio

virtio设备底层依赖于pci作为它的transport层。它在PCI BAR空间的寄存器布局主要靠virtio capability来描述，目前有common, notify, ISR, device specific, pci configuration access五种。每一种都由capability header内的bar/offset/length来指明在哪个PCI BAR空间以及其中的偏移和长度。QEMU为这里的每一段都注册了一个MMIO类型的MR，各有专门的响应函数。

common capability主要用于前后端交换feature，中断，队列数，每个队列的descriptor table/available ring/used ring基地址等信息，前端virtio driver分配好每个virtqueue的descriptor table/available ring/used ring，再将其内存起始地址写入上面的MMIO寄存器。每次guest OS virtio driver对它们的写都是一次MMIO写操作，都会导致vm-exit进而陷入QEMU响应MMIO操作。注意这里交换指定队列信息前guest OS virtio driver需要先设置queue_select。

前端通知后端：notification用于guest 通知(kick) host有新数据放入virtqueue，需要host来处理。如果device_status表明后端处于polling模式则guest OS virtio driver无需通过写queue x notification寄存器来通知后端，只需使用写屏障确保2端看到的内容的一致性。当后端处于interrupt模式则需要guest OS里virtio driver写PCI BAR空间里的notification寄存器来通知后端，这俗称为敲doorbell，virtio里俗称kick。kick是一个相对频繁的操作，它的处理并不像common capability那样每次都陷入QEMU处理。MMIO写导致EPT page fault进而发生vm-exit陷入host KVM，此时KVM会根据MMIO地址查找得到其关联的ioeventfd并将其置为可读。取决于virtio数据面被卸载至何处，持有ioeventfd另一端的可能是QEMU/vhost-user/vhost-net/vhost-vdpa，它们被唤醒后进一步处理virtqueu里的描述符。

后端通知前端：ISR status capability原本用于后端通知前端有新数据到达virtqueue，但这种方式仅在MSI-X中断没有启用时才使用，最新的linux一般使用MSIX，所以此capability一般未使用。后端通知前端一般是向guest OS注入一个MSIX中断，这是通过irqeventfd实现的，它的一端是virtio数据面QEMU/vhost-user/vhost-net/vhost-vdpa，另一端是host KVM，注入的中断被记录在VMCS内，下一次vm-entry就会触发guest OS里的中断处理。

device specific capability用于配置特定于设备的属性，比如virtio-net的mac地址，mtu，speed, duplex等。

PCI configuration access capability是virtio提供的另一种访问PCI配置空间的方式，最新的linux一般使用ECAM方式访问PCI配置空间，所以此capability一般不使用。

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3，QEMU中的前端设备

static const TypeInfo virtio_net_info = {.name = TYPE_VIRTIO_NET,.parent = TYPE_VIRTIO_DEVICE,.instance_size = sizeof(VirtIONet),.instance_init = virtio_net_instance_init,.class_init = virtio_net_class_init,
};static void virtio_register_types(void) { type_register_static(&virtio_net_info); }
type_init(virtio_register_types)

QEMU对于前端设备有几个层级的抽象：virtio-pci，virtio，virtio-net。每一层关注的内容都不一样，这里先说virtio-net：在设备初始化时它主要调用virtio_init/virtio_add_queue/qemu_new_nic等API向QEMU注册virtio设备，初始化完成后需要响应guest OS对device specific capability区域的读写(vdc->get/set_config)，特别是virtio网卡被guest OS link up之后需要调用vhost_net_start启动QEMU中的后端设备。

4，后端设备

5，前后端的桥接

struct NetClientState 是前后端设备之间的桥梁。

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