簡(jiǎn)介： Linuxlguest）而增加。但是，讓這些虛擬化模式能夠在 Linux 之上運(yùn)行之后，又如何讓它們能夠在 I/O 虛擬化方面利用底層內(nèi)核呢？答案是使用 virtio，它為 hypervisor 和一組通用的 I/O 虛擬化驅(qū)動(dòng)程序提供高效的抽象。探索 virtio 并了解為什么 Linux 將成為最佳的 hypervisor。
分享您的技能： 支持特定的 I/O 虛擬化模式影響您選擇使用指定的 hypervisor 嗎？請(qǐng)?jiān)谙旅?添加您的評(píng)論。
概而言之，virtio 是半虛擬化 hypervisor 中位于設(shè)備之上的抽象層。virtio 由 Rusty Russell 開(kāi)發(fā)，他當(dāng)時(shí)的目的是支持自己的虛擬化解決方案 lguest。本文在開(kāi)篇時(shí)介紹半虛擬化和模擬設(shè)備，然后探索 virtio 的細(xì)節(jié)。本文的重點(diǎn)是來(lái)自 2.6.30 內(nèi)核發(fā)行版的 virtio 框架。
Linux 是 hypervisor 展臺(tái)。如我的 剖析 Linux hypervisor 所述，Linux 提供各種 hypervisor 解決方案，這些解決方案都有自己的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。這些解決方案包括 Kernel-based Virtual Machine (KVM)、lguest 和 User-mode Linux 等。在 Linux 上配備這些不同的 hypervisor 解決方案會(huì)給操作系統(tǒng)帶來(lái)負(fù)擔(dān)，負(fù)擔(dān)的大小取決于各個(gè)解決方案的需求。其中的一項(xiàng)開(kāi)銷為設(shè)備的虛擬化。virtio 并沒(méi)有提供多種設(shè)備模擬機(jī)制（針對(duì)網(wǎng)絡(luò)、塊和其他驅(qū)動(dòng)程序），而是為這些設(shè)備模擬提供一個(gè)通用的前端，從而標(biāo)準(zhǔn)化接口和增加代碼的跨平臺(tái)重用。
讓我們快速討論一下兩種類型完全不同的虛擬化模式：完全虛擬化和半虛擬化。在完全虛擬化 中，來(lái)賓操作系統(tǒng)運(yùn)行在位于物理機(jī)器上的 hypervisor 之上。來(lái)賓操作系統(tǒng)并不知道它已被虛擬化，并且不需要任何更改就可以在該配置下工作。相反，在半虛擬化 中，來(lái)賓操作系統(tǒng)不僅知道它運(yùn)行在 hypervisor 之上，還包含讓來(lái)賓操作系統(tǒng)更高效地過(guò)渡到 hypervisor 的代碼（見(jiàn) 圖 1）。
在完全虛擬化模式中，hypervisor 必須模擬設(shè)備硬件，它是在會(huì)話的最低級(jí)別進(jìn)行模擬的（例如，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序）。盡管在該抽象中模擬很干凈，但它同時(shí)也是最低效、最復(fù)雜的。在半虛擬化模式中，來(lái)賓操作系統(tǒng)和 hypervisor 能夠共同合作，讓模擬更加高效。半虛擬化方法的缺點(diǎn)是操作系統(tǒng)知道它被虛擬化，并且需要修改才能工作。
硬件隨著虛擬化技術(shù)而不斷改變。新的處理器通過(guò)納入高級(jí)指令來(lái)讓來(lái)賓操作系統(tǒng)到 hypervisor 的過(guò)渡更加高效。此外，硬件也隨著輸入/輸出（I/O）虛擬化而不斷改變（參見(jiàn) 參考資料 了解 Peripheral Controller Interconnect [PCI] passthrough 和 single- and multi-root I/O 虛擬化）。
virtio 并不是該領(lǐng)域中的唯一霸主。Xen 提供半虛擬化設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，VMware 也提供 Guest Tools。
但是在傳統(tǒng)的完全虛擬化環(huán)境中，hypervisor 必須捕捉這些請(qǐng)求，然后模擬物理硬件的行為。盡管這樣做提供很大的靈活性（即運(yùn)行未更改的操作系統(tǒng)），但它的效率比較低（參見(jiàn) 圖 1 左邊）。圖 1 的右邊是半虛擬化示例。在這里，來(lái)賓操作系統(tǒng)知道它運(yùn)行在 hypervisor 之上，并包含了充當(dāng)前端的驅(qū)動(dòng)程序。Hypervisor 為特定的設(shè)備模擬實(shí)現(xiàn)后端驅(qū)動(dòng)程序。通過(guò)在這些前端和后端驅(qū)動(dòng)程序中的 virtio，為開(kāi)發(fā)模擬設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)化接口，從而增加代碼的跨平臺(tái)重用率并提高效率。
從前面的小節(jié)可以看到，virtio 是對(duì)半虛擬化 hypervisor 中的一組通用模擬設(shè)備的抽象。該設(shè)置還允許 hypervisor 導(dǎo)出一組通用的模擬設(shè)備，并通過(guò)一個(gè)通用的應(yīng)用編程接口（API）讓它們變得可用。圖 2 展示了為什么這很重要。有了半虛擬化 hypervisor 之后，來(lái)賓操作系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一組通用的接口，在一組后端驅(qū)動(dòng)程序之后采用特定的設(shè)備模擬。后端驅(qū)動(dòng)程序不需要是通用的，因?yàn)樗鼈冎粚?shí)現(xiàn)前端所需的行為。
注意，在現(xiàn)實(shí)中（盡管不需要），設(shè)備模擬發(fā)生在使用 QEMU 的空間，因此后端驅(qū)動(dòng)程序與 hypervisor 的用戶空間交互，以通過(guò) QEMU 為 I/O 提供便利。QEMU 是一個(gè)系統(tǒng)模擬器，它不僅提供來(lái)賓操作系統(tǒng)虛擬化平臺(tái)，還提供整個(gè)系統(tǒng)（PCI 主機(jī)控制器、磁盤、網(wǎng)絡(luò)、視頻硬件、USB 控制器和其他硬件元素）的模擬。
virtio API 依賴一個(gè)簡(jiǎn)單的緩沖抽象來(lái)封裝來(lái)賓操作系統(tǒng)需要的命令和數(shù)據(jù)。讓我們查看 virtio API 的內(nèi)部及其組件。
除了前端驅(qū)動(dòng)程序（在來(lái)賓操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)）和后端驅(qū)動(dòng)程序（在 hypervisor 中實(shí)現(xiàn)）之外，virtio 還定義了兩個(gè)層來(lái)支持來(lái)賓操作系統(tǒng)到 hypervisor 的通信。在頂級(jí)（稱為 virtio）的是虛擬隊(duì)列接口，它在概念上將前端驅(qū)動(dòng)程序附加到后端驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序可以使用 0 個(gè)或多個(gè)隊(duì)列，具體數(shù)量取決于需求。例如，virtio 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序使用兩個(gè)虛擬隊(duì)列（一個(gè)用于接收，另一個(gè)用于發(fā)送），而 virtio 塊驅(qū)動(dòng)程序僅使用一個(gè)虛擬隊(duì)列。虛擬隊(duì)列實(shí)際上被實(shí)現(xiàn)為跨越來(lái)賓操作系統(tǒng)和 hypervisor 的銜接點(diǎn)。但這可以通過(guò)任意方式實(shí)現(xiàn)，前提是來(lái)賓操作系統(tǒng)和 hypervisor 以相同的方式實(shí)現(xiàn)它。
如 圖 3 所示，分別為塊設(shè)備（比如磁盤）、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、PCI 模擬和 balloon 驅(qū)動(dòng)程序列出了 5 個(gè)前端驅(qū)動(dòng)程序。每個(gè)前端驅(qū)動(dòng)程序在 hypervisor 中有一個(gè)對(duì)應(yīng)的后端驅(qū)動(dòng)程序。
從來(lái)賓操作系統(tǒng)的角度來(lái)看，對(duì)象層次結(jié)構(gòu) 的定義如 圖 4 所示。在頂級(jí)的是 virtio_driver，它在來(lái)賓操作系統(tǒng)中表示前端驅(qū)動(dòng)程序。與該驅(qū)動(dòng)程序匹配的設(shè)備由 virtio_device（設(shè)備在來(lái)賓操作系統(tǒng)中的表示）封裝。這引用 virtio_config_ops 結(jié)構(gòu)（它定義配置 virtio 設(shè)備的操作）。virtio_device 由 virtqueue 引用（它包含一個(gè)到它服務(wù)的 virtio_device 的引用）。最后，每個(gè) virtqueue 對(duì)象引用 virtqueue_ops 對(duì)象，后者定義處理 hypervisor 的驅(qū)動(dòng)程序的底層隊(duì)列操作。盡管隊(duì)列操作是 virtio API 的核心，我還是先簡(jiǎn)單討論一下新的發(fā)現(xiàn)，然后再詳細(xì)探討 virtqueue_ops 操作。
該流程以創(chuàng)建 virtio_driver 并通過(guò) register_virtio_driver 進(jìn)行注冊(cè)開(kāi)始。virtio_driver 結(jié)構(gòu)定義上層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、驅(qū)動(dòng)程序支持的設(shè)備 ID 的列表、一個(gè)特性表單（取決于設(shè)備類型）和一個(gè)回調(diào)函數(shù)列表。當(dāng) hypervisor 識(shí)別到與設(shè)備列表中的設(shè)備 ID 相匹配的新設(shè)備時(shí)，將調(diào)用 probe 函數(shù)（由 virtio_driver 對(duì)象提供）來(lái)傳入 virtio_device 對(duì)象。將這個(gè)對(duì)象和設(shè)備的管理數(shù)據(jù)緩存起來(lái)（以獨(dú)立于驅(qū)動(dòng)程序的方式緩存）。可能要調(diào)用 virtio_config_ops 函數(shù)來(lái)獲取或設(shè)置特定于設(shè)備的選項(xiàng)，例如，為 virtio_blk 設(shè)備獲取磁盤的 Read/Write 狀態(tài)或設(shè)置塊設(shè)備的塊大小，具體情況取決于啟動(dòng)器的類型。
注意，virtio_device 不包含到 virtqueue 的引用（但 virtqueue 確實(shí)引用了 virtio_device）。要識(shí)別與該 virtio_device 相關(guān)聯(lián)的 virtqueue，您需要結(jié)合使用 virtio_config_ops 對(duì)象和 find_vq 函數(shù)。該對(duì)象返回與這個(gè) virtio_device 實(shí)例相關(guān)聯(lián)的虛擬隊(duì)列。find_vq 函數(shù)還允許為 virtqueue 指定一個(gè)回調(diào)函數(shù)（查看 圖 4 中的 virtqueue 結(jié)構(gòu)）。
virtqueue 是一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，它識(shí)別一個(gè)可選的回調(diào)函數(shù)（在 hypervisor 使用緩沖池時(shí)調(diào)用）、一個(gè)到 virtio_device 的引用、一個(gè)到 virtqueue 操作的引用，以及一個(gè)引用要使用的底層實(shí)現(xiàn)的特殊 priv 引用。雖然 callback 是可選的，但是它能夠動(dòng)態(tài)地啟用或禁用回調(diào)。
該層次結(jié)構(gòu)的核心是 virtqueue_ops，它定義在來(lái)賓操作系統(tǒng)和 hypervisor 之間移動(dòng)命令和數(shù)據(jù)的方式。讓我們首先探索添加到或從 virtqueue 移除的對(duì)象。
來(lái)賓操作系統(tǒng)（前端）驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)緩沖池與 hypervisor 交互。對(duì)于 I/O，來(lái)賓操作系統(tǒng)提供一個(gè)或多個(gè)表示請(qǐng)求的緩沖池。例如，您可以提供 3 個(gè)緩沖池，第一個(gè)表示 Read 請(qǐng)求，后面兩個(gè)表示響應(yīng)數(shù)據(jù)。該配置在內(nèi)部被表示為一個(gè)散集列表（scatter-gather），列表中的每個(gè)條目表示一個(gè)地址和一個(gè)長(zhǎng)度。
通過(guò) virtio_device 和 virtqueue（更常見(jiàn)）將來(lái)賓操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序與 hypervisor 的驅(qū)動(dòng)程序鏈接起來(lái)。virtqueue 支持它自己的由 5 個(gè)函數(shù)組成的 API。您可以使用第一個(gè)函數(shù) add_buf 來(lái)向 hypervisor 提供請(qǐng)求。如前面所述，該請(qǐng)求以散集列表的形式存在。對(duì)于 add_buf，來(lái)賓操作系統(tǒng)提供用于將請(qǐng)求添加到隊(duì)列的 virtqueue、散集列表（地址和長(zhǎng)度數(shù)組）、用作輸出條目（目標(biāo)是底層 hypervisor）的緩沖池?cái)?shù)量，以及用作輸入條目（hypervisor 將為它們儲(chǔ)存數(shù)據(jù)并返回到來(lái)賓操作系統(tǒng)）的緩沖池?cái)?shù)量。當(dāng)通過(guò) add_buf 向 hypervisor 發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，來(lái)賓操作系統(tǒng)能夠通過(guò) kick 函數(shù)通知 hypervisor 新的請(qǐng)求。為了獲得最佳的性能，來(lái)賓操作系統(tǒng)應(yīng)該在通過(guò) kick 發(fā)出通知之前將盡可能多的緩沖池裝載到 virtqueue。
通過(guò) get_buf 函數(shù)觸發(fā)來(lái)自 hypervisor 的響應(yīng)。來(lái)賓操作系統(tǒng)僅需調(diào)用該函數(shù)或通過(guò)提供的 virtqueue callback 函數(shù)等待通知就可以實(shí)現(xiàn)輪詢。當(dāng)來(lái)賓操作系統(tǒng)知道緩沖區(qū)可用時(shí)，調(diào)用 get_buf 返回完成的緩沖區(qū)。
virtqueue API 的最后兩個(gè)函數(shù)是 enable_cb 和 disable_cb。您可以使用這兩個(gè)函數(shù)來(lái)啟用或禁用回調(diào)進(jìn)程（通過(guò)在 virtqueue 中由 virtqueue 初始化的 callback 函數(shù)）。注意，該回調(diào)函數(shù)和 hypervisor 位于獨(dú)立的地址空間中，因此調(diào)用通過(guò)一個(gè)間接的 hypervisor 來(lái)觸發(fā)（比如 kvm_hypercall）。
緩沖區(qū)的格式、順序和內(nèi)容僅對(duì)前端和后端驅(qū)動(dòng)程序有意義。內(nèi)部傳輸（當(dāng)前實(shí)現(xiàn)中的連接點(diǎn)）僅移動(dòng)緩沖區(qū)，并且不知道它們的內(nèi)部表示。
您可以在 Linux 內(nèi)核的 ./drivers 子目錄內(nèi)找到各種前端驅(qū)動(dòng)程序的源代碼?？梢栽?./drivers/net/virtio_net.c 中找到 virtio 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序，在 ./drivers/block/virtio_blk.c 中找到 virtio 塊驅(qū)動(dòng)程序。子目錄 ./drivers/virtio 提供 virtio 接口的實(shí)現(xiàn)（virtio 設(shè)備、驅(qū)動(dòng)程序、virtqueue 和連接點(diǎn)）。virtio 還應(yīng)用在 High-Performance Computing (HPC) 研究中，以開(kāi)發(fā)出通過(guò)共享內(nèi)存?zhèn)鬟f的 inter-virtual machine (VM) 通信。尤其是，這是通過(guò)使用 virtio PCI 驅(qū)動(dòng)程序的虛擬化 PCI 接口實(shí)現(xiàn)的。您可以在 參考資料 部分更多地了解這個(gè)知識(shí)點(diǎn)。
現(xiàn)在，您可以在 Linux 內(nèi)核中實(shí)踐這個(gè)半虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)。您所需的包括一個(gè)充當(dāng) hypervisor 的內(nèi)核、一個(gè)來(lái)賓操作性內(nèi)核和用于設(shè)備模擬的 QEMU。您可以使用 KVM（位于主機(jī)內(nèi)核中的一個(gè)模塊）或 Rusty Russell 的 lguest（修改版的 Linux 來(lái)賓操作系統(tǒng)內(nèi)核）。這兩個(gè)虛擬化解決方案都支持 virtio（以及用于系統(tǒng)模擬的 QEMU 和用于虛擬化管理的 libvirt）。
Rusty 的 lguest 是針對(duì)半虛擬化驅(qū)動(dòng)程序和更快速地模擬虛擬設(shè)備的更簡(jiǎn)潔代碼庫(kù)。但更重要的是，實(shí)踐證明 virtio 比現(xiàn)有的商業(yè)解決方案提供更出色的性能（網(wǎng)絡(luò) I/O 能夠提升 2-3 倍）。性能的提升是需要付出代價(jià)的，但是如果您使用 Linux 作為 hypervisor 和來(lái)賓操作系統(tǒng)，那么這樣做是值得的。
也許您可能從來(lái)沒(méi)有為 virtio 開(kāi)發(fā)過(guò)前端或后端驅(qū)動(dòng)程序，它實(shí)現(xiàn)了一個(gè)有趣的架構(gòu)，值得您仔細(xì)去探索。virtio 為提高半虛擬化 I/O 環(huán)境中的效率帶來(lái)了新的機(jī)會(huì)，同時(shí)能夠利用 Xen 以前的成果。Linux 不斷地證明它是一個(gè)產(chǎn)品 hypervisor，并且是新虛擬化技術(shù)研究平臺(tái)。virtio 這個(gè)例子展示了將 Linux 用作 hypervisor 的強(qiáng)大之處和開(kāi)放性。
學(xué)習(xí)
virtio 技術(shù)的最好資源。這篇論文詳盡闡述了 virtio 及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 virtio 背后的秘密就是利用半虛擬化來(lái)改善總體 I/O 性能。要了解使用 Linux 作為 hypervisor 和設(shè)備模擬，請(qǐng)查看 Tim 的文章 “剖析 Linux hypervisor”（developerWorks，2009 年 5 月）和 “Linux 虛擬化和 PCI 透?jìng)骷夹g(shù)”（developerWorks，2009 年 10 月）。virtio 的最重要優(yōu)點(diǎn)之一是在半虛擬化環(huán)境中提升效率。這篇來(lái)自 btm.geek 的博客顯示了 使用 KVM 的 virtio 的優(yōu)勢(shì)。 libvirt（一個(gè)開(kāi)源虛擬化 API）和 virtio 框架的相似之處。libvirt wiki 展示了如何在 libvirt 中指定 virtio 設(shè)備。virtio 框架的 hypervisor 解決方案：lguest 是一個(gè) x86 hypervisor，它也是由 Rusty Russell 開(kāi)發(fā)的；KVM 是另一個(gè)基于 Linux 的 hypervisor，它是首個(gè)構(gòu)建到 Linux 內(nèi)核中的 hypervisor。virtio 的有趣應(yīng)用之一是開(kāi)發(fā) 共享內(nèi)存消息傳遞，以讓 VM 能夠通過(guò) hypervisor 彼此通信，來(lái)自 SpringerLink 的論文對(duì)此進(jìn)行了闡述。 獲得產(chǎn)品和技術(shù)
討論
M. Tim Jones 是一名嵌入式固件架構(gòu)師，同時(shí)也是 Artificial Intelligence: A Systems Approach, GNU/Linux Application Programming（第二版）、AI Application Programming（第二版）和 BSD Sockets Programming from a Multilanguage Perspective 的作者。他的工程背景包括地球同步航天器內(nèi)核開(kāi)發(fā)、嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開(kāi)發(fā)等。Tim 還是科羅拉多州朗蒙特市 Emulex Corp. 的顧問(wèn)工程師。
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