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标题: Virtio：针对 Linux 的 I/O 虚拟化框架（1）简介 [打印本页]

作者: look_w 时间: 2018-6-13 13:52 标题: Virtio：针对 Linux 的 I/O 虚拟化框架（1）简介

概而言之，virtio 是半虚拟化 hypervisor 中位于设备之上的抽象层。virtio 由 Rusty Russell 开发，他当时的目的是支持自己的虚拟化解决方案 lguest。本文在开篇时介绍半虚拟化和模拟设备，然后探索 virtio 的细节。本文的重点是来自 2.6.30 内核发行版的 virtio 框架。
Linux 是 hypervisor 展台。如我的所述，Linux 提供各种 hypervisor 解决方案，这些解决方案都有自己的特点和优点。这些解决方案包括 Kernel-based Virtual Machine (KVM)、lguest 和 User-mode Linux 等。在 Linux 上配备这些不同的 hypervisor 解决方案会给操作系统带来负担，负担的大小取决于各个解决方案的需求。其中的一项开销为设备的虚拟化。virtio 并没有提供多种设备模拟机制（针对网络、块和其他驱动程序），而是为这些设备模拟提供一个通用的前端，从而标准化接口和增加代码的跨平台重用。
完全虚拟化和半虚拟化加入 My developerWorks 上的绿色小组在 My developerWorks 上的和上讨论关于能源、效率和环境的主题并共享资源。

让我们快速讨论一下两种类型完全不同的虚拟化模式：完全虚拟化和半虚拟化。在完全虚拟化 中，来宾操作系统运行在位于物理机器上的 hypervisor 之上。来宾操作系统并不知道它已被虚拟化，并且不需要任何更改就可以在该配置下工作。相反，在半虚拟化 中，来宾操作系统不仅知道它运行在 hypervisor 之上，还包含让来宾操作系统更高效地过渡到 hypervisor 的代码（见）。
在完全虚拟化模式中，hypervisor 必须模拟设备硬件，它是在会话的最低级别进行模拟的（例如，网络驱动程序）。尽管在该抽象中模拟很干净，但它同时也是最低效、最复杂的。在半虚拟化模式中，来宾操作系统和 hypervisor 能够共同合作，让模拟更加高效。半虚拟化方法的缺点是操作系统知道它被虚拟化，并且需要修改才能工作。
图 1. 在完全虚拟化和半虚拟化环境下的设备模拟

硬件随着虚拟化技术而不断改变。新的处理器通过纳入高级指令来让来宾操作系统到 hypervisor 的过渡更加高效。此外，硬件也随着输入/输出（I/O）虚拟化而不断改变（参见参考资料了解 Peripheral Controller Interconnect [PCI] passthrough 和 single- and             multi-root I/O 虚拟化）。
virtio 的替换者virtio 并不是该领域中的唯一霸主。Xen 提供半虚拟化设备驱动程序，VMware 也提供 Guest Tools。

但是在传统的完全虚拟化环境中，hypervisor 必须捕捉这些请求，然后模拟物理硬件的行为。尽管这样做提供很大的灵活性（即运行未更改的操作系统），但它的效率比较低（参见图 1 左边）。图 1 的右边是半虚拟化示例。在这里，来宾操作系统知道它运行在 hypervisor 之上，并包含了充当前端的驱动程序。Hypervisor 为特定的设备模拟实现后端驱动程序。通过在这些前端和后端驱动程序中的 virtio，为开发模拟设备提供标准化接口，从而增加代码的跨平台重用率并提高效率。
针对 Linux 的抽象从前面的小节可以看到，virtio 是对半虚拟化  hypervisor 中的一组通用模拟设备的抽象。该设置还允许 hypervisor 导出一组通用的模拟设备，并通过一个通用的应用编程接口（API）让它们变得可用。展示了为什么这很重要。有了半虚拟化 hypervisor 之后，来宾操作系统能够实现一组通用的接口，在一组后端驱动程序之后采用特定的设备模拟。后端驱动程序不需要是通用的，因为它们只实现前端所需的行为。
图 2. virtio 的驱动程序抽象

注意，在现实中（尽管不需要），设备模拟发生在使用 QEMU 的空间，因此后端驱动程序与 hypervisor 的用户空间交互，以通过 QEMU 为 I/O 提供便利。QEMU 是一个系统模拟器，它不仅提供来宾操作系统虚拟化平台，还提供整个系统（PCI 主机控制器、磁盘、网络、视频硬件、USB 控制器和其他硬件元素）的模拟。
virtio API 依赖一个简单的缓冲抽象来封装来宾操作系统需要的命令和数据。让我们查看 virtio API 的内部及其组件。

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