VirtIO 规范

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VirtIO 驱动定义了一组规范，只要 guest 和 host 按照此规范进行数据操作，就可以使虚拟机 IO 绕过内核空间而直接再用户空间的两个进程间传输数据，以此达到提高 IO 性能的目的。

真实硬件具有复杂的细节，模拟复杂且效率低，让 Guest 访问虚拟设备的寄存器 or 内存时，会 trap 到 QEMU 的设备模拟代码。当我们只需要最基本的内外传输的功能时，VirtIO 是很好的选择。

VirtIO 属于半虚拟化的一种，即 Guest 知道自己是虚拟出来的。

具体实现有多种，最常见的是 VirtIO over PCI，也有 VirtIO over MMIO 和 VirtIO over Channel IO。

#VirtIO 架构

virtio-arch

位于 Guest 中的部分称为前端。对于不同类型的设备有不同类型的驱动。源码位于 Linux 内核中。

不管是哪种类型的设备，底层的数据通道都是一样的。

位于 Host 上的部分为后端。源码位于 hypervisor 中。

#前端 VirtIO 设备

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struct virtio_device {
    struct list_head vqs; // VQ
    u64 features;
};

features 是 virtio_driver & virtio_device 同时支持的通信特性，也就是前后端最终协商的通信特性。

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struct virtio_driver {
    int (*probe)(struct virtio_device *dev);
    int (*scan)(struct virtio_device *dev);
    int (*remove)(struct virtio_device *dev);
};

设备加载和注销等

#VirtQueue

Host 和 Guest 之前通信的抽象数据通道称为 VirtQueue，具有双向数据收发的能力。

根据实际设备收发能力，可以拥有一个或者多个 VirtQueue。

virtio-net 默认有两条 VirtQueue。

VQ 创建于 PCI 设备的probe阶段，由 Guest 侧创建，然后把地址传递给后端。

#virtqueue_add() 发送数据

VQ 发送函数，负责把一个 SG list 放进 VQ。

#virtqueue_kick() 通知后端

#VRing

VirtQueue 的实现是利用 VRing，即 vring_virtqueue。

VRing 是实际进行数据传输的实现，整体结构包含三部门：Descriptor 表和两个存放Descriptor*的 Ring Buffer。

两个 Ring 分别是 Avail Ring 和 Used Ring，用于双向传递数据。Avail 用于从内向外，Used 用于从外向内，是站在 Host 角度命名的。

每个 Descriptor 描述了一块数据区，主要包含 Guest 缓冲区的物理地址和长度。

Host 会从 Avail Ring 中取 Descriptor，收取 or 填充数据并放入 Used Ring 中。

#virtio-net

virtio-net 把 VQ 进一步封装成send_queue和receive_queue

特定时机会调用try_fill_recv来向receive_queue中填充空 buffer

#virtio-blk

#Virtio 演进

#Vhost

开发者发现，原始的数据通路 Guest-virtio-qemu 后端-Host 系统调用-Host 内核，最后一步总是要切换到内核态。

为了省去这个开销，vhost 技术将后端数据面放在 Host 内核中，由 Host 的一个内核线程负责处理 IO。

#Vhost-user

Vhost 需要使用 1:1 的内核线程，不够灵活。

Vhost-user 将后端数据面放在了另一个用户态进程中(i.e., DPDK)。