KVM桌面云I/O虚拟化解决方案研究

Virtio是半虚拟化hypervisor中位于设备之上的抽象层，主要用来提高虚拟化的I/O性能。Virtio最早由澳大利亚的天才程序员Rusty Russell开发，用来支持自己的Lguest虚拟化解决方案。

Virtio并没有提供多种设备模拟机制（比如，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。在这里，客户机操作系统运行在Hypervisor之上，并包含了充当前端的驱动程序。而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。现在，很多虚拟机都采用了Virtio半虚拟化驱动来提高性能，例如KVM和Lguest。

Virtio的基本架构如图3-18所示。

图3-18　Virtio的基本架构

前端驱动程序（front-end driver），即virtio-blk、virtio-net、virtio-pci、virtioballon和virtio-console，是在客户机操作系统中实现的。

后端驱动程序（back-end driver），是在Hypervisor中实现的。另外，Virtio还定义了两个层来支持客户机操作系统与Hypervisor之间的通信。

Virtio是虚拟队列接口，它在概念上将前端驱动程序附加到后端驱动程序。一个驱动程序可以使用0个或多个队列，队列的具体数量取决于该驱动程序实现的需求。例如，virtio-net这个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块设备驱动程序仅使用一个虚拟队列。虚拟队列实际上是跨越客户机操作系统和Hypervisor的衔接点，可以通过任意方式实现，但前提是客户机操作系统和Hypervisor必须以相同的方式实现它。

transport实现了环形缓冲区，用于保存前端驱动和后端处理程序的执行信息，在该环形缓冲区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，最后调用宿主机中的设备驱动来实现物理上的I/O操作，这样就实现了批量处理，而不是客户机中每次I/O请求都处理一次，从而提高客户机与Hypervisor信息交换的效率。(www.xing528.com)

现在，使用Virtio半虚拟化驱动方式，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。

目前，在宿主机中除了一些比较老的Linux系统不支持Virtio，Linux2.6.24及以上的内核版本都已支持Virtio，而且较新的Linux发行版本都已经将Virtio相关驱动编译成内核，可以直接为客户机使用。由于Virtio后端处理程序是在位于用户空间的QEMU中实现的，在宿主机中只需要比较新的Linux内核即可。

以Utuntu为例，相关的内核模块包括virtio.ko、virtio_ring.ko、virtio_pci.ko、virtio_balloon.ko、virtio_net.ko、virtio_blk.ko等。其中，virtio、virtio_ring和virtio_pci驱动程序是公用模块，提供了对Virtio API的基本支持，是任何Virtio前端驱动都必须使用的，其他模块都依赖于这三个模块，而且它们的加载是由一定顺序的，要按照virtio、virtio_ring、virtio_pci的顺序加载。其余的驱动可以根据实际需要进行选择性的编译和加载。比如，客户机需要使用Virtio驱动的balloon动态内存分配功能，则启用virtio_balloon模块；客户机使用Virtio驱动的网卡功能，则启用virtio_net模块；如果使用Virtio驱动的硬盘功能，则启用virtio_blk模块。

以Ubuntu14.04版本的内核配置文件为例，其中与Virtio相关的配置如下：

还可以通过命令查找系统中加载的Virtio相关模块，如下：

由于Windows操作系统不是开源的操作系统，微软公司本身没有提供Virtio相关的驱动，因此需要额外安装特定驱动来支持Virtio。以Utuntu14.04为例，包含一个名为virtio-win的RPM软件包，能为许多Windows版本提供Virtio相关的驱动。