KVM中的网络IO设备虚拟化方式

在KVM虚拟化的架构里，对CPU的虚拟化采用的是硬件辅助的方式（Intel VT-x，AMD-V），效率比较高，内存的虚拟化有Intel EPT技术的支持，效率也没有问题；那么对于像磁盘驱动器，网卡等io设备来说，KVM提供两种虚拟化方式：采用全虚拟化纯软件实现的QEMU/KVM方式，采用半虚拟化的virtio方式。

如上图，在一些桌面虚拟化产品里，默认采用的是QEMU/KVM方式对磁盘，网卡设备进行虚拟化

对于大多数采用开源KVM方案的桌面虚拟化产品来说，通过在客户机操作系统里安装增强工具，可以将io设备的虚拟化方式改成virtio，从而增强性能

下面分别介绍下这两种虚拟化方式的实现原理：

（一）利用QEMU来模拟IO设备

QEMU以纯软件的方式来模拟IO设备的运行

当客户机的设备驱动程序发起IO请求时，内核KVM模块会截获这次请求，然后经过翻译将本次请求放到内存里的IO共享页面，并通知客户机QEMU模拟进程（客户虚拟机也是底层Linux系统里的一个用户空间进程QEMU-KVM，这是KVM里很重要的一个概念）来处理本次请求，这里KVM模块起的是一个传达的作用，传统的在物理机上运行的程序好比你在餐厅里吃饭，你直接通过服务员（驱动）告诉厨师（硬件）你要吃什么菜，而虚拟化环境里就像在网上叫外卖，你无需知道餐厅在哪，你（客户虚拟机）只需要通知外卖平台（KVM模块）你要吃某个菜（执行一次IO操作），剩下的事情就是由外卖平台去与具体的餐厅协调，保证按时将外卖送到你手上。

从技术的角度来说，内核KVM模块是一个进程，QEMU模拟程序也是一个进程，IO请求的翻译和传达实际上是进行了一次进程间通信（IPC），而实现方式是由KVM模块将拦截的请求放到内存里的IO共享页，共享内存（shared memory）正是IPC最快的实现方式，当一个进程写共享内存，其他进程都立即知道写入的内容，而且可以访问。

QEMU模拟程序获知了本次IO操作的具体信息后，交由硬件模拟代码（Emulation Code）来执行本次IO操作，通过Linux内核里的物理硬件驱动，来调用物理IO设备完成IO操作，并返回所期望得到的值，再将这个值放回IO共享页，通知KVM模块读取这个值，并转交给客户虚拟机上的IO设备驱动。

通过QEMU模拟IO设备，优点是可以模拟出各种各样的硬件，包括一些老的，不常用的设备，兼容性比较广泛，而且不用修改客户机操作系统，就可以让模拟设备在客户机上正常工作。但缺点也很大，每次IO路径太长，大量进程间通信有可能带来的阻塞（虽然阻塞不分配CPU时间片，但也要进行线程的挂起和唤醒），而且所有的IO指令都是敏感指令也是特权指令（Ring1），也会带来VMExit，VMEntry的开销，且IO返还值的传递也要进行多次数据复制，故性能较差。

（二）VirtIO半虚拟化IO设备

VirtIO是运行在Hypervisor上的一个抽象的API接口，通过让客户机知道自己运行在虚拟化环境里，进而根据virtio标准与Hypervisor进行协作，从而获得更好的IO性能。

其基本结构如下图

其前端驱动frontend是运行在客户虚拟机上的驱动程序模块（也就是我们在桌面上安装的虚拟机增强工具，里面包含了如virtio-blk，virtio-net等驱动），而后端处理程序backend是在QEMU里实现的，这种类似于C/S架构的方式屏蔽了底层设备驱动之间的差异，虚拟机中的virtio驱动与QEMU之间通过标准化接口进行通信，不需要经过复杂的翻译转换（而是类似一个中国人和一个日本人，都用对方能懂的语言比如英语沟通，大家一起去完成某个任务），所以效率较高。

在前后端驱动之间，还定义了两层数据结构来对通信进行处理，其中virtio这一层是虚拟队列接口（队列最大的特点是FIFO，先提交的请求先执行），每个虚拟机都有自己的虚拟队列，这也是IO虚拟化和CPU虚拟化之间的区别，没有时间片的分配，所有虚拟机的io请求抢占现有资源，至于怎么对IO做Qos控制，还在学习中，不敢妄言，各个厂家的实现方式似乎并不相同，以后有机会再总结。从逻辑上看，虚拟队列接口就是连接前端驱动和后端处理程序的通道，一个前端驱动可以同时使用若干个虚拟队列，比如对virtio-net网络驱动同时使用2个虚拟队列（一个用于发送，一个用于接受），而virtio-blk块设备驱动只需要使用一个虚拟队列。virtio的下层是virtio-ring的数据结构，这是一个环形缓冲区（又叫循环队列，也是队列的一种），作用是保存前端驱动的多次请求，再批量交给后端驱动处理，同时防止队列溢出（循环队列的特点），通过这种设计约定实现批量处理而不用对客户机的每个io请求进行一次处理，大大提高了客户机与Hypervisor层的协作效率。

virtio的半虚拟化驱动方式，有很高的io性能，几乎和直接跑在硬件上一样，因此只要可能，使用virtio是高效的选择，不过其缺点是需要更改客户机的操作系统，使之知道自己跑在虚拟化环境里（在一些桌面虚拟化产品里，是通过在客户机系统里安装虚拟化增强工具来实现的），同时要求客户虚拟机和宿主机的Linux内核都支持virtio（好比之前的例子里，中国人和日本人都得懂英文，不然还是得等翻译），目前在比较新的Linux（内核版本2.6.24及以上）都支持virtio，所以长远看通过virtio进行io设备的虚拟化是必然。

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