[转]Virtio:针对 Linux 的 I/O 虚拟化框架
2016-07-25 00:00
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摘要: Virtio:针对 Linux 的 I/O 虚拟化框架
概而言之,
Linux 是 hypervisor 展台。如我的 剖析 Linux hypervisor 所述,Linux 提供各种 hypervisor 解决方案,这些解决方案都有自己的特点和优点。这些解决方案包括 Kernel-based Virtual Machine (KVM)、
在 完全虚拟化模式中,hypervisor 必须模拟设备硬件,它是在会话的最低级别进行模拟的(例如,网络驱动程序)。尽管在该抽象中模拟很干净,但它同时也是最低效、最复杂的。在半虚拟化模式 中,来宾操作系统和 hypervisor 能够共同合作,让模拟更加高效。半虚拟化方法的缺点是操作系统知道它被虚拟化,并且需要修改才能工作。
图 1. 在完全虚拟化和半虚拟化环境下的设备模拟
硬件随着虚拟化技术而不断改变。新的处理器通过纳入高级指令来让来宾操作系统到 hypervisor 的过渡更加高效。此外,硬件也随着输入/输出(I/O)虚拟化而不断改变(参见 参考资料 了解 Peripheral Controller Interconnect [PCI] passthrough 和 single- and multi-root I/O 虚拟化)。
但是在传统的完全虚拟化环境中,hypervisor 必须捕捉这些请求,然后模拟物理硬件的行为。尽管这样做提供很大的灵活性(即运行未更改的操作系统),但它的效率比较低(参见 图 1 左边)。图 1 的右边是半虚拟化示例。在这里,来宾操作系统知道它运行在 hypervisor 之上,并包含了充当前端的驱动程序。Hypervisor 为特定的设备模拟实现后端驱动程序。通过在这些前端和后端驱动程序中的
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图 2. virtio 的驱动程序抽象
注 意,在现实中(尽管不需要),设备模拟发生在使用 QEMU 的空间,因此后端驱动程序与 hypervisor 的用户空间交互,以通过 QEMU 为 I/O 提供便利。QEMU 是一个系统模拟器,它不仅提供来宾操作系统虚拟化平台,还提供整个系统(PCI 主机控制器、磁盘、网络、视频硬件、USB 控制器和其他硬件元素)的模拟。
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图 3. vital 框架的高级架构
如 图 3 所示,分别为块设备(比如磁盘)、网络设备、PCI 模拟和 balloon 驱动程序列出了 5 个前端驱动程序。每个前端驱动程序在 hypervisor 中有一个对应的后端驱动程序。
图 4. virtio 前端的对象层次结构
该流程以创建
注意,
该层次结构的核心是
通过
缓冲区的格式、顺序和内容仅对前端和后端驱动程序有意义。内部传输(当前实现中的连接点)仅移动缓冲区,并且不知道它们的内部表示。
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现在,您可以在 Linux 内核中实践这个半虚拟化基础架构。您所需的包括一个充当 hypervisor 的内核、一个来宾操作性内核和用于设备模拟的 QEMU。您可以使用 KVM(位于主机内核中的一个模块)或 Rusty Russell 的
Rusty 的
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概而言之,
virtio是半虚拟化 hypervisor 中位于设备之上的抽象层。
virtio由 Rusty Russell 开发,他当时的目的是支持自己的虚拟化解决方案
lguest。本文在开篇时介绍半虚拟化和模拟设备,然后探索
virtio的细节。本文的重点是来自 2.6.30 内核发行版的
virtio框架。
Linux 是 hypervisor 展台。如我的 剖析 Linux hypervisor 所述,Linux 提供各种 hypervisor 解决方案,这些解决方案都有自己的特点和优点。这些解决方案包括 Kernel-based Virtual Machine (KVM)、
lguest和 User-mode Linux 等。在 Linux 上配备这些不同的 hypervisor 解决方案会给操作系统带来负担,负担的大小取决于各个解决方案的需求。其中的一项开销为设备的虚拟化。
virtio并没有提供多种设备模拟机制(针对网络、块和其他驱动程序),而是为这些设备模拟提供一个通用的前端,从而标准化接口和增加代码的跨平台重用。
完全虚拟化和半虚拟化
让我们快速讨论一下两种类型完全不同的虚拟化模式:完全虚拟化和半虚拟化。在完全虚拟化 中,来宾操作系统运行在位于物理机器上的 hypervisor 之上。来宾操作系统并不知道它已被虚拟化,并且不需要任何更改就可以在该配置下工作。相反,在半虚拟化 中,来宾操作系统不仅知道它运行在 hypervisor 之上,还包含让来宾操作系统更高效地过渡到 hypervisor 的代码(见 图 1)。在 完全虚拟化模式中,hypervisor 必须模拟设备硬件,它是在会话的最低级别进行模拟的(例如,网络驱动程序)。尽管在该抽象中模拟很干净,但它同时也是最低效、最复杂的。在半虚拟化模式 中,来宾操作系统和 hypervisor 能够共同合作,让模拟更加高效。半虚拟化方法的缺点是操作系统知道它被虚拟化,并且需要修改才能工作。
图 1. 在完全虚拟化和半虚拟化环境下的设备模拟
硬件随着虚拟化技术而不断改变。新的处理器通过纳入高级指令来让来宾操作系统到 hypervisor 的过渡更加高效。此外,硬件也随着输入/输出(I/O)虚拟化而不断改变(参见 参考资料 了解 Peripheral Controller Interconnect [PCI] passthrough 和 single- and multi-root I/O 虚拟化)。
virtio 的替换者
virtio并不是该领域中的唯一霸主。Xen 提供半虚拟化设备驱动程序,VMware 也提供 Guest Tools。
但是在传统的完全虚拟化环境中,hypervisor 必须捕捉这些请求,然后模拟物理硬件的行为。尽管这样做提供很大的灵活性(即运行未更改的操作系统),但它的效率比较低(参见 图 1 左边)。图 1 的右边是半虚拟化示例。在这里,来宾操作系统知道它运行在 hypervisor 之上,并包含了充当前端的驱动程序。Hypervisor 为特定的设备模拟实现后端驱动程序。通过在这些前端和后端驱动程序中的
virtio,为开发模拟设备提供标准化接口,从而增加代码的跨平台重用率并提高效率。
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针对 Linux 的抽象
从前面的小节可以看到,virtio是对半虚拟化 hypervisor 中的一组通用模拟设备的抽象。该设置还允许 hypervisor 导出一组通用的模拟设备,并通过一个通用的应用编程接口(API)让它们变得可用。图 2 展示了为什么这很重要。有了半虚拟化 hypervisor 之后,来宾操作系统能够实现一组通用的接口,在一组后端驱动程序之后采用特定的设备模拟。后端驱动程序不需要是通用的,因为它们只实现前端所需的行为。
图 2. virtio 的驱动程序抽象
注 意,在现实中(尽管不需要),设备模拟发生在使用 QEMU 的空间,因此后端驱动程序与 hypervisor 的用户空间交互,以通过 QEMU 为 I/O 提供便利。QEMU 是一个系统模拟器,它不仅提供来宾操作系统虚拟化平台,还提供整个系统(PCI 主机控制器、磁盘、网络、视频硬件、USB 控制器和其他硬件元素)的模拟。
virtioAPI 依赖一个简单的缓冲抽象来封装来宾操作系统需要的命令和数据。让我们查看
virtioAPI 的内部及其组件。
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Virtio 架构
除了前端驱动程序(在来宾操作系统中实现)和后端驱动程序(在 hypervisor 中实现)之外,virtio还定义了两个层来支持来宾操作系统到 hypervisor 的通信。在顶级(称为 virtio)的是虚拟队列接口,它在概念上将前端驱动程序附加到后端驱动程序。驱动程序可以使用 0 个或多个队列,具体数量取决于需求。例如,
virtio网络驱动程序使用两个虚拟队列(一个用于接收,另一个用于发送),而
virtio块驱动程序仅使用一个虚拟队列。虚拟队列实际上被实现为跨越来宾操作系统和 hypervisor 的衔接点。但这可以通过任意方式实现,前提是来宾操作系统和 hypervisor 以相同的方式实现它。
图 3. vital 框架的高级架构
如 图 3 所示,分别为块设备(比如磁盘)、网络设备、PCI 模拟和 balloon 驱动程序列出了 5 个前端驱动程序。每个前端驱动程序在 hypervisor 中有一个对应的后端驱动程序。
概念层次结构
从来宾操作系统的角度来看,对象层次结构 的定义如 图 4 所示。在顶级的是virtio_driver,它在来宾操作系统中表示前端驱动程序。与该驱动程序匹配的设备由
virtio_device(设备在来宾操作系统中的表示)封装。这引用
virtio_config_ops结构(它定义配置
virtio设备的操作)。
virtio_device由
virtqueue引用(它包含一个到它服务的
virtio_device的引用)。最后,每个
virtqueue对象引用
virtqueue_ops对象,后者定义处理 hypervisor 的驱动程序的底层队列操作。尽管队列操作是
virtioAPI 的核心,我还是先简单讨论一下新的发现,然后再详细探讨
virtqueue_ops操作。
图 4. virtio 前端的对象层次结构
该流程以创建
virtio_driver并通过
register_virtio_driver进行注册开始。
virtio_driver结构定义上层设备驱动程序、驱动程序支持的设备 ID 的列表、一个特性表单(取决于设备类型)和一个回调函数列表。当 hypervisor 识别到与设备列表中的设备 ID 相匹配的新设备时,将调用
probe函数(由
virtio_driver对象提供)来传入
virtio_device对象。将这个对象和设备的管理数据缓存起来(以独立于驱动程序的方式缓存)。可能要调用
virtio_config_ops函数来获取或设置特定于设备的选项,例如,为
virtio_blk设备获取磁盘的 Read/Write 状态或设置块设备的块大小,具体情况取决于启动器的类型。
注意,
virtio_device不包含到
virtqueue的引用(但
virtqueue确实引用了
virtio_device)。要识别与该
virtio_device相关联的
virtqueue,您需要结合使用
virtio_config_ops对象和
find_vq函数。该对象返回与这个
virtio_device实例相关联的虚拟队列。
find_vq函数还允许为
virtqueue指定一个回调函数(查看 图 4 中的
virtqueue结构)。
virtqueue是一个简单的结构,它识别一个可选的回调函数(在 hypervisor 使用缓冲池时调用)、一个到
virtio_device的引用、一个到
virtqueue操作的引用,以及一个引用要使用的底层实现的特殊
priv引用。虽然
callback是可选的,但是它能够动态地启用或禁用回调。
该层次结构的核心是
virtqueue_ops,它定义在来宾操作系统和 hypervisor 之间移动命令和数据的方式。让我们首先探索添加到或从
virtqueue移除的对象。
Virtio 缓冲池
来 宾操作系统(前端)驱动程序通过缓冲池与 hypervisor 交互。对于 I/O,来宾操作系统提供一个或多个表示请求的缓冲池。例如,您可以提供 3 个缓冲池,第一个表示 Read 请求,后面两个表示响应数据。该配置在内部被表示为一个散集列表(scatter-gather),列表中的每个条目表示一个地址和一个长度。核心 API
通过virtio_device和
virtqueue(更常见)将来宾操作系统驱动程序与 hypervisor 的驱动程序链接起来。
virtqueue支持它自己的由 5 个函数组成的 API。您可以使用第一个函数
add_buf来向 hypervisor 提供请求。如前面所述,该请求以散集列表的形式存在。对于
add_buf,来宾操作系统提供用于将请求添加到队列的
virtqueue、散集列表(地址和长度数组)、用作输出条目(目标是底层 hypervisor)的缓冲池数量,以及用作输入条目(hypervisor 将为它们储存数据并返回到来宾操作系统)的缓冲池数量。当通过
add_buf向 hypervisor 发出请求时,来宾操作系统能够通过
kick函数通知 hypervisor 新的请求。为了获得最佳的性能,来宾操作系统应该在通过
kick发出通知之前将尽可能多的缓冲池装载到
virtqueue。
通过
get_buf函数触发来自 hypervisor 的响应。来宾操作系统仅需调用该函数或通过提供的
virtqueue callback函数等待通知就可以实现轮询。当来宾操作系统知道缓冲区可用时,调用
get_buf返回完成的缓冲区。
virtqueueAPI 的最后两个函数是
enable_cb和
disable_cb。您可以使用这两个函数来启用或禁用回调进程(通过在
virtqueue中由
virtqueue初始化的
callback函数)。注意,该回调函数和 hypervisor 位于独立的地址空间中,因此调用通过一个间接的 hypervisor 来触发(比如
kvm_hypercall)。
缓冲区的格式、顺序和内容仅对前端和后端驱动程序有意义。内部传输(当前实现中的连接点)仅移动缓冲区,并且不知道它们的内部表示。
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示例 virtio 驱动程序
您可以在 Linux 内核的 ./drivers 子目录内找到各种前端驱动程序的源代码。可以在 ./drivers/net/virtio_net.c 中找到virtio网络驱动程序,在 ./drivers/block/virtio_blk.c 中找到
virtio块驱动程序。子目录 ./drivers/virtio 提供
virtio接口的实现(
virtio设备、驱动程序、
virtqueue和连接点)。
virtio还应用在 High-Performance Computing (HPC) 研究中,以开发出通过共享内存传递的 inter-virtual machine (VM) 通信。尤其是,这是通过使用
virtioPCI 驱动程序的虚拟化 PCI 接口实现的。您可以在 参考资料 部分更多地了解这个知识点。
现在,您可以在 Linux 内核中实践这个半虚拟化基础架构。您所需的包括一个充当 hypervisor 的内核、一个来宾操作性内核和用于设备模拟的 QEMU。您可以使用 KVM(位于主机内核中的一个模块)或 Rusty Russell 的
lguest(修改版的 Linux 来宾操作系统内核)。这两个虚拟化解决方案都支持
virtio(以及用于系统模拟的 QEMU 和用于虚拟化管理的
libvirt)。
Rusty 的
lguest是针对半虚拟化驱动程序和更快速地模拟虚拟设备的更简洁代码库。但更重要的是,实践证明
virtio比现有的商业解决方案提供更出色的性能(网络 I/O 能够提升 2-3 倍)。性能的提升是需要付出代价的,但是如果您使用 Linux 作为 hypervisor 和来宾操作系统,那么这样做是值得的。
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结束语
也许您可能从来没有为virtio开发过前端或后端驱动程序,它实现了一个有趣的架构,值得您仔细去探索。
virtio为提高半虚拟化 I/O 环境中的效率带来了新的机会,同时能够利用 Xen 以前的成果。Linux 不断地证明它是一个产品 hypervisor,并且是新虚拟化技术研究平台。
virtio这个例子展示了将 Linux 用作 hypervisor 的强大之处和开放性。
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