virtio 与vhost_net介绍

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本文探讨了virtio的基本构建模块，重点讲解了vhost-net/virtio-net架构，以及在KVM中两者如何高效通信。对比了全虚拟化和virtio设备，介绍了vhost-net作为内核级后端的优势。同时涵盖了vhost-user在用户空间通信中的应用，以及QEMU配置实例。

1. virtio基本构建模块

virtio是一种I/O半虚拟化解决方案，是一套通用I/O设备虚拟化的程序，是对半虚拟化Hypervisior中的一组通用I/O设备的抽象。是标准化的的开放接口，以使得VM能够访问简化的设备，如块设备和网络设备等。

一个guest VM或者guest指的是在物理计算机上安装、执行和托管的VM。托管guest VM的计算机称之为host，它为guest VM提供资源。Guest VM通过hypervisor在host OS之上运行独立的OS。例如，host将为guest提供虚拟的NIC，guest感觉好像是在使用真实的NIC，而实际上使用的是虚拟的NIC

以下模块用于创建virtio环境：

KVM：kernel based virtual machine，允许Linux充当hypervisor，以便host可以运行多个隔离的虚拟环境（guest）。KVM基本上为Linux提供了hypervisor功能。这意味这hypervisor组件（例如内存管理、调度程序、网络堆栈等）作为Linux内核的一部分提供。VM是由标准Linux 调度程序通过专用虚拟硬件（例如网络适配器）调度的常规Linux进程。
QEMU：一个托管的虚拟机监视器，可以通过仿真为guest提供一组不同的硬件和设备模型。QEMU可以和KVM一起使用，以利用硬件扩展使得guest达到接近host的速度。Guest通过qemu命令行执行。CLI提供了为QEMU指定所有必须的配置选项和能力。
Libvirt：一个将xml格式的配置转化为qemu CLI调用的接口。它还提供了一个admin daemon来配置子进程（如qumu），因此，qemu将不需要root权限。例如，当Openstack Nova要启动VM时，它使用libvirt通过为每个VM启动qemu进程。

下图显示了这三个模块如何结合在一起

Host和guest都包含kernel space 和 user space。
从图中可以看出，KVM在host kernel space中运行，而libvirt在host user space中运行。
Guest VM在qumu中运行，该进程只是在host user space上运行的进程，并与libvirt和KVM进行通信。
将为每个guest VM创建一个qemu进程，因此，如果您创建N个guest VM，则将有N个qemu进程，而libvirt将与他们进行通信。

2. vhost-net/virtio-net架构

virtio分为前端和后端，一个backend组件和一个frontend组件。backend组件是virtio接口的host端。frontend组件是virtio的guest端。
在vhost-net/virtio-net体系结构中，组件如下：vhost-net是在host kernel space中运行的backend，virtio-net是在guest kernel space中运行的frontend。

由于vhost-net和virtio-net都运行在host和guest的kernel space，因此，我们也将他们称之为驱动程序，因此，有些文章中写成vhost-net驱动程序。
我们在backend和frontend之间有一个单独的control plane和data plane。如前所述，control plane只是为vhost-net内核模块和qemu进程实现了virtio spec进行通信，然后将其传递给guest，并最终传递给virtio-net。Vhost-net使用vhost protocol建立框架，然后将其用于data plane，以使用共享内存区域在host和guest kernel space之间直接转发数据包。

对于每个guest，我们可以关联多个虚拟CPU（vCPU），并给每个vCPU创建RX/TX队列，因此，带有3个vCPU的详细示例如下所示（为了简单，删除control plane）

3. KVM中virtio-net与vhost-net通信

vhost模块需要提前加载，注册一个misc的设备，供虚拟机启动时候使用。
虚拟机创建的时候，会初始化一个tap设备，然后启动一个vhost _$（qemu-kvm_pid）的线程，配置vring等承载数据的高度。
guest和host进行网络数据IO的时候，只负责数据IO的中断，中断消息等由kvm模块负责。
guest发包的时候，virtio模块负责发送数据包加入链接，然后通知kvm模块，kvm模块通过ioeventfd通知vhost模块，此时可以将有包的堆栈挂在work_list上，然后激活线程vhost进行收包操作，收到包之后传递给tap设备，再往内核协议栈中上
guest收包的时候，首先是vhost的往tap设备发包，然后将包加入到其中一个，然后将挂在work_list，激活线程vhost，vhost进行收包的操作，然后传递到其中，然后vhost通过irqfd通知kvm模块，kvm模块给guest发送中断，guest会通过中断，到NAPI，执行轮询，接收数据包，然后上传到协议栈。

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4.vhost-net 与 virtio-net 的比较

在 QEMU/KVM 中，客户机可以使用的设备大致可分为三类：

1. 模拟设备：完全由 QEMU 纯软件模拟的设备。

2. Virtio 设备：实现 VIRTIO API 的半虚拟化设备。

3. PCI 设备直接分配（PCI device assignment）。

4.1 全虚拟化 I/O 设备

KVM 在 IO 虚拟化方面，传统或者默认的方式是使用 QEMU 纯软件的方式来模拟 I/O 设备，包括键盘、鼠标、显示器，硬盘和网卡等。模拟设备可能会使用物理的设备，或者使用纯软件来模拟。模拟设备只存在于软件中。

过程：

客户机的设备驱动程序发起 I/O 请求操作请求
KVM 模块中的 I/O 操作捕获代码拦截这次 I/O 请求
经过处理后将本次 I/O 请求的信息放到 I/O 共享页（sharing page），并通知用户空间的 QEMU 程序。
QEMU 程序获得 I/O 操作的具体信息之后，交由硬件模拟代码来模拟出本次 I/O 操作。
完成之后，QEMU 将结果放回 I/O 共享页，并通知 KMV 模块中的 I/O 操作捕获代码。
KVM 模块的捕获代码读取 I/O 共享页中的操作结果，并把结果放回客户机。

这种方式的优点是可以模拟出各种各样的硬件设备；其缺点是每次 I/O 操作的路径比较长，需要多次上下文切换，也需要多次数据复制，所以性能较差。

4.2 virtio架构

目前 KVM 采用的的是 virtio 这个 Linux 上的设备驱动标准框架，它提供了一种 Host 与 Guest 交互的 IO 框架。

KVM/QEMU 的 vitio 实现采用在 Guest OS 内核中安装前端驱动（Front-end driver）和在 QEMU 中实现后端驱动（Back-end）的方式。前后端驱动通过 vring 直接通信，这就绕过了经过 KVM 内核模块的过程，达到提高 I/O 性能的目的。

纯软件模拟的设备和 Virtio 设备的区别：virtio 省去了纯模拟模式下的异常捕获环节，Guest OS 可以和 QEMU 的 I/O 模块直接通信。

使用 Virtio 的完整虚机 I/O流程：

Host 数据发到 Guest：

1. KVM 通过中断的方式通知 QEMU 去获取数据，放到 virtio queue 中

2. KVM 再通知 Guest 去 virtio queue 中取数据。

vhost-net 的要求：

qemu-kvm-0.13.0 或者以上
主机内核中设置 CONFIG_VHOST_NET=y 和在虚机操作系统内核中设置 CONFIG_PCI_MSI=y （Red Hat Enterprise Linux 6.1 开始支持该特性）
在客户机内使用 virtion-net 前段驱动
在主机内使用网桥模式，并且启动 vhost_net

qemu-kvm 命令的 -net tap 有几个选项和 vhost-net 相关的: -net tap,[,vnet_hdr=on|off][,vhost=on|off][,vhostfd=h][,vhostforce=on|off]

vnet_hdr =on|off：设置是否打开TAP设备的“IFF_VNET_HDR”标识。“vnet_hdr=off”表示关闭这个标识；“vnet_hdr=on”则强制开启这个标识，如果没有这个标识的支持，则会触发错误。IFF_VNET_HDR是tun/tap的一个标识，打开它则允许发送或接受大数据包时仅仅做部分的校验和检查。打开这个标识，可以提高virtio_net驱动的吞吐量。
vhost=on|off：设置是否开启vhost-net这个内核空间的后端处理驱动，它只对使用MIS-X中断方式的virtio客户机有效。
vhostforce=on|off：设置是否强制使用 vhost 作为非MSI-X中断方式的Virtio客户机的后端处理程序。
vhostfs=h：设置为去连接一个已经打开的vhost网络设备。

4.3 vhost-net

前面提到 virtio 在宿主机中的后端处理程序（backend）一般是由用户空间的QEMU提供的，然而如果对于网络 I/O 请求的后端处理能够在在内核空间来完成，则效率会更高，会提高网络吞吐量和减少网络延迟。在比较新的内核中有一个叫做 “vhost-net” 的驱动模块，它是作为一个内核级别的后端处理程序，将virtio-net的后端处理任务放到内核空间中执行，减少内核空间到用户空间的切换，从而提高效率。

4.4 vhost_user

4.4.1 什么是 vhost-user

在 vhost_net 的方案中，由于 vhost_net 实现在内核中，guest 与 vhost_net 的通信，相较于原生的 virtio 方式性能上有了一定程度的提升，从 guest 到 kvm.ko 的交互只有一次用户态的切换以及数据拷贝。这个方案对于不同 host 之间的通信，或者 guest 到 host nic 之间的通信是比较好的，但是对于某些用户态进程间的通信，比如数据面的通信方案，openvswitch 和与之类似的 SDN 的解决方案，guest 需要和 host 用户态的 vswitch 进行数据交换，如果采用 vhost_net 的方案，guest 和 host 之间又存在多次的上下文切换和数据拷贝，为了避免这种情况，业界就想出将 vhost_net从内核态移到用户态。这就是 vhost-user 的实现。

4.4.2 vhost-user 的实现

vhost-user 和 vhost_net 的实现原理是一样，都是采用 vring 完成共享内存，eventfd 机制完成事件通知。不同在于 vhost_net 实现在内核中，而 vhost-user 实现在用户空间中，用于用户空间中两个进程之间的通信，其采用共享内存的通信方式。

vhost-user 基于 C/S 的模式，采用 UNIX 域套接字（UNIX domain socket）来完成进程间的事件通知和数据交互，相比 vhost_net 中采用 ioctl 的方式，vhost-user 采用 socket 的方式大大简化了操作。

vhost-user 基于 vring 这套通用的共享内存通信方案，只要 client 和 server 按照 vring 提供的接口实现所需功能即可，常见的实现方案是 client 实现在 guest OS 中，一般是集成在 virtio 驱动上，server 端实现在 qemu 中，也可以实现在各种数据面中，如 OVS，Snabbswitch 等虚拟交换机。

如果使用 qemu 作为 vhost-user 的 server 端实现，在启动 qemu 时，我们需要指定 -mem-path 和 -netdev 参数，如：

$ qemu -m 1024 -mem-path /hugetlbfs,prealloc=on,share=on \
-netdev type=vhost-user,id=net0,file=/path/to/socket \
-device virtio-net-pci,netdev=net0

指定 -mem-path 意味着 qemu 会在 guest OS 的内存中创建一个文件，share=on 选项允许其他进程访问这个文件，也就意味着能访问 guest OS 内存，达到共享内存的目的。

-netdev type=vhost-user 指定通信方案，file=/path/to/socket 指定 socket 文件。

当 qemu 启动之后，首先会进行 vring 的初始化，并通过 socket 建立 C/S 的共享内存区域和事件机制，然后 client 通过 eventfd 将 virtio kick 事件通知到 server 端，server 端同样通过 eventfd 进行响应，完成整个数据交互。

参考链接：

Linux kernel Vhost-net 和 Virtio-net代码详解

Linux kernel Vhost-net 和 Virtio-net代码详解 - allcloud - 博客园