DPDK系列之十六：Virtio技术分析之二，vhost技术对于virtio的增强

一、前言

在文章《DPDK系列之十五：Virtio技术分析之一，virtio基础架构》中，可以看到传统的virtio机制需要qemu来模拟用户态IO，所以虚拟机内部的IO请求从产生、发送到qemu、再到宿主机网络，需要多次跨越内核进行拷贝和处理器运行登记切换，影响性能。所以引入了vhost方案，将virtio的后端放到内核之中，这样virtio后端与宿主机上对于的tap设备的数据收发可以直接在内核进行，提高了效率。

   

                            classic virtio                                        vhost

转载自https://blog.csdn.net/cloudvtech

二、vhost工作机制

vhost使用内核驱动的方式将virtio的后端直接放入内核，这样虚拟机和宿主的沟通过程中就不会再向宿主机的userspace进行切换和数据拷贝。

2.1 qemu端的处理

在启动虚拟机的时候，指定-netdev tap时加入vhost=on，就会在qemu端enable vhost机制。tap在创建的时候，如果发现vhost=on，则会调用相应的初始化函数，通过open(“/dev/vhost-net”, O_RDWR)打开了vhost driver；并通过ioctl(vhost_fd)进行了一系列的初始化，并设置kick fd和call fd。

2.2 内核中的处理

vhost在内核中是以miscdevice的形式注册的，在初始化过程中，vhost driver创建了一个名为“vhost-$pid”内核线程,$pid为Qemu的PID。这个内核线程被称为“vhost worker thread”，用于处理virtio的IO事件。

但是由于vhost并没有模拟一个完整的PCI适配器。它内部只涉及了virtqueue的操作，而virtio设备的适配模拟仍然由Qemu来负责。所以vhost还依赖于用户空间qemu的管理平面进行配置和处理，而自身完成位于Host Kernel层的数据面处理。

vhost与kvm的事件通信通过eventfd机制来实现，虚拟机到vhost方向的kick event，通过ioeventfd承载；另一个是vhost到虚拟机方向的call event，通过irqfd承载。

2.3 虚拟机内部的处理

enable vhost的virtio设备的初始化流程和普通virtio基本上一致，使之最后会将初始化好的vring的信息通过ioctl发送给vhost，这样virtio的vring区域就被宿主机内核中的vhost所感知和共享。

虚拟机数据的发送和传统的virtio类似，都是通过操作基于共享内存的vring实现的，只是在数据进入内核之后，vhost会直接将数据发送给tap设备，不用再进入userspace。

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三、vhost-user的工作机制

vhost借助内核驱动机制将virtio的后端从用户态的qemu进程移到了内核态，从而减少跨越内核的切换和数据拷贝；而vhost-user则借助Linux的UIO机制进一步再将这个virtio的后端移到用户态，一些实现了vhost backend的交换机(如OVS-DPDK的type=dpdkvhostuser的端口)直接在用户态从vhost共享的虚拟机网卡缓存区vring中把网络数据进行读取，并发送到物理网卡上，从而大大提升了性能：

宿主机端实现用户态的DPDK host-user，虚拟机端采用virtio DPDK PMD，可以实现基于DPDK的高速数据面。DPDK的vhost-user包含的基本功能有：

• virtio网络设备管理和后端的实现
• 共享内存的映射、虚拟队列数据的处理
• 接受kick event和发送call event
• 虚拟队列和实际的物理网卡间的数据收发

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