KVM基本原理及架构五 IO虚拟化篇

IO虚拟化

1. 基本原理

KVM虚拟化环境中，有两种IO虚拟化方式（纯软件方式(Qemu模拟)和基于硬件虚拟化特性的方式）

■ 纯软件方式是通过Qemu-kvm来模拟相应IO指令的方式，大致流程为：

      

    1. 当Guest OS执行IO相关指令时(敏感指令)，触发VM-Exit；

    2. VMM捕获VM-Exit，并从VMCS结构中获取相关信息；

    3. 然后判断该指令模拟是否可在内核态处理；

    4. 如果可以则在内核态完成处理；

    5. 如果不行，则返回用户态，由Qemu-kvm模拟相关的IO请求

    6. 完成后返回内核态；

    7. 最后VM-Entry返回Guest OS继续执行。

■ 基于硬件虚拟化特性的方式，主要是依赖硬件的IO虚拟化特性，如Intel VT-d或AMD IOMMU，通过硬件提供的虚拟化特性，可以实现IO设备的透传，使Guest可以共享或独占物理设备，由于相关功能主要在硬件层面实现，所以相比软件模拟的方式来说，有更好的性能。这里不做详细描述。

2 Virtio

Virtio是KVM中的一套半虚拟化驱动，最初是从别的虚拟化方案(Rusty Russell的lguest)中移植过来的。通过Guest OS和KVM内核的配合，提供高效的通信方式，性能出众。在传统的KVM虚拟化解决方案中，需要对虚拟机提供一个完整的虚拟设备，Guest OS通过标准的IO接口对虚拟设备进行操作，由于IO操作是敏感指令，会导致VM-Exit，此时需要使用较多的指令去捕获IO请求，当IO繁忙时，VMX模式切换会非常频繁，效率很低；而virtio在设备模拟层引入了半虚拟化的方法，即在虚拟机和KVM中分别实现相应前后端virtio驱动，通过该驱动接口进行通信，效率更高。两种方式的对比如下图所示。

    

Virtio充分利用了全虚拟化和半虚拟化各自的优势，这种场景下，VM仍为全虚拟化虚拟机，这样可以充分利用硬件提供的虚拟化特性(如VT-x等)，提供更好的虚拟化性能(比如CPU和内存的虚拟化)，且Guest OS不需任何修改即可运行于虚拟化环境中；与此同时，virtio以半虚拟化驱动的形式，使前后端(VM和VMM)的通信更加高效，在全虚拟化环境中提供更高效的IO方式，提升IO性能。

基于virtio的驱动程序如下图所示。

    

KVM虚拟化环境中，每个虚拟机都是以系统进程方式运行的，virtio通信方式的实质是通过共享内存实现。

大致通信过程如下：

1. Virtio通过提供一个virt queue，将Guest OS的各种IO请求保存在其对应的缓冲区中；

2. 然后kick给VMM处理(一次可提交多个请求)；

3. 最终会调用到Qemu-kvm的notify函数，通知Qemu-kvm;

    Qemu-kvm在收到相应通知后，执行相应的操作。

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