Virtio原理简介
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Virtio规范简介
相关数据结构
Vring机制简介
相关文章
实现IO虚拟化主要有三种方式：全虚拟化、半虚拟化和透传。全虚拟化Guest OS不会感知到自己是虚拟机，也无需修改Guest OS，但是它的效率比较低。半虚拟化Guest OS知道自己是虚拟机，通过Frontend/Backend驱动模拟实现IO虚拟化。透传就是直接分配物理设备给VM用。Virtio是一种半虚拟化的设备抽象接口规范，在Qemu和KVM中得到了广泛使用，本文将简单介绍Virtio的基本原理。
代码版本
- Qemu
- qemu-2.10.1
- Kernel
- kernel-3.10.0
Virtio SPEC
- Virtual I/O Device (VIRTIO) Version 1.0
- http://docs.oasis-open.org/virtio/virtio/v1.0/cs04/virtio-v1.0-cs04.html
- Virtio PCI Card Specification Version 0.9.5
- http://ozlabs.org/~rusty/virtio-spec/virtio-0.9.5.pdf
Virtio在Guest中实现了前端驱动，在Host中实现了后端驱动，前后端之间通过Virtqueue(虚拟队列)交换数据，Host中会使用后端驱动程序模拟一个PCI设备，因此也称前端驱动为Driver，后端驱动为Device。Guest在Host OS上表示为一个Qemu的进程，Guest OS的pa实际上也属于Host OS的地址空间，因此Virtio采用的Virtqueue的方式来避免了Guest和Host间数据的复制。下面先介绍一下Virtio，更为详细的描述请阅读前言中提供的Virtio SPEC文档，那里是最准确而详细的描述，在此仅简单介绍一下后文需要用到的概念。
Virtio规范简介
Basic Facilities of a Virtio Device
每个Virtio设备包括以下部分
- Device status field 设备状态字段
- Feature bits 特征位
- Device Configuration space 设备配置空间
- One or more virtqueues 一个或多个virtqueues
virtqueues
在virtio设备上进行批量数据传输的机制被称为virtqueue，每个设备可以拥有零个或多个virtqueue，每个virtqueue由三部分组成：
- Descriptor Table
- Available Ring
- Used Ring
每部分在客户机内存中是物理连续的，并且有不同的对齐要求，virtqueue的每个部分的内存对齐和大小要求如下表，其中Queue Size对应virtqueue中的最大buffer数，始终为2的n次幂，以特定于总线的方式指定：
| Virtqueue Part | Alignment | Size |
|---|---|---|
| Descriptor Table | 16 | 16*(Queue Size) |
| Available Ring | 2 | 6 + 2*(Queue Size) |
| Used Ring | 4 | 6 + 8*(Queue Size) |
Descriptor Table指的是Driver用于Device的缓冲区，由Queue Size个Descriptor组成。Descriptor中存有GPA的字段addr，长度字段len，可以链接next Descriptor的next指针等(形成描述符链)。如果协商了VIRTIO_F_INDIRECT_DESC feature则可以使用Indirect Descriptors来增加ring的容量。
Available Ring中的每个条目是一个是描述符链的头部，它仅由Driver写入并由Device读取，Device获取Descriptor后，Descriptor对应的缓冲区可能是可读的也可能是可写的，可读的用于Driver发送数据，可写的用于接收数据。
Used Ring的介绍直接贴SPEC文档中的描述上来比翻译过来更容易理解。The used ring is where the device returns buffers once it is done with them: it is only written to by the device,and read by the driver.简单来说Used Ring的作用就是Device使用完Descriptor之后，将Descriptor放入这里，通知Driver回收。
相关数据结构
一些数据结构只列举了部分关键信息
如图所示，virtnet_info作为virtio网络设备的私有数据将virtio_device和net_device链接在一起。对于virtio网络设备来说，它至少有两个virtqueue(如果协商了VIRTIO_NET_F_MQ则可以创建多个队列,详见VirtIO SPEC中5.1.2 )，一个用于TX(send_queue)，另一个用于RX(receive_queue)，TX和RX队列中都包含了virtqueue和scatterlist[]。virtio_device、virtnet_info、receive_queue、send_queue、virtqueue给定任一结构体均可得到其它结构体信息。
可以把virtqueue理解为一个接口类，而vring_virtqueue作为这个接口的一个实现，vring_virtqueue通过成员vq可以与上述其它struct建立联系。virtio的环形缓冲区机制是由vring来承载的，vring由三部分组成：Descriptor表(vring_desc)，Available ring(vring_avail)和Used ring(vring_used)。
Vring机制简介
在virtio设备上进行批量数据传输的机制被称为virtqueue。每个设备可以拥有零个或多个virtqueue，当Driver想要向设备发送数据时，它会填充Descriptor Table中的一项（或将几项链接在一起），并将描述符索引写入Available Ring中，然后它通知Device，当Device完成后，它将描述符索引写入Used Ring中并发送中断。(详见SPEC 2.4)
下图Virtio网络设备发包过程为例讲解上述机制，Driver将sk_buffer填充进scatterlist table中(只是设置地址没有数据搬移)，然后通过计算得到GPA并将GPA写入Descriptor Table中，同时将Desc chain的head记录到Available Ring中，然后通过PIO的方式通知Device，Device发包并更新Used Ring。
后续会有一篇文章专门分析发包过程
- 本文作者： Lauren
- 本文链接： http://lihanlu.cn/virtio-introduction/
- 版权声明： 本博客所有文章除特别声明外，均采用 BY-NC-SA 许可协议。转载请注明出处！
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《使用DPDK打开Open vSwitch（OvS） *概述》
《Open vSwitch（OVS）文档》
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站外参考文章
《SR-IOV：网卡直通技术》
《关于英特尔® 以太网服务器适配器中 SR-IOV 的常见问题解答》
《Vhost-user详解》
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