IO虛擬化實現(xiàn)技術目錄IntelVT-d技術VirtIO技術SR-IOV技術2IntelVT-d技術3

IntelVT-d技術通過在北橋(MCH)引入DMA(DirectMemoryAccess，直接內(nèi)存訪問)重映射硬件，以提供設備重映射和設備直接分配的功能。在啟用VT-d的平臺上，設備所有的DMA傳輸都會被DMA重映射硬件截獲。根據(jù)設備對應的I/O頁表，硬件可以對DMA中的地址進行轉換，使設備只能訪問到規(guī)定的內(nèi)存。IntelVT-d技術4左圖中是沒有啟動VT-d的情況，此時設備的DMA可以訪問整個物理內(nèi)存。右圖中是啟用VT-d的情況，此時設備的DMA只能訪問指定的物理內(nèi)存。IntelVT-d技術PCI總線結構通過設備標示符(BDF)可以索引到任何一條總線上的任何一個設備，而VT-d中的DMA總線傳輸中也包含一個BDF，用于標識DMA操作發(fā)起者。除了BDF外，VT-d還提供了兩種數(shù)據(jù)結構來描述PCI架構，分別是根條目(RootEntry)和上下文條目。根條目用于描述PCI總線，每條總線對應一個根條目。由于PCI架構支持最多256條總線，故最多可以有256個根條目。上下文條目用于描述某個具體的PCI設備，這里的PCI設備是指邏輯設備(BDF中function字段)。5IntelVT-d技術6SR-IOV技術IntelVT-d技術可以實現(xiàn)設備的直接分配，但使用這種方式有一種缺點，即一個物理設備資源只能分配給一個虛擬機使用。為了實現(xiàn)多個虛擬機共用同一物理設備資源并使設備直接分配的目的，PCI-SIG組織發(fā)布了一個I/O虛擬化技術標準-SR-IOV。物理設備(PF，PhysicalFunction)：PF是標準的PCIe設備，具有唯一的申請標識RID。虛擬設備(VF，VirtualFunction)，VF是“輕量級”的PCIe設備。每一個PF可以用來管理并創(chuàng)建一個或多個VF7SR-IOV的實現(xiàn)模型包含三部分：PF驅動、VF驅動和SR-IOV管理器(IOVM)。PF驅動主要用來創(chuàng)建、配置和管理虛擬設備，即VF。它可以設置VF的數(shù)量，全局的啟動或停止VF，還可以進行設備相關的配置。VF驅動是運行在客戶機上的普通設備驅動，VF驅動只有操作相應VF的權限。VF驅動主要用來在客戶機和VF之間直接完成I／O操作，包括數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收。SR-IOV技術8SR-IOV技術9SR-IOV技術10具有SR-IOV功能的設備可以利用以下優(yōu)點：

(1)提高系統(tǒng)性能。采用Passthrough技術，將設備分配給指定的虛擬機，可以達到基于本機的性能。利用IOMMU技術，改善了中斷重映射技術，減少客戶及從硬件中斷到虛擬中斷的處理延遲。

(2)安全性優(yōu)勢。通過硬件輔助，數(shù)據(jù)安全性得到加強。

(3)可擴展性優(yōu)勢。系統(tǒng)管理員可以利用單個高寬帶的I/O設備代替多個低帶寬的設備以達到帶寬的要求。利用VF將帶寬進行隔離，使得單個物理設備好像是隔離的多個物理設備。

Virtio技術11Virtio是半虛擬化Hypervisor中位于設備之上的抽象層，主要用來提高虛擬化的I/O性能。Virtio最早由澳大利亞的天才程序員RustyRussell開發(fā)，用來支持自己的Lguest虛擬化解決方案。Virtio并沒有提供多種設備模擬機制，而是為這些設備模擬提供一個通用的前端，從而標準化接口和增加代碼的跨平臺重用。在這里，客戶機操作系統(tǒng)充當了前端的驅動程序。而Hypervisor為特定的設備模擬實現(xiàn)后端的驅動程序。

Virtio技術12通過在這些前端和后端驅動程序中的Virtio，為開發(fā)模擬設備提供標準化接口，從而增加代碼的跨平臺重用率并提高效率?，F(xiàn)在，很多虛擬機都采用了Virtio半虛擬化驅動來提高性能，例如KVM和Lguest。

Virtio技術13前端驅動程序(front-enddriver)，即virtio-blk、virtio-net、virtio-pci、virtio-ballon和virtio-console，是在客戶機操作系統(tǒng)中實現(xiàn)的。后端驅動程序(back-enddriver)是在Hypervisor中實現(xiàn)的。

Virtio技術14Virtio是虛擬隊列接口，它在概念上將前端驅動程序附加到后端驅動程序。一個驅動程序可以使用0個或多個隊列，隊列的具體數(shù)量取決于該驅動程序實現(xiàn)的需求。例如，virtio-net這個網(wǎng)絡驅動程序使用兩個虛擬隊列，一個用于接收，另一個用于發(fā)送。transport實現(xiàn)了環(huán)形緩沖區(qū)，用于保存前端驅動和后端處理程序的執(zhí)行信息。在該環(huán)形緩沖區(qū)可以一次性保存前端驅動的多次I/O