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Virtio 详解

一 简介

virtio 是一种 I/O 半虚拟化解决方案，是一套通用 I/O 设备虚拟化的程序，是对半虚拟化 Hypervisor 中的一组通用 I/O 设备的抽象。提供了一套上层应用与各 Hypervisor 虚拟化设备（KVM，Xen，VMware等）之间的通信框架和编程接口，减少跨平台所带来的兼容性问题，大大提高驱动程序开发效率。

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二 为什么是 virtio

在完全虚拟化的解决方案中，guest VM 要使用底层 host 资源，需要 Hypervisor 来截获所有的请求指令，然后模拟出这些指令的行为，这样势必会带来很多性能上的开销。半虚拟化通过底层硬件辅助的方式，将部分没必要虚拟化的指令通过硬件来完成，Hypervisor 只负责完成部分指令的虚拟化，要做到这点，需要 guest 来配合，guest 完成不同设备的前端驱动程序，Hypervisor 配合 guest 完成相应的后端驱动程序，这样两者之间通过某种交互机制就可以实现高效的虚拟化过程。

由于不同 guest 前端设备其工作逻辑大同小异（如块设备、网络设备、PCI设备、balloon驱动等），单独为每个设备定义一套接口实属没有必要，而且还要考虑扩平台的兼容性问题，另外，不同后端 Hypervisor 的实现方式也大同小异（如KVM、Xen等），这个时候，就需要一套通用框架和标准接口（协议）来完成两者之间的交互过程，virtio 就是这样一套标准，它极大地解决了这些不通用的问题。

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三 Virti特征

  • 简单易开发

virtio PCI 设备使用通用的 PCI 的中断和 DMA 机制，对于设备驱动开发者来说不会带来困难。

  • 高效

virtio PCI 设备使用针对输入和输出使用不同的 vring，规避了可能的由高速缓存带来的影响。

  • 标准

virtio PCI 不假定其所处的环境一定需要对 PCI 的支持，实际上当前很多 virtio 设备已经在非 PCI 总线上实现了，这些设备根本不需要 PCI。

  • 可扩展

virtio PCI 设备包含一组 Feature Bits,在设备安装过程中，可以告知 guest OS。设备和驱动之间相互协调，驱动可以根据设备提供的特性以及驱动自身能够支持的特性来最终确定在 guest OS 里面能够使用的设备特性。这样可以顾及到设备的前后兼容性。因此，对与 guest OS 来说，只需要添加一个 PCI 设备驱动，然后 Hypervisor 添加设备的 vring 支持即可以添加一个 virtio 设备。

三 virtio 的架构

从总体上看，virtio 可以分为四层，包括前端 guest 中各种驱动程序模块，后端 Hypervisor （实现在Qemu上）上的处理程序模块，中间用于前后端通信的 virtio 层和 virtio-ring 层，virtio 这一层实现的是虚拟队列接口，算是前后端通信的桥梁，而 virtio-ring 则是该桥梁的具体实现，它实现了两个环形缓冲区，分别用于保存前端驱动程序和后端处理程序执行的信息。

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严格来说，virtio 和 virtio-ring 可以看做是一层，virtio-ring 实现了 virtio 的具体通信机制和数据流程。或者这么理解可能更好，virtio 层属于控制层，负责前后端之间的通知机制（kick，notify）和控制流程，而 virtio-vring 则负责具体数据流转发。

四 virtio 数据流交互机制

vring 主要通过两个环形缓冲区来完成数据流的转发，如下图所示。

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vring 包含三个部分，描述符数组 desc，可用的 available ring 和使用过的 used ring。

desc 用于存储一些关联的描述符，每个描述符记录一个对 buffer 的描述，available ring 则用于 guest 端表示当前有哪些描述符是可用的，而 used ring 则表示 host 端哪些描述符已经被使用。

Virtio 使用 virtqueue 来实现 I/O 机制，每个 virtqueue 就是一个承载大量数据的队列，具体使用多少个队列取决于需求，例如，virtio 网络驱动程序（virtio-net）使用两个队列（一个用于接受，另一个用于发送），而 virtio 块驱动程序（virtio-blk）仅使用一个队列。

具体的，假设 guest 要向 host 发送数据，首先，guest 通过函数 virtqueue_add_buf 将存有数据的 buffer 添加到 virtqueue 中，然后调用 virtqueue_kick 函数，virtqueue_kick 调用 virtqueue_notify 函数，通过写入寄存器的方式来通知到 host。host 调用 virtqueue_get_buf 来获取 virtqueue 中收到的数据。

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存放数据的 buffer 是一种分散-聚集的数组，由 desc 结构来承载，如下是一种常用的 desc 的结构：

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当 guest 向 virtqueue 中写数据时，实际上是向 desc 结构指向的 buffer 中填充数据，完了会更新 available ring，然后再通知 host。

当 host 收到接收数据的通知时，首先从 desc 指向的 buffer 中找到 available ring 中添加的 buffer，映射内存，同时更新 used ring，并通知 guest 接收数据完毕。

五 总结

virtio 是 guest 与 host 之间通信的润滑剂，提供了一套通用框架和标准接口或协议来完成两者之间的交互过程，极大地解决了各种驱动程序和不同虚拟化解决方案之间的适配问题。

virtio 抽象了一套 vring 接口来完成 guest 和 host 之间的数据收发过程，结构新颖，接口清晰。

Virtio 作者的目标是设计一套通用的，隐藏细节的，前后端方便实现，共享通用代码的虚拟化框架，从分析看来，通过 PCI 和 virtqueue 的抽象，的确能达到目的。

本文对部分细节只进行简单的说明，后续会在以下几个话题开展：

  • Qemu 和 virtio 的内存映射
  • 中断注入的实现
  • Virtio 流控以及性能优化
  • Vhost-user

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