说一说虚拟化绕不开的IO半虚拟化

作者：kvm虚拟化 2018-01-17 15:15:22

云计算

虚拟化 QEMU-KVM作为一个VMM提供了全虚拟化环境，guest不经过任何修改就能运行在KVM环境中。不过KVM在IO虚拟化方面，使用QEMU纯软件的方式来模拟IO设备，效率并不高。在KVM中，要想提高IO虚拟化的效率，就要使用半虚拟化的方式：virtio。

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QEMU-KVM作为一个VMM提供了全虚拟化环境，guest不经过任何修改就能运行在KVM环境中。不过KVM在IO虚拟化方面，使用QEMU纯软件的方式来模拟IO设备，效率并不高。在KVM中，要想提高IO虚拟化的效率，就要使用半虚拟化的方式：virtio。

简单介绍全虚拟化和半虚拟化

在全虚拟化 中，guest操作系统运行在VMM之上，并不知道它已被虚拟化，不需要任何更改就可以工作。相反，在半虚拟化中，guest操作系统不仅知道它运行在 VMM上，还需要做修改来对接VMM的代码。

在全虚拟化中，VMM必须模拟设备硬件，尽管这种模拟很彻底很干净，但它效率低代码最复杂。在半虚拟化模式中，guest和 VMM共同合作，模拟更加高效。

IO全虚拟化使用QEMU软件模拟

1.当虚拟机进行I/O操作时，根据《也谈Intel的cpu虚拟化》我们知道，虚拟机通过VM exit将cpu控制权返回给VMM，从而陷入到root模式下的ring0内的VMM，进行”陷入模拟“。

2.将本次I/O请求的信息存放到IO共享页，QEMU从IO共享页读取信息后由硬件模拟代码来模拟出本次的IO操作，并调用内核中的硬件驱动把IO请求发送到物理硬件，完成之后将结果放回到IO共享页。

3.KVM模块中的捕获代码读取IO共享页中的结果，把结果返回到guest。

4.通过VM entry，guest再次获得cpu控制权，根据IO返回的结果进行处理。

说明：VMM和guest的IO信息共享不光IO共享页一种，还可以使用DMA。QEMU不把IO结果放到IO共享页中，而是通过DMA将结果直接写到guest的内存中去，然后通过KVM模块告诉客户机DMA操作已经完成。

下面这张图（来自网络）是软件模拟IO的流程图：

IO半虚拟化virtio

guest和host使用使用virtio前后端的技术减少了guest IO时的VM Exit（guest和host的上下文切换）并且使guest和host能并行处理IO来提高throughput和减少latency。但是IO的路径并没有比全虚拟化技术减少。下面是virtio的IO路径：

guest在IO请求时，首先guest需要切换到host kernel，然后host kernel会切换到hyperisor来处理guest的请求，hypervisor通过系统调用将数据包发送到外部网络后切换回host kernel，然后再切换回guest。这个长IO路径和全虚拟化时相同的，只是减少了VM exit和VM entry。

vhost

为了解决virio的IO路径太长的问题，vhost产生了。它是位于host kernel的一个模块，用于和guest直接通信，所以数据交换就在guest和host kernel间进行，减少了上下文的切换。vhost相对与virto架构，把virtio驱动后端驱动从用户态放到了内核态中（vhost的内核模块充当virtiO后端驱动）

下面这张图（来自redhat）描述了在virtio和vhost（vhost-net时vhost架构中的网卡实现）架构下内核的不同工作流程：

下面这张图（来自intel）介绍了vhost工作原理：

vhost-user

vhost-user和vhost类似，只是使用一个用户态进程vhost-user代替了内核中的vhost模块。vhost-user进程和Guset之间时通过共享内存的方式进行数据操作。vhost-user相对与vhost架构，把virtio驱动后端驱动从内核态又放回到了用户态中（vhost-user进程充当virtiO后端驱动）。

下面这张图（来自intel）介绍了vhost-user的工作原理：

总结

io虚拟化经历了从全虚拟化io到半虚拟化virtio。半虚拟化的后端驱动又经历了从VMM中到内核中，从内核中到用户空间中的过程。