kvm网卡虚拟化之vdpa技术

1. 需求

虚拟机cpu加速有intel vt-x，memory加速有intel ept技术，剩下就是网络和存储io加速，io路径长，网络io路径是虚拟机virtio-ovs-vxlan-host内核协议栈出物理机，存储io是虚拟机virtio-qemu-host内核存储栈到ceph，io大量占用host上的cpu资源，而且性能低。

2. vdpa

vdpa是virtio控制面软件模拟，数据面硬件实现，控制面复杂用硬件实现难，数据面简单用硬件实现容易，厂商自己实现自己的驱动，数据是用dma mapping直接从虚拟机内存手动物理硬件上，硬件再vxlan处理或者对接ceph，听起来有点vfio-mdev的感觉，vfio只能处理pci通用结构和流程，vfio-mdev处理那些硬件实现不了sr-iov功能的设备，也就是硬件不能模拟出pci标准结构的哪些硬件，vfio-mdev给虚拟机假象以为自己独占硬件，虚拟机运行硬件驱动使用硬件，其实是在host的严密监视下共享硬件资源，由于硬件不同qemu中多多少少会有一些硬件相关的代码。vdpa基本virtio标准设备，肯定希望虚拟机中只运行中立的virtio驱动，qemu中只有vdpa厂商中立代码，厂商实现的vdpa驱动在技术栈最底层，所以说和vifo-mdev还是不一样。

另一个角度考虑，vfio没有vhost中关于virtio的ioctl实现，vdpa两者都需要，如果qemu用了viommu，vhost也得支持viommu，vhost迟早得添加地址转换的ioctl，在这个基础上vhost再调用iommu实现硬件dma mapping的功能，所以vdpa复用vhost的ioctl和代码是最佳选择，以前看一些资料上写的vhost-vfio和vhost-mdev等，总之就是为把vhost和vfio ioctl结合在一起用的，都没能成功upstream代码。

vdpa厂商的驱动一种方式是运行在用户态，如dpdk中实现的vdpa驱动，另一方式运行在内核中，如intel的ifcvf和mellanox的mlx5，已经合入upstream内核。

VDPA support for Mellanox ConnectX devices

linux/drivers/vdpa/mlx5 at master · torvalds/linux

http://lkml.iu.edu/hypermail/linux/kernel/2008.1/02434.html

Linux kernel source tree

两种方式都需要qemu支持vdpa，一种是vhost-user，配合dpdk中的vpda运行，dpdk再调用厂商开发的用户态vdpa驱动，另一种是vhost-vdpa，通过ioctl调用到内核通用vdpa模拟，通用vdpa模块再调用厂商硬件专有的vdpa驱动。

热迁移

如果硬件支持停止DMA并且有地方记录DMA写内存的dirty log，那么就可以热迁移，如果硬件不支持需要软件辅助。

[v1] vDPA software assisted live migration

[v4,00/10] support SW assisted VDPA live migration

software vdpa

mellanox connect5及以上支持，也叫vf relay，由于需要软件把virtio descriptor ring转换成mellanox dma descriptor ring，只能采用mellanox ovs-dpdk在用户态做转换，转换完了再由硬件offload加速，稍微影响性能。给硬件下offload的ovs可以运行在用户态也可以运行在内核态，但转换关系目前只有用户态的代码。

hareware vdpa

connectX 6及以上才支持，硬件支持ring的转换。用dpdk中的vdpa示例程序配置，说明需要把vdpa示例程序集成到ovs-dpdk中，实现vdpa/openflow/vxlan offload，如果用ovs-kernel那么用内核vdpa通用框架即可。

VDUSE

vdpa可以由硬件实现，intel有自己的硬件驱动，mellanox有自己的硬件驱动，硬件驱动生成一个vdpa_device，挂载到vdpa_bus上。也可以由软件实现，intel在内核写了一个vdpa_sim，用户态用软件模拟vdpa硬件就是VDUSE，用户态和内核态得建立通道，用户态通过这个通道给内核注册一个vdpa_device，这个device收到vpda控制信息转发给用户态，数据面通过用户态和内核态共享内存实现。我理解好处就是硬件支持vdpa用硬件的，硬件不支持用软件实现的vdpa，屏蔽底层差异，软件实现在用户态更简单，很多硬件实现了网络io vdpa加速，但目前没有看到硬件实现存储io vdpa加速，字节跳动提出的VDUSE借助内核vdpa框架统一了容器和虚拟机的存储，如果哪天硬件实现了存储io vdpa加速，线上切换到硬件方案相对来说比较容易。

Commits · bytedance/qemu

[RFC,v3,00/11] Introduce VDUSE - vDPA Device in Userspace

测试

这两个链接很详细写着如何测试mellanox vdpa。

https://github.com/Mellanox/scalablefunctions/wiki/Upstream-how-to-use-SF-DPDK-vdpa-device

https://github.com/Mellanox/scalablefunctions/wiki/Upstream-how-to-use-SF-kernel-vdpa-device#12-load-vdpa-drivers

3.vdpa终极方案

更简单的方式就是bluefield2构造出virtio-net和virtio-blk，直接用vfio passthrough给虚拟机，网络和存储io问题都解决了，不知道能不能热迁移？理论上是可以的，virtio-net和virtio-blk是bluefield2模拟出来的，qemu和bluefield2交互肯定有办法读取virtio-net和virtio-blk的所有状态，接口和代码在哪里？已经和vdpa没什么关系了，又回到vfio，好处就是虚拟机加速和裸金属统一了。

4.vhost-vdpa支持情况

内核：Linux 5.7+

2020-04-02	vhost: introduce vDPA-based backend	Tiwei Bie	5	-0/+930

qemu: 5.1+

108a64818e-Cindy	Lu(lulu@redhat.com)	2020-07-01 22:55:37 +0800	vhost-vdpa: introduce vhost-vdpa backend

libvirt: 6.9.0+

08f8fd8413-Jonathon	Jongsma(jjongsma@redhat.com)	2020-10-14 12:08:25 -0500	conf: Add support for vDPA network devices