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(KVM連載)5.1.1 VIRTIO概述和基本原理（KVM半虛擬化驅動）

5.1 半虛擬化驅動

5.1.1 virtio概述

KVM是必須使用硬體虛擬化輔助技術（如Intel VT-x、AMD-V）的hypervisor，在CPU執行效率方面有硬體支援，其效率是比較高的；在有Intel EPT特性支援的平臺上，記憶體虛擬化的效率也較高。QEMU/KVM提供了全虛擬化環境，可以讓客戶機不經過任何修改就能執行在KVM環境中。不過，KVM在I/O虛擬化方面，傳統的方式是使用QEMU純軟體的方式來模擬I/O裝置（如第4章中提到模擬的網絡卡、磁碟、顯示卡等等），其效率並不非常高。在KVM中，可以在客戶機中使用半虛擬化驅動（Paravirtualized Drivers，PV Drivers）來提高客戶機的效能（特別是I/O效能）。目前，KVM中實現半虛擬化驅動的方式是採用了virtio這個Linux上的裝置驅動標準框架。

1. QEMU模擬I/O裝置的基本原理和優缺點

QEMU純軟體方式模擬現實世界中的I/O裝置的基本過程模型如圖5-1所示。

qemu-emulated-io-device

圖5-1 QEMU 模擬I/O裝置

使用QEMU模擬I/O的情況下，當客戶機中的裝置驅動程式（device driver）發起I/O操作請求之時，KVM模組中的I/O操作捕獲程式碼會攔截這次I/O請求，然後經過處理後將本次I/O請求的資訊存放到I/O共享頁，並通知使用者控制元件的QEMU程式。QEMU模擬程式獲得I/O操作的具體資訊之後，交由硬體模擬程式碼來模擬出本次的I/O操作，完成之後，將結果放回到I/O共享頁，並通知KVM模組中的I/O操作捕獲程式碼。最後，由KVM模組中的捕獲程式碼讀取I/O共享頁中的操作結果，並把結果返回到客戶機中。當然，這個操作過程中客戶機作為一個QEMU程序在等待I/O時也可能被阻塞。另外，當客戶機通過DMA（Direct Memory Access）訪問大塊I/O之時，QEMU模擬程式將不會把操作結果放到I/O共享頁中，而是通過記憶體對映的方式將結果直接寫到客戶機的記憶體中去，然後通過KVM模組告訴客戶機DMA操作已經完成。

QEMU模擬I/O裝置的方式，其優點是可以通過軟體模擬出各種各樣的硬體裝置，包括一些不常用的或者很老很經典的裝置（如4.5節中提到RTL8139的網絡卡），而且它不用修改客戶機作業系統，就可以實現模擬裝置在客戶機中正常工作。在KVM客戶機中使用這種方式，對於解決手上沒有足夠裝置的軟體開發及除錯有非常大的好處。而它的缺點是，每次I/O操作的路徑比較長，有較多的VMEntry、VMExit發生，需要多次上下文切換（context switch），也需要多次資料複製，所以它的效能較差。

2. Virtio的基本原理和優缺點

Virtio最初由澳大利亞的一個天才級程式設計師Rusty Russell編寫，是一個在hypervisor之上的抽象API介面，讓客戶機知道自己執行在虛擬化環境中，從而與hypervisor根據 virtio 標準協作，從而在客戶機中達到更好的效能（特別是I/O效能）。目前，有不少虛擬機器都採用了virtio半虛擬化驅動來提高效能，如KVM和Lguest[1]。

QEMU/KVM中，Virtio的基本結構框架如圖5-2所示。

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圖5-2 KVM中virtio基本架構

其中前端驅動（frondend，如virtio-blk、virtio-net等）是在客戶機中存在的驅動程式模組，而後端處理程式（backend）是在QEMU中實現的[2]。在這前後端驅動之間，還定義了兩層來支援客戶機與QEMU之間的通訊。其中，“virtio”這一層是虛擬佇列介面，它在概念上將前端驅動程式附加到後端處理程式。一個前端驅動程式可以使用0個或多個佇列，具體數量取決於需求。例如，virtio-net網路驅動程式使用兩個虛擬佇列（一個用於接收，另一個用於傳送），而virtio-blk塊驅動程式僅使用一個虛擬佇列。虛擬佇列實際上被實現為跨越客戶機作業系統和hypervisor的銜接點，但它可以通過任意方式實現，前提是客戶機作業系統和virtio後端程式都遵循一定的標準，以相互匹配的方式實現它。而virtio-ring實現了環形緩衝區（ring buffer），用於儲存前端驅動和後端處理程式執行的資訊，並且它可以一次性儲存前端驅動的多次I/O請求，並且交由後端去動去批量處理，最後實際呼叫宿主機中裝置驅動實現物理上的I/O操作，這樣做就可以根據約定實現批量處理而不是客戶機中每次I/O請求都需要處理一次，從而提高客戶機與hypervisor資訊交換的效率。

Virtio半虛擬化驅動的方式，可以獲得很好的I/O效能，其效能幾乎可以達到和native（即：非虛擬化環境中的原生系統）差不多的I/O效能。所以，在使用KVM之時，如果宿主機核心和客戶機都支援virtio的情況下，一般推薦使用virtio達到更好的效能。當然，virtio的也是有缺點的，它必須要客戶機安裝特定的Virtio驅動使其知道是執行在虛擬化環境中，且按照Virtio的規定格式進行資料傳輸，不過客戶機中可能有一些老的Linux系統不支援virtio和主流的Windows系統需要安裝特定的驅動才支援Virtio。不過，較新的一些Linux發行版（如RHEL 6.3、Fedora 17等）預設都將virtio相關驅動編譯為模組，可直接作為客戶機使用virtio，而且對於主流Windows系統都有對應的virtio驅動程式可供下載使用。