Virtio原理简介

实现IO虚拟化主要有三种方式：全虚拟化、半虚拟化和透传。全虚拟化Guest OS不会感知到自己是虚拟机，也无需修改Guest OS，但是它的效率比较低。半虚拟化Guest OS知道自己是虚拟机，通过Frontend/Backend驱动模拟实现IO虚拟化。透传就是直接分配物理设备给VM用。Virtio是一种半虚拟化的设备抽象接口规范，在Qemu和KVM中得到了广泛使用，本文将简单介绍Virtio的基

rtoax

1683人浏览 · 2021-03-28 20:48:51

rtoax · 2021-03-28 20:48:51 发布

Virtio规范简介

Basic Facilities of a Virtio Device

　　每个Virtio设备包括以下部分

Device status field　　设备状态字段
Feature bits　　特征位
Device Configuration space　　设备配置空间
One or more virtqueues　　一个或多个virtqueues

virtqueues

　　在virtio设备上进行批量数据传输的机制被称为virtqueue，每个设备可以拥有零个或多个virtqueue，每个virtqueue由三部分组成：

Descriptor Table
Available Ring
Used Ring

　　每部分在客户机内存中是物理连续的，并且有不同的对齐要求，virtqueue的每个部分的内存对齐和大小要求如下表，其中Queue Size对应virtqueue中的最大buffer数，始终为2的n次幂，以特定于总线的方式指定：

Virtqueue Part	Alignment	Size
Descriptor Table	16	16*(Queue Size)
Available Ring	2	6 + 2*(Queue Size)
Used Ring	4	6 + 8*(Queue Size)

　　Descriptor Table指的是Driver用于Device的缓冲区，由Queue Size个Descriptor组成。Descriptor中存有GPA的字段addr，长度字段len，可以链接next Descriptor的next指针等(形成描述符链)。如果协商了VIRTIO_F_INDIRECT_DESC feature则可以使用Indirect Descriptors来增加ring的容量。
　　Available Ring中的每个条目是一个是描述符链的头部，它仅由Driver写入并由Device读取，Device获取Descriptor后，Descriptor对应的缓冲区可能是可读的也可能是可写的，可读的用于Driver发送数据，可写的用于接收数据。
　　Used Ring的介绍直接贴SPEC文档中的描述上来比翻译过来更容易理解。The used ring is where the device returns buffers once it is done with them: it is only written to by the device,and read by the driver.简单来说Used Ring的作用就是Device使用完Descriptor之后，将Descriptor放入这里，通知Driver回收。

Vring机制简介

在virtio设备上进行批量数据传输的机制被称为virtqueue。每个设备可以拥有零个或多个virtqueue，当Driver想要向设备发送数据时，它会填充Descriptor Table中的一项（或将几项链接在一起），并将描述符索引写入Available Ring中，然后它通知Device，当Device完成后，它将描述符索引写入Used Ring中并发送中断。(详见SPEC 2.4)

下图Virtio网络设备发包过程为例讲解上述机制，Driver将sk_buffer填充进scatterlist table中(只是设置地址没有数据搬移)，然后通过计算得到GPA并将GPA写入Descriptor Table中，同时将Desc chain的head记录到Available Ring中，然后通过PIO的方式通知Device，Device发包并更新Used Ring。