virtio 学习随笔 —— 一、virtio基础

一、virtio基础

参考文章：
Virtio: An I/O virtualization framework for Linux
virtio: Towards a De-Facto Standard For Virtual I/O Devices
Virtio on Linux

为什么需要virtio?

在半虚拟化技术问世之前，Hypervisor主要依赖于传统的全虚拟化技术来模拟硬件设备。在全虚拟化架构中，Hypervisor需要完整地模拟底层物理设备及其通信机制，也就是通过软件的方式完全模拟一个硬件[1]。虽然这种完全抽象的模拟方式能“欺骗”Guest，使其认为自己正在使用一个真正的硬件外设，但其实现复杂度高、性能开销大的固有缺陷也尤为明显。具体而言，每次Guest对设备的访问都需要经过多层的特权级切换和上下文转换，导致系统整体性能显著下降[2]。

Rusty Russell为了支持他的虚拟化方案Lguest，开发了virtio框架[3]，该框架实现了一种新的虚拟化方案——半虚拟化。这种虚拟化技术不再需要Hypervisor 完全模拟硬件，而是由Guest与Hypervisor共同合作以提高设备模拟效率。

在半虚拟化环境中。Guest操作系统知道其运行在虚拟机之中，并且加入了作为前端的驱动程序【Para-drivers】。Hypervisor为特定设备模拟实现后端驱动程序。这里的前后端驱动就是virtio的架构的组成部分，为模拟设备的访问的开发提供标准化接口，以提高代码重用率及增加效率。

观察图一可以发现，Guest需要与Hypervisor协同完成设备模拟。在这种半虚拟化架构中，Guest能够明确感知自身处于虚拟化环境，因此不再直接使用特权指令，而是通过"Hypercall"机制主动向Hypervisor发起服务请求。这种机制的工作原理是：当Guest OS需要执行特权操作时，不再触发会引发VM Exit的敏感指令，而是直接调用预定义的Hypercall接口，通过寄存器传递参数，以类似于函数调用的方式将请求传递给Hypervisor。

virtio架构

除了前端驱动和后端驱动之外，virtio架构还专门定义了两个中间层，用于实现前后端之间的高效通信。这两层中的上层称之为virtio层，该为虚拟队列接口，它将前端驱动与后端驱动在逻辑上连接起来。驱动可以根据需要使用0-N条队列。例如，virtio网络驱动使用两条队列，分别用于收发数据，而virtio块设备驱动仅使用一条队列。虚拟队列作为虚拟化设施，在当前的virtio实现中采用环形缓冲区（rings）结构来跨越Guest和Hypervisor的边界。但是具体实现方式可以是任意的，只要Guest和Hypervisor保持一致的实现标准即可。

上图展示了virtio的架构，系统为五种设备类型提供了前端驱动支持，分别是块设备驱动，网络设备驱动，PCI模拟驱动balloon驱动（用于动态管理客户机内存使用）以及控制台驱动。

[1]: VM/370—A study of multiplicity and usefulness

[2]: What is server virtualization? The ultimate guide

[3]: virtio: towards a de-facto standard for virtual I/O devices