IO虚拟化

作者：空白诗007 | 2024-08-18 19:46:42

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io虚拟化

全虚拟化

全虚拟化

对于全虚拟化有两种思路。一种是把模拟设备放在VMM（VMware），另一种是放在user space，如qemu（KVM）。模拟设备只是用软件实现了各种接口共Guest OS使用，hypervisor监测Guest OS对于虚拟设备的操作，然后将其转化到实际的物理设备。实现了一个物理设备在多个OS之间共享的目的。左侧图显示的是VMware的solution（不是所有的模拟设备都放在vmm，还有一些是放在vmx），右边是KVM。

通过设备模拟，虽然可以实现共享，但是由于加了一层，会有一些性能损失，对于高吞吐量的workload而言就不能满足了。

硬件辅助的IO虚拟化

需要CPU支持VT-D或者IOMMU。

Passthrough

Passthru方式将物理设备直接映射到Guest OS的地址空间，可以达到近乎裸机的性能，但是它也失去了虚拟机的一些关键特性，如live migration。同时一个物理设备只能被一个VM使用。

SR-IOV

目前许多PCI设备都支持SR-IOV（Single Root I/O Virtualization），把一个物理设备虚拟出许多虚拟设备（PF -> VFs）。也就是说末端的PCI device 原生支持虚拟化。VFs共享PF的资源。每个/几个 VFs可以分配给VM使用。效果类似于passthru。

PF：全功能的PCIe功能，可以想普通PCIe设备一样被使用。
VF：与物理功能关联的一种轻量级PCIe功能，VF之间共享PF的资源。

virtio

先回顾下KVM IO虚拟化的发展历程

1. QEMU纯软件模拟

qemu模拟IO设备给虚拟机使用，虚拟机内OS不用做任何修改，直接使用，缺点是性能较低，需要频繁vm-exit. KVM截获IO请求，将具体信息保存在IO sharing page，然后通知QEMU进行处理。待QEMU处理完成，将结果同样保存在IO sharing page，通知KVM，然后其把结果返回给虚机

2. virtio半虚拟化

在虚拟机中安装virtio driver作为前端，virtio后端处理前端发送的读写请求，可减少vm-exit与内存拷贝，virtio基于vring的通讯机制，由QEMU模拟PCIe设备，供虚拟机使用，其遵循PCI规范，具有配置空间、中断配置等功能。

QEMU作为后端处理IO请求

Guest 发起 I/O 操作，Guest 内核Virtio驱动写 PCI 配置空间，触发 VM EXIT，返回到 Host KVM 中（通知 KVM）
QEMU 的 vCPU 线程从 KVM 内核态回到 QEMU，让 QEMU Device 来处理 Virtio Vring 请求
QEMU 通过 iSCSI Drive 发起存储连接（iscsi over tcp to localhost）
通过 Socket 将请求连接到存储进程提供的 iSCSI Target，存储服务器处理IO请求
I/O 操作结束，通过上述逆过程返回至 Virtio 后端 Device，QEMU会向模拟的PCI发送中断通知，从而Guest基于该中断完成整个 I/O 流程

vhost-kernel

IO处理模块放在QEMU进程外，统称为vhost，这里先介绍vhost-kernel。

由于上面的virtio流程中，存在多次user space与kernel space的切换和多次内存拷贝（例如 guest 发包给外部网络，首先，guest 需要切换到 host kernel，然后 host kernel 会切换到 qemu 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，会切换回 host kernel ，最后再切换回 guest。这样漫长的路径无疑会带来性能上的损失），所以可以在kernel中完成虚机的IO请求（vhost-net.ko），数据面由kernel接管，但是控制面仍然由QEMU实现。具体方法是在初始化vhost时，创建一个叫vhost-$PID的kthread，它与Guest间通过virtqueue交互IO信息，vhost将部分virtio驱动从用户态迁移到内核态，减少了用户态/内核态间的切换(只需一次)。

vhost-user

IO处理模块放在用户态，1. 后端采用轮询方式减少vm-exit所带来的开销。2.用户态进程内存共享

依赖DPDK，在用户态操作网卡，直接收发数据

当 Guest 发起 I/O 操作后，存储软件通过 Polling 机制感知新的请求动作，从 virtqueue 获取数据；
后端处理IO请求
I/O 操作完成后，由 vhost device 发送 irqfd（eventfd）通知到 KVM；
KVM 注入中断通知 Guest OS 完成 I/O

前端与后端通过socket传递控制信息

不同virtio版本

virtio现在分为0.95/1.0/1.1三个版本，其中0.95只支持单队列，1.0/1.1开始支持多队列。

此为1.0版本驱动：

0.95版本要使用老版本Linux，例如centos6.8x86_64

新版本设备可以兼容旧驱动，这里可强制使用0.95驱动

参考文档： Linux virtualization and PCI passthrough – IBM DeveloperProcessors have evolved to improve performance for virtualized environments, but what about I/O aspects? Discover one such I/O performance enhancement called device (or PCI) passthrough. This innovation improves performance of PCI devices using hardware support from Intel (VT-d) or AMD (IOMMU).https://developer.ibm.com/tutorials/l-pci-passthrough/

IO虚拟化——SR-IOV 原理_查理王的博客-CSDN博客摘要：介绍SR-IOV 的概念、使用场景、VMware 和 KVM 中的配置方法。第一部分：虚拟化通信延迟：第二部分：IO 虚拟化第三部分：SR-IOV第四部分：Intel网卡在VMware 环境实现 SR-IOV 需要的条件和配置方法第五部分：SR-IOV 在Red Hat Virtualization 的配制方法第一部分：虚拟化通信延迟：生产业务中，...https://blog.csdn.net/tony_vip/article/details/104269574

SPDK Vhost-user 如何帮助超融合架构实现 I/O 存储性能提升_志凌海纳SmartX的博客-CSDN博客

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