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VFIO软件依赖——VFIO协议

文章目录

  • 背景
  • PCI设备模拟
    • PCI设备抽象
    • VFIO协议
  • 实验
  • Q&A

背景

  • 在虚拟化应用场景中,虚拟机想要在访问PCI设备时达到IO性能最优,最直接的方法就是将物理设备暴露给虚拟机,虚拟机对设备的访问不经过任何中间层的转换,没有虚拟化的损耗。
  • 但我们知道Linux没有为用户程序提供这样的设备访问机制,所有PCI设备都在kernel的管理之下,即使我们能够让一个PCI物理设备不被kernel管理,直接供用户态的程序使用,在安全上也不被允许,因为我们知道PCI设备可以DMA,用户程序管理的PCI设备一旦能够DMA,那么用户程序就能借助PCI设备访问整个系统内存。延伸到虚拟化场景下,一旦一个虚拟机拥有的PCI设备能够做DMA,这个虚机就能借助PCI设备入侵整个主机系统。
  • 想要提供高IO性能的PCI设备给虚拟机,除尽量减少PCI设备访问损耗,还需要增加一层保护,防止访问PCI设备的应用程序借助PCI的DMA能力入侵系统。
  • VFIO协议应时而生,它通过定义一套标准接口将PCI设备的信息提供给用户程序,替代了传统的通过PCI driver来获取PCI设备信息的方式,从而让用户态程序也能直接访问PCI设备信息。

PCI设备模拟

PCI设备抽象

  • 我们知道访问PCI设备的传统步骤是首先通过PCI驱动框架枚举pci总线上所有设备,根据PCI硬件的要求读取其配置空间内容、bar空间类型和大小,记录到内核PCI设备相关数据结构并为内存BAR空间映射系统内存。
  • 以上方式是访问PCI最自然的方式:根据厂商要求编写驱动,访问硬件设备。而用户态程序要访问PCI设备的信息,不能采用此方式,因为用户态程序无法像内核一样利用驱动框架枚举PCI设备,也无法针对设定PCI设备进行读写以获取其信息。那用户态程序应该怎么做才能访问PCI设备信息呢?其实用户态程序并不关心何种方式获取PCI信息,只关心最终结果,即PCI设备的信息,因此只要内核为用户态程序这样的信息即可。
  • 为达到上述目的,内核的VFIO框架对PCI设备进行了抽象,将PCI设备的所有信息抽象为一组Region。如下图所示:
    请添加图片描述
  • PCI设备所有信息记录在上述region中,通过ioctl命令字暴露给用户态程序。用户态程序在虚拟化场景下可以是Qemu或者ovs程序,我们知道Qemu可以软件模拟PCI设备,在使用VFIO设备后,当客户机有访问PCI设备的请求时,Qemu可以直接通过ioctl命令从内核获取信息,直接返回给客户机,Qemu完成了将Region重新组装成PCI设备,呈现给客户机的工作,如下图所示:
    请添加图片描述

VFIO协议

  • 上一节中定义了一套接口和对应的数据结构,用于描述PCI设备信息,这套接口即所谓的VFIO协议,在最初的实现中,VFIO协议用来支持硬件PCI设备透传功能,因此协议两端分别是用户态程序和kernel,协议通过ioctl命令字实现。但该协议可以扩展到任何场景,比如vfio-user设备就是另一种场景,协议两端都在用户态,协议通过unix socket实现。我们将发起调用的一方称为客户端(client),接受调用并返回的一方称为服务端(server)。如下图所示:
    请添加图片描述
  • 在传统的VFIO-PCI硬件设备透传场景, 由于硬件机制的原因,某些PCI设备做IO可能通过物理关联的另一个设备进行,为防止这种侵入,内核在实现上提出了组和容器的概念,用于定义隔离PCI设备的最小单元,这部分实现与VFIO标准协议无关,相关命令可以认为是具体实现相关的,如上图的中server-specific command
  1. VFIO User
  • 用户态的VFIO协议不涉及PCI设备的隔离,定义了如下命令字:
USER_VERSION
DMA_MAP
DMA_UNMAP
DEVICE_GET_INFO
DEVICE_GET_REGION_INFO
DEVICE_GET_REGION_IO_FDS
DEVICE_GET_IRQ_INFO
EVICE_SET_IRQS
REGION_READ
REGION_WRITE
DMA_WRITE
DEVICE_RESET
  1. VFIO Kernel
  • 对于kernel场景,VFIO PCI设备除了实现标准的VFIO协议外,还需要定义PCI设备隔离最小单元相关命令字,如下:
  • 实现相关命令字:
GET_API_VERSION
CHECK_EXTENSION
SET_IOMMU
GROUP_SET_STATUS
GROUP_SET_CONTAINER
......

实验

  • 我们的实验非常简单,选取一个PCI设备,将其加载为VFIO PCI驱动,然后编写用户态程序访问该设备并获取其信息,具体实现我们参考了内核的VFIO文档。实验我们以透传显卡为例。
  1. 查看显卡信息
[root@Hyman_server1 ~]# lspci -s 04:00.0
04:00.0 VGA compatible controller: Advanced Micro Devices, Inc. [AMD/ATI] Turks [Radeon HD 7600 Series]
  1. 查看显卡所属的group
[root@Hyman_server1 ~]# readlink /sys/bus/pci/devices/0000\:04\:00.0/iommu_group
../../../../kernel/iommu_groups/14
  1. 查看显卡所属组包含的设备
[root@Hyman_server1 ~]# ll /sys/kernel/iommu_groups/14/devices/
total 0
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Feb 13 23:27 0000:04:00.0 -> ../../../../devices/pci0000:00/0000:00:07.0/0000:04:00.0
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Feb 13 23:27 0000:04:00.1 -> ../../../../devices/pci0000:00/0000:00:07.0/0000:04:00.1
  1. 卸载同组内的所有设备的内核驱动,加载为vfio-pci驱动,这里我们通过Libvirt提供的工具操作
  • 查看显卡设备,显卡所属的group包含两个设备,一个显卡,一个声卡
[root@Hyman_server1 ~]# virsh nodedev-dumpxml pci_0000_04_00_0
<device><name>pci_0000_04_00_0</name><path>/sys/devices/pci0000:00/0000:00:07.0/0000:04:00.0</path><parent>pci_0000_00_07_0</parent><driver><name>radeon</name></driver><capability type='pci'><class>0x030000</class><domain>0</domain><bus>4</bus><slot>0</slot><function>0</function><product id='0x675b'>Turks [Radeon HD 7600 Series]</product><vendor id='0x1002'>Advanced Micro Devices, Inc. [AMD/ATI]</vendor><iommuGroup number='14'><address domain='0x0000' bus='0x04' slot='0x00' function='0x1'/><address domain='0x0000' bus='0x04' slot='0x00' function='0x0'/></iommuGroup><pci-express><link validity='cap' port='0' speed='5' width='16'/><link validity='sta' speed='5' width='16'/></pci-express></capability>
</device>[root@Hyman_server1 ~]# virsh nodedev-dumpxml pci_0000_04_00_1
<device><name>pci_0000_04_00_1</name><path>/sys/devices/pci0000:00/0000:00:07.0/0000:04:00.1</path><parent>pci_0000_00_07_0</parent><driver><name>snd_hda_intel</name></driver><capability type='pci'><class>0x040300</class><domain>0</domain><bus>4</bus><slot>0</slot><function>1</function><product id='0xaa90'>Turks HDMI Audio [Radeon HD 6500/6600 / 6700M Series]</product><vendor id='0x1002'>Advanced Micro Devices, Inc. [AMD/ATI]</vendor><iommuGroup number='14'><address domain='0x0000' bus='0x04' slot='0x00' function='0x1'/><address domain='0x0000' bus='0x04' slot='0x00' function='0x0'/></iommuGroup><pci-express><link validity='cap' port='0' speed='5' width='16'/><link validity='sta' speed='5' width='16'/></pci-express></capability>
</device>
  • 卸载显卡和声卡驱动
[root@Hyman_server1 ~]# virsh nodedev-detach pci_0000_04_00_0
Device pci_0000_04_00_0 detached[root@Hyman_server1 ~]# virsh nodedev-detach pci_0000_04_00_1
Device pci_0000_04_00_1 detached
  • 检查卸载情况
[root@Hyman_server1 ~]# virsh nodedev-dumpxml pci_0000_04_00_0
<device><name>pci_0000_04_00_0</name><path>/sys/devices/pci0000:00/0000:00:07.0/0000:04:00.0</path><parent>pci_0000_00_07_0</parent><driver><name>vfio-pci</name></driver><capability type='pci'><class>0x030000</class><domain>0</domain><bus>4</bus><slot>0</slot><function>0</function><product id='0x675b'>Turks [Radeon HD 7600 Series]</product><vendor id='0x1002'>Advanced Micro Devices, Inc. [AMD/ATI]</vendor><iommuGroup number='14'><address domain='0x0000' bus='0x04' slot='0x00' function='0x1'/><address domain='0x0000' bus='0x04' slot='0x00' function='0x0'/></iommuGroup><pci-express><link validity='cap' port='0' speed='5' width='16'/><link validity='sta' speed='5' width='16'/></pci-express></capability>
</device>[root@Hyman_server1 ~]# virsh nodedev-dumpxml pci_0000_04_00_1
<device><name>pci_0000_04_00_1</name><path>/sys/devices/pci0000:00/0000:00:07.0/0000:04:00.1</path><parent>pci_0000_00_07_0</parent><driver><name>vfio-pci</name></driver><capability type='pci'><class>0x040300</class><domain>0</domain><bus>4</bus><slot>0</slot><function>1</function><product id='0xaa90'>Turks HDMI Audio [Radeon HD 6500/6600 / 6700M Series]</product><vendor id='0x1002'>Advanced Micro Devices, Inc. [AMD/ATI]</vendor><iommuGroup number='14'><address domain='0x0000' bus='0x04' slot='0x00' function='0x1'/><address domain='0x0000' bus='0x04' slot='0x00' function='0x0'/></iommuGroup><pci-express><link validity='cap' port='0' speed='5' width='16'/><link validity='sta' speed='5' width='16'/></pci-express></capability>
</device>
  1. 编写应用程序,访问vfio pci设备,参考demo
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/vfio.h>
#include <fcntl.h>void main (int argc, char *argv[]) {int container, group, device, i;struct vfio_group_status group_status ={ .argsz = sizeof(group_status) };struct vfio_iommu_type1_info iommu_info = { .argsz = sizeof(iommu_info) };struct vfio_iommu_type1_dma_map dma_map = { .argsz = sizeof(dma_map) };struct vfio_device_info device_info = { .argsz = sizeof(device_info) };int ret;/* Create a new container */container = open("/dev/vfio/vfio", O_RDWR);if (ioctl(container, VFIO_GET_API_VERSION) != VFIO_API_VERSION) {/* Unknown API version */fprintf(stderr, "unknown api version\n");return;}if (!ioctl(container, VFIO_CHECK_EXTENSION, VFIO_TYPE1_IOMMU)) {/* Doesn't support the IOMMU driver we want. */fprintf(stderr, "doesn't support the IOMMU driver we want\n");return;}/* Open the group and get group fd* readlink /sys/bus/pci/devices/0000\:04\:00.0/iommu_group* */group = open("/dev/vfio/14", O_RDWR);if (group == -ENOENT) {fprintf(stderr, "group is not managed by VFIO driver\n");return;}/* Test the group is viable and available */ret = ioctl(group, VFIO_GROUP_GET_STATUS, &group_status);if (ret) {fprintf(stderr, "cannot get VFIO group status, ""error %i (%s)\n", errno, strerror(errno));close(group);return;} else if (!(group_status.flags & VFIO_GROUP_FLAGS_VIABLE)) {fprintf(stderr, "VFIO group is not viable! ""Not all devices in IOMMU group bound to VFIO or unbound\n");close(group);return;}if (!(group_status.flags & VFIO_GROUP_FLAGS_CONTAINER_SET)) {/* Add the group to the container */ret = ioctl(group, VFIO_GROUP_SET_CONTAINER, &container);if (ret) {fprintf(stderr,"cannot add VFIO group to container, error ""%i (%s)\n", errno, strerror(errno));close(group);return;}/* Enable the IOMMU model we want */ret = ioctl(container, VFIO_SET_IOMMU, VFIO_TYPE1_IOMMU);if (!ret) {fprintf(stderr, "using IOMMU type 1\n");} else {fprintf(stderr, "failed to select IOMMU type\n");return;}}/* Get addition IOMMU info */ioctl(container, VFIO_IOMMU_GET_INFO, &iommu_info);/* Allocate some space and setup a DMA mapping */dma_map.vaddr = mmap(0, 1024 * 1024, PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, 0, 0);dma_map.size = 1024 * 1024;dma_map.iova = 0; /* 1MB starting at 0x0 from device view */dma_map.flags = VFIO_DMA_MAP_FLAG_READ | VFIO_DMA_MAP_FLAG_WRITE;ioctl(container, VFIO_IOMMU_MAP_DMA, &dma_map);/* Get a file descriptor for the device */device = ioctl(group, VFIO_GROUP_GET_DEVICE_FD, "0000:04:00.0");/* Test and setup the device */ioctl(device, VFIO_DEVICE_GET_INFO, &device_info);for (i = 0; i < device_info.num_regions; i++) {struct vfio_region_info reg = { .argsz = sizeof(reg) };reg.index = i;ioctl(device, VFIO_DEVICE_GET_REGION_INFO, &reg);/* Setup mappings... read/write offsets, mmaps* For PCI devices, config space is a region */}for (i = 0; i < device_info.num_irqs; i++) {struct vfio_irq_info irq = { .argsz = sizeof(irq) };irq.index = i;ioctl(device, VFIO_DEVICE_GET_IRQ_INFO, &irq);/* Setup IRQs... eventfds, VFIO_DEVICE_SET_IRQS */}/* Gratuitous device reset and go... */ioctl(device, VFIO_DEVICE_RESET);ioctl(device, VFIO_DEVICE_GET_INFO, &device_info);
}
  1. 编译测试
  • gdb调试demo程序
make
gdb demo
b main
r
  • 查看获取到的PCI设备信息
Breakpoint 1, main (argc=1, argv=0x7fffffffe478) at demo.c:14
14	    struct vfio_group_status group_status =
(gdb) bt
#0  main (argc=1, argv=0x7fffffffe478) at demo.c:14
(gdb) list
9	#include <linux/vfio.h>
10	#include <fcntl.h>
11	
12	void main (int argc, char *argv[]) {
13	    int container, group, device, i;
14	    struct vfio_group_status group_status =
15	                                    { .argsz = sizeof(group_status) };
16	    struct vfio_iommu_type1_info iommu_info = { .argsz = sizeof(iommu_info) };
17	    struct vfio_iommu_type1_dma_map dma_map = { .argsz = sizeof(dma_map) };
18	    struct vfio_device_info device_info = { .argsz = sizeof(device_info) };
(gdb) n
16	    struct vfio_iommu_type1_info iommu_info = { .argsz = sizeof(iommu_info) };
(gdb) n
17	    struct vfio_iommu_type1_dma_map dma_map = { .argsz = sizeof(dma_map) };
(gdb) n
18	    struct vfio_device_info device_info = { .argsz = sizeof(device_info) };
(gdb) n
22	    container = open("/dev/vfio/vfio", O_RDWR);
(gdb) n
24	    if (ioctl(container, VFIO_GET_API_VERSION) != VFIO_API_VERSION) {
(gdb) n
30	    if (!ioctl(container, VFIO_CHECK_EXTENSION, VFIO_TYPE1_IOMMU)) {
(gdb) n
39	    group = open("/dev/vfio/14", O_RDWR);
(gdb) n
41	    if (group == -ENOENT) {
(gdb) p group
$1 = 8
(gdb) n
47	    ret = ioctl(group, VFIO_GROUP_GET_STATUS, &group_status);
(gdb) n
48	    if (ret) {
(gdb) p ret
$2 = 0
(gdb) p group_status
$3 = {argsz = 8, flags = 1}
(gdb) n
53	    } else if (!(group_status.flags & VFIO_GROUP_FLAGS_VIABLE)) {
(gdb) n
60	    if (!(group_status.flags & VFIO_GROUP_FLAGS_CONTAINER_SET)) {
(gdb) n
62	        ret = ioctl(group, VFIO_GROUP_SET_CONTAINER, &container);
(gdb) p container
$4 = 7
(gdb) n
63	        if (ret) {
(gdb) p ret
$5 = 0
(gdb) n
72	        ret = ioctl(container, VFIO_SET_IOMMU, VFIO_TYPE1_IOMMU);
(gdb) n
73	        if (!ret) {
(gdb) n
74	            fprintf(stderr, "using IOMMU type 1\n");
(gdb) n
using IOMMU type 1
82	    ioctl(container, VFIO_IOMMU_GET_INFO, &iommu_info);
(gdb) n
85	    dma_map.vaddr = mmap(0, 1024 * 1024, PROT_READ | PROT_WRITE,
(gdb) p iommu_info
$6 = {argsz = 116, flags = 3, iova_pgsizes = 4096, cap_offset = 0}
(gdb) n
87	    dma_map.size = 1024 * 1024;
(gdb) n
88	    dma_map.iova = 0; /* 1MB starting at 0x0 from device view */
(gdb) n
89	    dma_map.flags = VFIO_DMA_MAP_FLAG_READ | VFIO_DMA_MAP_FLAG_WRITE;
(gdb) n
91	    ioctl(container, VFIO_IOMMU_MAP_DMA, &dma_map);
(gdb) n
94	    device = ioctl(group, VFIO_GROUP_GET_DEVICE_FD, "0000:04:00.0");
(gdb) n
97	    ioctl(device, VFIO_DEVICE_GET_INFO, &device_info);
(gdb) p device
$7 = 9
(gdb) n
99	    for (i = 0; i < device_info.num_regions; i++) {
(gdb) p device_info
$8 = {argsz = 20, flags = 2, num_regions = 9, num_irqs = 5, cap_offset = 0}
  • 查看demo程序打开的文件
    请添加图片描述

Q&A

  1. 使用VFIO透传的设备,主机上必须开启IOMMU透传吗?
是的。IOMMU如果不透传,所有设备的DMA请求,都会通过内核配置来实现地址转换,用户进程无法决定映射关系。开启IOMMU透传后,IOMMU的DMA映射关系交给了用户程序,这样用户态程序(Qemu)才能通过接口VFIO_IOMMU_MAP_DMA灵活配置虚机做DMA的空间。

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基于FPGA的PID算法学习 前言一、PID算法分析二、PID仿真分析1. PID代码2.PI代码3.P代码4.顶层5.测试文件6.仿真波形 总结 前言 学习内容&#xff1a;参考网站&#xff1a; PID算法控制 PID即&#xff1a;Proportional&#xff08;比例&#xff09;、Integral&#xff08;积分&…...

在鸿蒙HarmonyOS 5中实现抖音风格的点赞功能

下面我将详细介绍如何使用HarmonyOS SDK在HarmonyOS 5中实现类似抖音的点赞功能&#xff0c;包括动画效果、数据同步和交互优化。 1. 基础点赞功能实现 1.1 创建数据模型 // VideoModel.ets export class VideoModel {id: string "";title: string ""…...

线程与协程

1. 线程与协程 1.1. “函数调用级别”的切换、上下文切换 1. 函数调用级别的切换 “函数调用级别的切换”是指&#xff1a;像函数调用/返回一样轻量地完成任务切换。 举例说明&#xff1a; 当你在程序中写一个函数调用&#xff1a; funcA() 然后 funcA 执行完后返回&…...

【机器视觉】单目测距——运动结构恢复

ps&#xff1a;图是随便找的&#xff0c;为了凑个封面 前言 在前面对光流法进行进一步改进&#xff0c;希望将2D光流推广至3D场景流时&#xff0c;发现2D转3D过程中存在尺度歧义问题&#xff0c;需要补全摄像头拍摄图像中缺失的深度信息&#xff0c;否则解空间不收敛&#xf…...

涂鸦T5AI手搓语音、emoji、otto机器人从入门到实战

“&#x1f916;手搓TuyaAI语音指令 &#x1f60d;秒变表情包大师&#xff0c;让萌系Otto机器人&#x1f525;玩出智能新花样&#xff01;开整&#xff01;” &#x1f916; Otto机器人 → 直接点明主体 手搓TuyaAI语音 → 强调 自主编程/自定义 语音控制&#xff08;TuyaAI…...

蓝桥杯 冶炼金属

原题目链接 &#x1f527; 冶炼金属转换率推测题解 &#x1f4dc; 原题描述 小蓝有一个神奇的炉子用于将普通金属 O O O 冶炼成为一种特殊金属 X X X。这个炉子有一个属性叫转换率 V V V&#xff0c;是一个正整数&#xff0c;表示每 V V V 个普通金属 O O O 可以冶炼出 …...

渗透实战PortSwigger靶场:lab13存储型DOM XSS详解

进来是需要留言的&#xff0c;先用做简单的 html 标签测试 发现面的</h1>不见了 数据包中找到了一个loadCommentsWithVulnerableEscapeHtml.js 他是把用户输入的<>进行 html 编码&#xff0c;输入的<>当成字符串处理回显到页面中&#xff0c;看来只是把用户输…...

VisualXML全新升级 | 新增数据库编辑功能

VisualXML是一个功能强大的网络总线设计工具&#xff0c;专注于简化汽车电子系统中复杂的网络数据设计操作。它支持多种主流总线网络格式的数据编辑&#xff08;如DBC、LDF、ARXML、HEX等&#xff09;&#xff0c;并能够基于Excel表格的方式生成和转换多种数据库文件。由此&…...

【深度学习新浪潮】什么是credit assignment problem?

Credit Assignment Problem(信用分配问题) 是机器学习,尤其是强化学习(RL)中的核心挑战之一,指的是如何将最终的奖励或惩罚准确地分配给导致该结果的各个中间动作或决策。在序列决策任务中,智能体执行一系列动作后获得一个最终奖励,但每个动作对最终结果的贡献程度往往…...