DPDK系列之八虚拟化virtio

一、virtio的介绍

在一篇文章中对virtio进行了简单的说明。在早期的虚拟化的过程中，无论是KVM还是Vmware亦或是Xen，每个平台想当然的是自己搞自己的IO接口。这就和现在国内的互联各个平台都是大而全一样，怎么可能我用你的支付接口呢？而这样做的结果就是应用方感到非常难受，特别是维护升级以及想改变应用目标的话，这需要的成本不断增加。
而实际上，不管IO如何发展，除非出现一种完全崭新的接口设备，否则它们应用基本逻辑应用没有多大差异，这也为统一设备的接口和提高兼容性打开了大门。
而virtio可以说因时而动，它提供了通用的抽象接口，它是一种半虚拟化的设备抽象接口规范，它在QEMU和KVM中被广泛应用。它分为两部分，即virtio（前端）和vhost（后端）。virtio的数据流交互其实就是通过两个VRing来进行转发的。

二、virtio的框架流程

其主要架构如下：

从图上可以看出，其共分为了四层，前端驱动和后端驱动，以及中间层的virtio 和virtio ring层。
前端驱动和后端设备通过传输层（中间层两层）来实现数据的通信，其主要的流程图如下：

前端驱动（virtio）中，主要是虚拟机对virtio模拟设备的驱动程序，用来管理virtio设备，接收虚拟机的请求并根据协议连接virtio设备。在Linux内核中，基本已经实现了一系列的此类前端驱动，如virtio-ballon、virtio-net、virtio-blk和virtio-scsi等等。同时在DPDK中实现了对网络设备的用户态（virtio-pmd）驱动。
传输层，顾名思义，就是用前后端的数据通信，它主要是支持虚拟机和VMM（Hypervisor）之间。正如图上所讲，利用共享内在实现两个虚拟队列来完成数据的传输。前端虚拟队列用于前端动态数据的传输，后端虚拟队列用于前端设备提交的IO请求处理。
后端设备主要承担两类功能，一个是对virtio后端设备的模拟，第二是依据协议处理虚拟机传过来的请求。不过随着技术的进步，又出现了前面提到的vhost,vhost-user、vDPA等等加速方案。

三、DPDK的virtio的应用

在Linux内核中对virtio的抽象实现如下：
1、底层PCI-e设备抽象层，管理检测PCI-e设备，初始化相应设备驱动程序,其通过两个抽象类即virtio_driver和virtio_device来负责此工作
2、中间virio虚拟队列层，其主要是virtqueue，其主要由vring_virtqueue和vring等类来实现
3、上层网络设备抽象层，通过实现底层抽象类virtio_net_driver和dev来提供普通的网络接口使用
而在DPDK基本上也是沿袭了这个路线。
DPDK中对virtio设备的优化：
1、单帧mbuf的网络包收发优化，固定了环表表项和描述符表项的映射
2、Indirect特性在网络发送包中的支持，即发送包只需要一个描述符（普通的包至少需要两个）
这要归功于DPDK中并没有完全实现virtio中对所有相关IO的实现，只是实现了对网卡设备的支持，这样就可以针对其进行具体的上述优化了。

四、源码

DPDK中对相关虚拟化virtio的实现代码主有以下几部分（DPDK主目录/drviers/net/virtio或vhost）：

其主要内容包括：
1、从整体上讲，在net路径下有vhost和virtio两块；在virtio中有virtio-user及相关抽象实现；而在wirtio-user中又有用户态的vhost等
2、在virtio文件夹中，通过文件名也基本可以判断出其功能：virtio_ethdev.c是上层设备的抽象即前端驱动；而virtio_pci.c是底层抽象即后端的驱动；而virtio_rxtx.c等含有rxtx源码文件都负责传输的，而virtio_ring.h,virtqueue.c又是传输的抽象层
3、virtio_user中又提供了相关用户态的实现，它实现DPDK对容器对virtio的支持并且可以用于与Kernel通信。

把整体的框架框住，下来就可以从头按顺序进行分析，不要着急。

五、总结

virtio一个完整的协议抽象，不可能在一两篇文章中分析介绍完成，所以大家先有一个印象，然后再后面，遇到具体的问题再具体的分析。同时，会根据在DPDK的应用情况，对相关的源码和流程以及相关的体系结构进行整理分析。每天进步一点点吧，不断前行，不断积累，就会有量变到质变的过程。