Virtio原理

Virtio简介

virtio是KVM虚拟环境下,针对I/O虚拟化的通用框架。virtio是一个半虚拟化驱动。首先说明一下全虚拟化和半虚拟化的区别。全虚拟化是指guest操作系统运行在物理机器上的hypervisor上,它不知道自己已被虚拟化,不需要任何更改就可以工作。半虚拟化指的是guest操作系统不仅知道它运行在hypervisor上,还包括让guest操作系统更高效与hyperviosr交互的代码(驱动程序)。

QEMU模拟I/O

如果使用QEMU模拟I/O,当guest中的设备驱动程序发起I/O操作请求时,KVM中的I/O操作捕获代码会将这次I/O请求拦截,在经过处理后将这次I/O请求的信息放在I/O共享页,然后通知QEMU程序。QEMU获得I/O操作的具体信息后,交由硬件模拟代码模拟出本次I/O操作,完成后,将结果放回I/O共享页,并通知KVM模块中的I/O操作捕获代码。最后,KVM模块中的捕获代码读取I/O共享页中的操作结果,把结果返回到客户机中。倘若guest通过DMA访问大块I/O时,QEMU不会把操作结果放在I/O共享页中,而是通过内存映射的方式将结果直接写到guest的内存中。

Virtio模拟I/O

下图中,最上面一排(virtio_blk等)是前端驱动,它们是在客户机中存在的驱动程序模块,而后端处理程序是在QEMU中实现的。在前端和后端之间,定义了两层来支持guest和QEMU之间的通信。virtio层是虚拟队列借口,一个前端驱动程序可以使用多个队列。虚拟队列实际上是guest操作系统和hyperviosr的衔接点。而virtio-ring实现了环形缓冲区,它用来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,并且交由后端驱动去批量处理,最后实际调用host中设备驱动实现物理上的I/O操作,这样做就可以实现批量处理,而不是客户机中的每次I/O请求都需要处理一次,从而提高了guest和hypervisor信息交换的效率。

virtio_blk

在linux中,对于块设备的访问,通常是用一个I/O队列,来维护一系列的bio数据结构,通常一个请求可能包含多个bio结构。bio是上层内核vfs与下层驱动连接的纽带。
virtio_blk结构体中的gendisk结构多request_queue队列接收block层的bio请求,按照request_queue队列默认处理过程,bio请求会在io调度层转化为request,然后进入request_queue队列,最后调用virtblk_request将request转化为vbr结构,最后由QEMU接管处理。
QEMU处理过vdr之后,会将它加入到virtio_ring的request队列,并发一个中断给队列,队列的中断响应函数vring_interrupt调用队列的回调函数virtblk_done。
最后由request_queue注册的complete函数virtblk_request_done处理,通过blk_mq_end_io通告块设备层IO结束。



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