一、vhost-net--------virtio-networking和vhost-net简介

Virtio是一种标准化的开放接口，用于使虚拟机（VM）能够访问简化的设备，如块设备和网络适配器。Virtio-net是一张虚拟以太网卡，到目前为止是virtio支持的最复杂的设备。

在本文中，我们将提供virtio-networking架构的高级解决方案概述，基于在主机内核和VM客户内核之间建立接口。我们将介绍基本的构建模块，包括KVM、qemu和libvirt。我们将查看virtio规范和vhost协议，以及用于连接不同VM和外部世界的Open vSwitch（OVS）。本文中描述的基于vhost-net/virtio-net的架构是一系列不同性能、应用易用性和实际部署的virtio-networking架构中的第一个。

阅读完本文后，您应该清楚所提到的术语以及运行在VM中的应用程序如何将数据包传输到运行在其他VM和外部世界的应用程序。这些术语将成为接下来文章的基础。

Virtio的基本构建块

Guest VM或guest是安装、执行和托管在物理机器上的虚拟机（VM）。托管guest VM的机器称为主机，它为guest提供资源。guest在主机操作系统之上通过虚拟机监视器运行一个独立的操作系统。例如，主机将为guest提供一个虚拟网卡，使guest机器感觉自己正在使用真实的网卡，而实际上它正在使用虚拟网卡。

以下构建块创建了virtio连接的环境：

1、KVM - 基于内核的虚拟机，允许Linux充当虚拟机监视器，以便主机机器可以运行多个隔离的虚拟环境，称为guests。KVM基本上为Linux提供了虚拟机监视器的功能。这意味着虚拟机监视器组件，如内存管理器、调度程序、网络堆栈等，作为Linux内核的一部分提供。虚拟机是由标准Linux调度程序安排的常规Linux进程，具有专用的虚拟硬件，如网络适配器。

2、QEMU - 通过模拟提供一组不同的硬件和设备模型供guest机器使用的托管虚拟机监视器。QEMU可以与KVM一起使用，以接近本地速度运行虚拟机，利用硬件扩展功能。通过qemu命令行界面（CLI）执行guest。CLI提供了为QEMU指定所有必要配置选项的功能。

3、Libvirt - 一个接口，将XML格式的配置转换为qemu CLI调用。它还提供了一个管理守护程序来配置诸如qemu之类的子进程，因此qemu不需要root权限。例如，当Openstack Nova想要启动VM时，它使用libvirt来为每个VM调用qemu进程，通过为每个VM调用一个qemu进程来启动VM。

以下图表显示了这三个构建块是如何结合在一起的：

主机和guest都包含内核空间和用户空间。如图所示，KVM在主机内核空间中运行，而libvirt在主机用户空间中运行。

guest VM在qemu进程内运行，这只是在主机用户空间运行的进程，与libvirt（用户空间应用程序）和KVM（主机内核）进行通信。

为每个guest VM创建一个qemu进程，因此如果创建N个VM，将有N个qemu进程，libvirt将与每个进程通信。

Virtio规范和vhost协议

在讨论virtio-networking时，我们可以将讨论分为两个层面：

控制平面 - 用于主机和guest之间的能力交换协商，用于建立和终止数据平面。

数据平面 - 用于在主机和guest之间传输实际数据（数据包）。
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重要的是要区分这些层，因为它们具有不同的要求（如性能）和不同的实现，正如将在这篇文章和接下来的文章中看到的那样。

从根本上说，数据平面需要尽可能高效，以便快速传输数据包，而控制平面需要尽可能灵活，以支持未来架构中的不同设备和供应商。

如介绍中所提到的，virtio是作为让guest访问主机上的设备的接口而开发的。我们可以将virtio分为两部分：

virtio规范 - 由OASIS维护的virtio规范定义了如何在guest和host之间创建控制平面和数据平面。例如，数据平面由在规范中详细
描述的缓冲区和环形布局组成。

vhost协议 - 一种允许将virtio数据平面实现卸载到另一个元素（用户进程或内核模块）以增强性能的协议。
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virtio的控制平面是基于virtio规范在qemu进程中实现的，但数据平面不是。那么问题是为什么不根据virtio规范在qemu进程中以类似的方式实现数据平面？

答案是性能。

如果我们简单地在qemu中实现virtio规范的数据平面，每个从内核到guest的数据包以及反之都会导致一次上下文切换。这是一个昂贵的操作，会增加延迟并需要更多的处理时间（请记住，qemu只是另一个Linux进程），因此如果可能的话，我们希望避免这种情况。

这就是vhost协议发挥作用的地方，它使我们能够实现一个从内核（主机）直接到guest的数据平面，绕过qemu进程。

vhost协议本身只描述了如何建立数据平面。实施它的人还应该实施描述数据缓冲区（主机和guest）和实际发送/接收数据包的环形布局。

如后面的部分所述，vhost协议可以在内核中（vhost-net）或用户空间中（vhost-user）实现。本文描述的vhost-net/virtio-net架构侧重于内核实现，也称为vhost-net。

vhost-net/virtio-net架构

当我们谈论virtio接口时，有一个后端组件和一个前端组件：

后端组件是virtio接口的主机端

前端组件是virtio接口的guest端
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在vhost-net/virtio-net架构中，这些组件如下：

vhost-net是在主机内核空间运行的后端

virtio-net是在guest内核空间运行的前端
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以下图表显示了virtio后端和前端如何映射到整个架构：

需要澄清的几个要点：

由于vhost-net和virtio-net都在主机和guest内核空间运行，因此我们也称它们为驱动程序，所以如果有人写“vhost-net驱动程序”（同样的东西），不要感到困惑。

在后端和前端之间，我们有一个单独的控制平面和数据平面。正如前面解释的，控制平面只是为vhost-
net内核模块和qemu进程实现virtio规范，然后传输到guest，最终到virtio-net。vhost-net使用vhost协议
来建立框架，然后用于数据平面，直接通过共享内存区域在主机和guest内核之间转发数据包。
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实际上，数据平面通信，接收（RX）和传输（TX），是通过专用队列完成的。

对于每个guest，我们可以关联多个虚拟CPU（vCPU），并为每个CPU创建RX/TX队列，因此具有4个vCPU的更详细的示例如下（为简单起见删除了控制平面）：

到目前为止，我们已经描述了如何使用virtio-networking接口将数据包传递给主机内核。为了将这些数据包转发到在同一主机上运行的其他guest或主机外（例如互联网），我们使用了OVS。

OVS是一个软件交换机，可在内核中启用数据包转发。它由用户空间部分和内核空间部分组成：

用户空间 - 包括一个数据库（ovsdb-server）和用于管理和控制交换机的OVS守护程序（ovs-vswitchd）。

内核空间 - 包括负责数据路径或转发平面的ovs内核模块。

OVS控制器既与数据库服务器通信，也与内核转发平面通信。为了将数据包推入和推出OVS，我们使用Linux端口。在我们的情况下，有一个端口将OVS内核转发平面连接到物理NIC，而另一个端口连接到vhost-net后端。

请注意，我们正在尝试简化事物，因为实际上会有多个NIC通过多个端口连接到OVS，并且会运行多个VM，因此有多个端口连接到多个vhost-net后端。

回到virtio-networking，这个图表显示了OVS如何连接到virtio：

请注意，上面提到的端口用于将OVS连接到主机外部，以及连接到vhost-net，从那里连接到virtio-net，再连接到在VM中运行的应用程序。

这就结束了基于主机内核、客户内核和在内核中运行的OVS的vhost-net/virtio-net架构概述。

总结

在本篇文章中，我们初步介绍了virtio-networking生态系统的基本构建块，为您介绍了virtio-networking使用的虚拟化和网络的基本构建块。我们简要介绍了virtio规范和vhost协议，回顾了用于实现virtio接口的前端和后端架构，并带您了解了vhost-net/virtio-net架构，其中vhost-net（主机内核）与virtio-net（客户内核）通信。

在试图解释事物时，我们遇到的一个根本性挑战是术语的历史负担。例如，virtio-net既指virtio规范中的virtio网络设备实现，也指vhost-net/virtio-net架构中描述的客户内核前端。我们试图通过解释术语的上下文并仅使用virtio-net来描述客户内核前端来解决这个问题。

正如稍后的帖子中将要解释的，根据使用DPDK和不同的硬件卸载技术，还有其他的virtio规范网络设备的实现，这些都属于virtio-networking的范畴。

接下来的两篇帖子旨在更深入地了解vhost-net/virtio-net架构。其中一篇帖子面向架构师，提供了对vhost-net/virtio-net的技术深入分析，并解释了在实践中如何实现数据平面和控制平面。另一篇面向开发人员，包括Ansible脚本，以便实验vhost-net/virtio-net架构。