(KVM连载)5.1.1 Virtio概述和基本原理(KVM半虚拟化驱动)

5.1 半虚拟化驱动

5.1.1 virtio概述

KVM是必须使用硬件虚拟化辅助技术(如Intel VT-x、AMD-V)的hypervisor,在CPU运行效率方面有硬件支持,其效率是比较高的;在有Intel EPT特性支持的平台上,内存虚拟化的效率也较高。QEMU/KVM提供了全虚拟化环境,可以让客户机不经过任何修改就能运行在KVM环境中。不过,KVM在I/O虚拟化方面,传统的方式是使用QEMU纯软件的方式来模拟I/O设备(如第4章中提到模拟的网卡、磁盘、显卡等等),其效率并不非常高。在KVM中,可以在客户机中使用半虚拟化驱动(Paravirtualized Drivers,PV Drivers)来提高客户机的性能(特别是I/O性能)。目前,KVM中实现半虚拟化驱动的方式是采用了virtio这个Linux上的设备驱动标准框架。

1. QEMU模拟I/O设备的基本原理和优缺点

QEMU纯软件方式模拟现实世界中的I/O设备的基本过程模型如图5-1所示。

 

qemu-emulated-io-device

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图5-1 QEMU 模拟I/O设备

使用QEMU模拟I/O的情况下,当客户机中的设备驱动程序(device driver)发起I/O操作请求之时,KVM模块中的I/O操作捕获代码会拦截这次I/O请求,然后经过处理后将本次I/O请求的信息存放到I/O共享页,并通知用户控件的QEMU程序。QEMU模拟程序获得I/O操作的具体信息之后,交由硬件模拟代码来模拟出本次的I/O操作,完成之后,将结果放回到I/O共享页,并通知KVM模块中的I/O操作捕获代码。最后,由KVM模块中的捕获代码读取I/O共享页中的操作结果,并把结果返回到客户机中。当然,这个操作过程中客户机作为一个QEMU进程在等待I/O时也可能被阻塞。另外,当客户机通过DMA(Direct Memory Access)访问大块I/O之时,QEMU模拟程序将不会把操作结果放到I/O共享页中,而是通过内存映射的方式将结果直接写到客户机的内存中去,然后通过KVM模块告诉客户机DMA操作已经完成。

QEMU模拟I/O设备的方式,其优点是可以通过软件模拟出各种各样的硬件设备,包括一些不常用的或者很老很经典的设备(如4.5节中提到RTL8139的网卡),而且它不用修改客户机操作系统,就可以实现模拟设备在客户机中正常工作。在KVM客户机中使用这种方式,对于解决手上没有足够设备的软件开发及调试有非常大的好处。而它的缺点是,每次I/O操作的路径比较长,有较多的VMEntry、VMExit发生,需要多次上下文切换(context switch),也需要多次数据复制,所以它的性能较差。

2. Virtio的基本原理和优缺点

Virtio最初由澳大利亚的一个天才级程序员Rusty Russell编写,是一个在hypervisor之上的抽象API接口,让客户机知道自己运行在虚拟化环境中,从而与hypervisor根据 virtio 标准协作,从而在客户机中达到更好的性能(特别是I/O性能)。目前,有不少虚拟机都采用了virtio半虚拟化驱动来提高性能,如KVM和Lguest[1]

QEMU/KVM中,Virtio的基本结构框架如图5-2所示。

 

qemu-kvm-virtio-arch

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图5-2 KVM中virtio基本架构

其中前端驱动(frondend,如virtio-blk、virtio-net等)是在客户机中存在的驱动程序模块,而后端处理程序(backend)是在QEMU中实现的[2]。在这前后端驱动之间,还定义了两层来支持客户机与QEMU之间的通信。其中,“virtio”这一层是虚拟队列接口,它在概念上将前端驱动程序附加到后端处理程序。一个前端驱动程序可以使用0个或多个队列,具体数量取决于需求。例如,virtio-net网络驱动程序使用两个虚拟队列(一个用于接收,另一个用于发送),而virtio-blk块驱动程序仅使用一个虚拟队列。虚拟队列实际上被实现为跨越客户机操作系统和hypervisor的衔接点,但它可以通过任意方式实现,前提是客户机操作系统和virtio后端程序都遵循一定的标准,以相互匹配的方式实现它。而virtio-ring实现了环形缓冲区(ring buffer),用于保存前端驱动和后端处理程序执行的信息,并且它可以一次性保存前端驱动的多次I/O请求,并且交由后端去动去批量处理,最后实际调用宿主机中设备驱动实现物理上的I/O操作,这样做就可以根据约定实现批量处理而不是客户机中每次I/O请求都需要处理一次,从而提高客户机与hypervisor信息交换的效率。

Virtio半虚拟化驱动的方式,可以获得很好的I/O性能,其性能几乎可以达到和native(即:非虚拟化环境中的原生系统)差不多的I/O性能。所以,在使用KVM之时,如果宿主机内核和客户机都支持virtio的情况下,一般推荐使用virtio达到更好的性能。当然,virtio的也是有缺点的,它必须要客户机安装特定的Virtio驱动使其知道是运行在虚拟化环境中,且按照Virtio的规定格式进行数据传输,不过客户机中可能有一些老的Linux系统不支持virtio和主流的Windows系统需要安装特定的驱动才支持Virtio。不过,较新的一些Linux发行版(如RHEL 6.3、Fedora 17等)默认都将virtio相关驱动编译为模块,可直接作为客户机使用virtio,而且对于主流Windows系统都有对应的virtio驱动程序可供下载使用。

master

Stay hungry, stay foolish.

6 Comments

  1. 你遇到郭开启硬盘virtio ,客户机出现蓝屏的情况不? -drive=yourdirve,if=virtio

    • Windows默认没有安装virtio相关的driver,如果这时直接使用,就会不能开机,会蓝屏~ 我的书中详细说明了如何在Windows客户机中安装virtio_blk驱动的,呵呵,不过难以一句话说清楚。(我不确定我是否理解了你遇到的问题)

  2. 博主,你好:
    正在阅读你的书中。
    我想请教你一个问题,在最新版的virtio驱动中,除了有VIOSTOR驱动之外,还有一个VIOSCSI驱动,请问这两者有什么区别吗?
    谢谢!

  3. 楼主您好,买了书最近在测试KVM的功能,使用vmware converter进行物理机的P2V转换,发现有一个windows server 2012的物理机,使用UEFI安装,磁盘为GPT分区,可以P2V成vmdk磁盘镜像,放入vmware workstation中也可以启动,启动后的虚拟机中也显示的磁盘分区为gpt的。但此镜像文件放入KVM就无法被正常地识别出逻辑空间,并且也无法启动。想问一下,现在的kvm无法支持GPT分区吗?对于使用P2V工具转换的GPT分区的磁盘镜像,有什么办法可以处理后让kvm正常使用吗?对于一些本身就是gpt分区的操作系统,有什么好的办法进行p2v吗?
    我在网上找了一圈资料都没找到,还请大神帮忙啊

    • 不确定,不过好像kvm支持GPT分区的Image的。另外,KVM对UEFI的支持,可以参考:http://www.linux-kvm.org/page/OVMF

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