Virtio技术详解：从原理到优化实践

# Virtio技术详解：从原理到优化实践 ## 1. Virtio概述 在云计算领域，虚拟化技术得到了广泛应用，其中设备虚拟化起着关键作用。由于I/O设备种类繁多，不同厂商支持的功能也各不相同。传统上，服务器使用设备时，需先安装与设备特性紧密相关的驱动程序，再开发软件应用以利用设备特性，这在运维阶段可能与特定设备紧密相关，不利于使用多个设备供应商的开放系统的可扩展性。 Virtio最初是作为软件仿真方法发明的，现已发展成为标准化的设备接口，主流操作系统和应用程序逐渐增加了对Virtio设备的直接支持，这为数据中心的运维带来了便利。 与I/O直通技术（如SR - IOV）相比，Virtio在网络吞吐量、延迟或抖动方面目前不具竞争力。但I/O直通存在一些问题，例如物理网卡接收到的数据包会直接交付给客户机（租户）的接收队列，或者客户机发送队列发送的数据包会直接交付给其他客户机（同一PF的VF）的接收队列，甚至数据包会绕过管理程序直接从物理网卡发送。而在许多场景中，网络数据包必须先由主机（如防火墙、负载均衡器、虚拟交换机）处理后才能传递给客户机。此外，I/O直通不支持具有多个硬件供应商的VM实时迁移，VF接口是特定于供应商的，当前的网卡在云计算的流量分类能力方面也缺乏足够的灵活性。值得注意的是，一些行业参与者已开始在网卡中实现Virtio接口，硬件辅助的Virtio将弥补上述性能差距。 下图展示了数据中心服务器中使用Virtio设备的典型场景： ```mermaid graph LR A[物理网卡] --> B[虚拟交换机] B --> C[VM工作负载] C --> B B --> A B -.-> D[DPDK vhost - user PMD] C -.-> E[Virtio前端网络设备驱动] E -.-> F[virtio - net内核模块/DPDK - enabled virtio - pmd] ``` 前端和后端通过Virtio的虚拟队列相互交换数据。VM的网络数据先发送到虚拟交换机，经过交换处理后，最终通过物理网卡进入外部网络。 ## 2. Virtio规范 Virtio有三个规范版本：0.95、1.0和1.1，这些版本是社区多年努力定义和发展而来的。指定的接口包括PCI（外围组件互连）、MMIO（内存映射I/O）和通道I/O（在规范1.0中新增）。DPDK专注于数据包处理，目前支持PCI接口模式下的virtio - net。 ### 2.1 规范版本兼容性 - **Spec 1.0**：与之前的Spec 0.95兼容，将早期定义的模式称为“传统”模式，后期定义的模式称为“现代”模式。传统PCI是目前使用最广泛的模式，现代PCI（即PCIe）在Linux内核4.0及以上版本中得到支持。现代和传统PCI设备在参数和使用模式上有所不同，但在Linux内核4.0中，它们使用相同的Virtio设备驱动程序，驱动程序会根据使用QEMU模拟的PCI设备自动选择，可能是传统模式或现代模式。 - **Spec 1.1**：是一项较新的成果，设计上向后兼容之前的Spec 0.95和1.0。在virtio1.1中，将早期规范中定义的virtqueue布局称为“拆分virtqueue”，并定义了一种新的virtqueue布局，名为“打包virtqueue”。打包virtqueue在Linux内核5.0及以上版本中得到支持。与“传统”设备和“现代”设备的情况类似，“拆分virtqueue”和“打包virtqueue”使用相同的Virtio设备驱动程序，驱动程序会处理设备是否支持“打包virtqueue”。 ### 2.2 设备初始化 设备初始化有以下五个步骤，初始化成功后，设备可在客户机中使用： 1. **设备发现**：设备重启（或上电）后，系统会发现设备。Spec 1.1定义/保留了24种Virtio设备，如下表所示： | Virtio设备ID | Virtio设备 | | --- | --- | | 0 | 保留（无效） | | 1 | 网卡（也称为NIC） | | 2 | 块设备 | | 3 | 控制台 | | 4 | 熵源 | | 5 | 内存气球（传统） | | 6 | ioMemory | | 7 | Rpmsg | | 8 | SCSI主机 | | 9 | 9P传输 | | 10 | Mac80211 WLAN | | 11 | Rproc串行 | | 12 | Virtio CAIF | | 13 | 内存气球 | | 16 | GPU设备 | | 17 | 定时器/时钟设备 | | 18 | 输入设备 | | 19 | 套接字设备 | | 20 | 加密设备 | | 21 | 信号分配模块 | | 22 | pstore设备 | | 23 | IOMMU设备 | | 24 | 内存设备 | Virtio PCI设备遵循PCI标准规范，使用PCI标准配置空间和I/O区域。Virtio设备的PCI供应商ID为0x1AF4，PCI设备ID范围从0x1000到0x107F，其中0x1000 - 0x103F用于传统（virtio0.95）设备，0x1040 - 0x107F用于现代（virtio1.0）设备。 2. **设备状态设置**： - 如果客户机操作系统将设备状态设置为Acknowledge，则设备被识别。 - 如果设置为Driver，则找到合适的驱动程序。 3. **设备驱动程序的安装和配置**：包括前端和后端使用特征位进行协商、虚拟队列的初始化、可选的MSI - X安装和特定于设备的配置等。 4. **设置设备状态为Driver_OK**：如果过程中出现错误，则状态设置为Failed。 ### 2.3 关键参数详解 #### 2.3.1 设备状态 - **传统设备**：定义了五种状态，分别为： - 0：驱动程序写入“0”表示设备需要重启。 - 1：“Acknowledge”表示客户机操作系统已找到有效的Virtio设备。 - 2：“Driver”表示客户机操作系统已找到合适的驱动程序（如Virtio网卡驱动程序）。 - 4：“Driver_OK”表示驱动程序已成功安装，设备可使用。 - 128：“FAILED”表示驱动程序安装过程中出现错误。 - **现代设备**：在传统设备状态基础上增加了两种状态： - 8：“FEATURES_OK”表示驱动程序和设备功能已成功协商。 - 64：“DEVICE_NEEDS_RESET”表示设备出现故障，需要重启。 #### 2.3.2 特征位 设备（后端）和驱动程序（前端）都有各自的特征位。现代设备的特征位支持64位，传统设备仅支持32位。设备和驱动程序都可以通过特征位提供自身支持的功能集。在初始化过程中，驱动程序读取设备的特征位，然后选择自身能够支持的特征作为驱动程序支持的功能，从而完成驱动程序和设备之间的特征协商。具体特征位如下： - 0 - 23：特定设备的特征位，每个设备都有自己的特征定义。例如，virtio - net设备支持24种特征，其中VIRTIO_NET_F_CSUM使用位0表示是否支持主机端的校验和卸载，VIRTIO_NET_F_GUEST_CSUM使用位1表示是否支持客户机端的校验和卸载。大多数网卡支持校验和卸载，如果数据包目的地不在当前系统内，客户机可以将校验和计算推迟到主机网卡。 - 24 - 38：保留用于队列和特征协商机制的扩展。例如，VIRTIO_F_RING_INDIRECT_DESC使用位28表示驱动程序是否支持间接描述符表，这对于进行更大数据传输是必要的。 - 39及以上：保留用于未来扩展（仅适用于现代设备）。 #### 2.3.3 中断配置 现代和传统设备都支持两种中断源（设备中断和队列中断）和两种中断模式（INTx和MSI - X）。每个设备只有一个设备中断源，每个队列有一个队列中断源。中断的具体数量还取决于中断模式： - **INTx模式**：一个设备仅支持一个中断，因此设备中断源和队列中断源必须共享此中断。 - **MSI - X模式**：支持多个中断，每个单独的中断称为一个中断向量。假设有n个队列，则设备中有n个队列中断加上一个设备中断，总共n + 1个中断，这些中断可以灵活配置，任何一个中断源都可以配置和使用任何一个中断向量。 目前INTx模式很少使用，新系统通常支持更强大的MSI - X模式。启用MSI - X中断后，传统设备可以使用MSI - X附加配置中的两个寄存器，将设备和队列中断映射到相应的MSI - X中断向量（对应配置向量和队列向量）。这两个寄存器为16位，可读可写。通过写入有效的中断向量值（有效值范围：0x0 - 0x7FF）来映射中断，发生中断后，设备或队列将通过此中断向量通知驱动程序。写入VIRTIO_MSI_NO_VECTOR（0xFFFF）将关闭中断并取消映射，读取这两个寄存器将返回指定中断源到中断向量的映射，如果没有映射，则返回VIRTIO_MSI_NO_VECTOR。在现代设备中，这两个寄存器直接包含在通用配置中，使用方式与传统设备类似。 #### 2.3.4 特定于设备的配置 此配置空间包含特定于设备的信息。以网卡设备为例，传统设备可以定义MAC地址和状态信息，现代设备可以添加更多信息，如最大队列数，这种机制提供了功能扩展和灵活性。 ## 3.