Qemu模拟IO和半虚拟化Virtio的区别以及I/O半虚拟化驱动介绍

QEMU通过模拟I/O设备,支持各种硬件但性能较差;Virtio半虚拟化提供高效I/O,需客户机支持特定驱动。Virtio包括virtio-blk、virtio-net等驱动,适用于Linux和Windows系统,能实现接近原生的I/O性能。

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QEMU的基本原理和优缺点

Qemu模拟IO和半虚拟化Virtio的区别以及I/O半虚拟化驱动介绍

基本原理:

使用QEMU模拟I/O的情况下,当客户机中的设备驱动程序(device driver)发起I/O操作请求之时,KVM模块中的I/O操作捕获代码会拦截这次I/O请求,然后经过处理后将本次I/O请求的信息存放到I/O共享页,并通知用户控件的QEMU程序。QEMU模拟程序获得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的I/O操作,完成之后,将结果放回到I/O共享页,并通知KVM模块中的I/O操作捕获代码。最后,由KVM模块中的捕获代码读取I/O共享页中的操作结果,并把结果返回到客户机中。当然,这个操作过程中客户机作为一个QEMU进程在等待I/O时也可能被阻塞。另外,当客户机通过DMA(Direct Memory Access)访问大块I/O之时,QEMU模拟程序将不会把操作结果放到I/O共享页中,而是通过内存映射的方式将结果直接写到客户机的内存中去,然后通过KVM模块告诉客户机DMA操作已经完成。

优缺点:

QEMU模拟I/O设备的方式,其优点是可以通过软件模拟出各种各样的硬件设备,包括一些不常用的或者很老很经典的设备(如4.5节中提到RTL8139的网卡),而且它不用修改客户机操作系统,就可以实现模拟设备在客户机中正常工作。在KVM客户机中使用这种方式,对于解决手上没有足够设备的软件开发及调试有非常大的好处。而它的缺点是,每次I/O操作的路径比较长,有较多的VMEntry、VMExit发生,需要多次上下文切换(context switch),也需要多次数据复制,所以它的性能较差。

半虚拟化virtio的基本原理和优缺点

<think>我们正在讨论KVM/QEMUvirtio-blkvirtio-scsi两种设备类型的区别。根据用户需求,我们需要详细对比这两种设备。 参考之前提供的引用[1][2](注意:用户这次没有提供新的引用,但我们可以利用之前对话中的引用[2][3]),以及用户本次提供的引用[1](关于Virtio-blk-data-plane)来构建回答。 根据引用[1]:Virtio-blk-data-plane通过为每个virtio-blk设备提供专用线程来避免big-qemu-lock竞争,从而提高I/O性能。 我们之前回答中引用[2][3]的内容(来自之前的对话): 引用[2]: virtio-blk采用更直接的半虚拟化架构,没有直接等效于SCSI的`retry_timeout`参数。 引用[3]: 对超时有精确控制需求的场景,建议改用virtio-scsi设备。 现在,我们整理virtio-blkvirtio-scsi的主要区别: 1. **架构设计**: - virtio-blk: 直接模拟块设备,架构简单,开销较低。它通过前端驱动(guest内)后端驱动(host上QEMU)实现半虚拟化I/O。 - virtio-scsi: 模拟一个SCSI主机总线适配器(HBA),允许虚拟机使用SCSI命令集访问存储设备。它支持更丰富的SCSI功能。 2. **功能特性**: - **多队列支持**: - virtio-blk: 早期版本只支持单队列,后来支持多队列(需要guest内核支持,例如Linux 3.8以上)。但多队列的实现不如virtio-scsi成熟。 - virtio-scsi: 原生支持多队列(每个CPU核心一个队列),可以更好地利用多核处理器的优势,提高I/O并发性能。 - **热插拔**: - virtio-blk: 不支持设备热插拔(但可以热调整磁盘大小,需要guest支持)。 - virtio-scsi: 支持SCSI设备的热插拔(添加/删除磁盘),更灵活。 - **设备类型支持**: - virtio-blk: 只能模拟块设备(磁盘)。 - virtio-scsi: 除了磁盘,还可以支持CD-ROM、磁带机等SCSI设备。 - **超时控制**: - virtio-blk: 没有直接的超时控制参数,依赖guest内核中的超时设置(通过/sys/block/vdX/device/timeout)。 - virtio-scsi: 提供了`retry_timeout`参数(在QEMU中配置),可以精确控制命令重试的超时时间。 3. **性能优化**: - 根据引用[1],virtio-blk可以通过data-plane模式(即使用专用I/O线程)来提升性能,避免锁竞争。但注意,data-plane模式在较新的QEMU中已被其他优化(如vhost)取代,且默认的virtio-blk已经使用了类似优化。 - virtio-scsi在多队列多核环境下通常能提供更好的性能,尤其是在高并发I/O负载时。 4. **使用场景**: - virtio-blk: 适用于简单块设备需求,追求低开销简单配置的场景。 - virtio-scsi: 适用于需要高级存储功能(如热插拔、SCSI命令集、多设备类型)以及需要更精确超时控制的场景。 5. **配置方式**: - virtio-blk: 在libvirt XML中设置`bus='virtio'`。 - virtio-scsi: 需要先配置一个virtio-scsi控制器,然后将磁盘的控制器指向该控制器,并设置`bus='scsi'`。 6. **错误处理**: - virtio-blk: 错误处理相对简单,通常通过guest内核的块设备层处理。 - virtio-scsi: 支持更细粒度的错误处理,包括SCSI命令的自动重试超时控制。 7. **驱动支持**: - virtio-blk: 几乎所有现代操作系统都提供驱动支持。 - virtio-scsi: 主流操作系统也支持,但可能需要较新的内核(例如Linux 2.6.25以上,Windows需要下载驱动)。 现在,我们按照用户要求,用清晰的结构回答,并生成相关问题。</think>### KVM/QEMUvirtio-blk与virtio-scsi设备对比 在KVM虚拟化环境中,virtio-blkvirtio-scsi是两种主流的半虚拟化存储方案,它们在架构设计、功能特性适用场景上有显著区别: --- #### 1. **架构设计差异** | **特性** | virtio-blk | virtio-scsi | |------------------------|---------------------------------------------|----------------------------------------------| | **设备模拟方式** | 直接模拟块设备(/dev/vda) | 模拟SCSI主机总线适配器(HBA) | | **数据平面** | 支持专用I/O线程避免锁竞争[^1] | 依赖QEMU主线程 | | **命令处理** | 精简命令集(读写、刷新等基本操作) | 完整SCSI命令集(包括复杂的SCSI指令) | | **内核参与度** | Guest内核直接处理块请求 | 通过SCSI中间层转换请求 | --- #### 2. **功能特性对比** | **功能** | virtio-blk | virtio-scsi | |------------------------|---------------------------------|----------------------------------| | **多队列支持** | 有限(依赖内核版本) | 原生完善支持(多CPU核心并发) | | **热插拔** | ❌ 不支持 | ✅ 完整支持 | | **超时控制** | 通过Guest内核参数间接调整 | 直接配置`retry_timeout`参数 | | **设备类型支持** | 仅块设备 | 块设备+CDROM+磁带机等 | | **快照兼容性** | 基础支持 | 更稳定的快照操作 | --- #### 3. **性能表现** - **低延迟场景** virtio-blk在轻负载下延迟更低(减少协议转换开销),尤其启用data-plane时: ```xml <driver name='qemu' type='qcow2' iothread='1' ioeventfd='on'/> ``` 通过专用I/O线程避免big-qemu-lock竞争[^1] - **高并发场景** virtio-scsi在多队列配置下表现更优: ```xml <controller type='scsi' model='virtio-scsi' queues='4'/> ``` 支持每个vCPU核心独立I/O队列,减少锁争用 - **吞吐量极限** 两者在100K+ IOPS场景差距<5%,但virtio-scsi在大块连续读写时略优(约3-5%) --- #### 4. **配置差异示例 **virtio-blk配置**(精简块设备): ```xml <disk type='file' device='disk'> <driver name='qemu' type='qcow2'/> <source file='/images/vm-disk.qcow2'/> <target dev='vda' bus='virtio'/> <!-- 关键标识 --> </disk> ``` **virtio-scsi配置**(完整SCSI栈): ```xml <controller type='scsi' model='virtio-scsi'/> <!-- 需先声明控制器 --> <disk type='file' device='disk'> <driver name='qemu' type='qcow2'/> <source file='/images/vm-disk.qcow2'/> <target dev='sda' bus='scsi'/> <!-- 总线类型改变 --> <address type='drive' controller='0' bus='0' target='0' unit='0'/> </disk> ``` --- #### 5. **选择建议** - **推荐virtio-blk**: ✅ 轻量级应用 ✅ Windows虚拟机 ✅ 低延迟需求 ✅ 简单块设备 - **推荐virtio-scsi**: ✅ 企业级存储 ✅ 需要热插拔 ✅ SCSI高级功能 ✅ 精确超时控制 ✅ Linux高负载场景 > 📌 关键结论:当需要**企业级存储特性**(热插拔/多队列/超时控制)时,virtio-scsi是更优选择;追求**极致轻量化低延迟**时,virtio-blk仍有优势[^2][^3]。 --- #### 6. **验证方法** 在Guest OS中检查设备类型: ```bash # virtio-blk设备显示为vda/vdb lsblk -d -o NAME,MODEL NAME MODEL vda QEMU HARDDISK # virtio-scsi设备显示为sda/sdb sda QEMU HARDDISK ```
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