Virtio:针对 Linux 的 I/O 虚拟化框架

使用 KVM 和 lguest 的半虚拟化 I/O

Linux 内核支持多种虚拟化模式,并且支持的数量随着虚拟化的进步和新模式的出现(例如 lguest)而增加。但是,让这些虚拟化模式能够在 Linux 之上运行之后,又如何让它们能够在 I/O 虚拟化方面利用底层内核呢?答案是使用 virtio,它为 hypervisor 和一组通用的 I/O 虚拟化驱动程序提供高效的抽象。探索 virtio 并了解为什么 Linux 将成为最佳的 hypervisor。

分享您的技能: 支持特定的 I/O 虚拟化模式影响您选择使用指定的 hypervisor 吗?请在下面 添加您的评论

M. Tim Jones, 自由作者

M. Tim JonesM. Tim Jones 是一名嵌入式固件架构师,同时也是 Artificial Intelligence: A Systems Approach, GNU/Linux Application Programming(第二版)、AI Application Programming(第二版)和 BSD Sockets Programming from a Multilanguage Perspective 的作者。他的工程背景包括地球同步航天器内核开发、嵌入式系统架构和网络协议开发等。Tim 还是科罗拉多州朗蒙特市 Emulex Corp. 的顾问工程师。



2010 年 3 月 04 日

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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

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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
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。


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
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。

virtio API 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 virtio API 的内部及其组件。


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
高级架构

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_devicevirtqueue 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 virtio API 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
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_devicevirtqueue(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。

virtqueue API 的最后两个函数是 enable_cbdisable_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。


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 virtio PCI 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。


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。

参考资料

学习

  • Rusty Russell 的 “Virtio: towards a de factor standard for virtual I/O devices” 是深入了解 virtio 技术的最好资源。这篇论文详尽阐述了 virtio 及其内部结构。
  • 这篇文章谈论两个虚拟化机制:完全虚拟化和半虚拟化。要更多地了解 Linux 中的各种虚拟化机制,请查看 Tim 的文章 “虚拟 Linux”(developerWorks,2006 年 12 月)。
  • virtio 背后的秘密就是利用半虚拟化来改善总体 I/O 性能。要了解使用 Linux 作为 hypervisor 和设备模拟,请查看 Tim 的文章 “剖析 Linux hypervisor”(developerWorks,2009 年 5 月)和 “Linux 虚拟化和 PCI 透传技术”(developerWorks,2009 年 10 月)。
  • 本文讨论设备模拟,提供该功能的最重要应用程序之一是 QEMU(一个系统模拟器)。您可以阅读 Tim 的文章 “使用 QEMU 进行系统仿真”(developerWorks,2007 年 9 月),更多地了解 QEMU。
  • Xen 还包含虚拟化驱动程序的概念。Paravirtual Windows Drivers 讨论半虚拟化和硬件辅助虚拟化(HVM),尤其是后者。
  • virtio 的最重要优点之一是在半虚拟化环境中提升效率。这篇来自 btm.geek 的博客显示了 使用 KVM 的 virtio 的优势
  • 本文讨论 libvirt(一个开源虚拟化 API)和 virtio 框架的相似之处。libvirt wiki 展示了如何在 libvirt 中指定 virtio 设备。
  • 这篇文章讨论两个利用 virtio 框架的 hypervisor 解决方案:lguest 是一个 x86 hypervisor,它也是由 Rusty Russell 开发的;KVM 是另一个基于 Linux 的 hypervisor,它是首个构建到 Linux 内核中的 hypervisor。
  • virtio 的有趣应用之一是开发 共享内存消息传递,以让 VM 能够通过 hypervisor 彼此通信,来自 SpringerLink 的论文对此进行了阐述。
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ArticleTitle=Virtio:针对 Linux 的 I/O 虚拟化框架
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