概而言之，virtio 是半虛擬化 hypervisor 中位於設備之上的抽象層。virtio 由 Rusty Russell 開發，他當時的目的是支持自己的虛擬化解決方案 lguest。本文在開篇時介紹半虛擬化和模擬設備，然後探索 virtio 的細節。本文的重點是來自 2.6.30 內核發行版的 virtio 框架。
Linux 是 hypervisor 展臺。如我的 剖析 Linux hypervisor 所述，Linux 提供各種 hypervisor 解決方案，這些解決方案都有自己的特點和優點。這些解決方案包括 Kernel-based Virtual Machine (KVM)、lguest 和 User-mode Linux 等。在 Linux 上配備這些不同的 hypervisor 解決方案會給操作系統帶來負擔，負擔的大小取決於各個解決方案的需求。其中的一項開銷爲設備的虛擬化。virtio 並沒有提供多種設備模擬機制（針對網絡、塊和其他驅動程序），而是爲這些設備模擬提供一個通用的前端，從而標準化接口和增加代碼的跨平臺重用。
完全虛擬化和半虛擬化
讓我們快速討論一下兩種類型完全不同的虛擬化模式：完全虛擬化和半虛擬化。在完全虛擬化 中，來賓操作系統運行在位於物理機器上的 hypervisor 之上。來賓操作系統並不知道它已被虛擬化，並且不需要任何更改就可以在該配置下工作。相反，在半虛擬化 中，來賓操作系統不僅知道它運行在 hypervisor 之上，還包含讓來賓操作系統更高效地過渡到 hypervisor 的代碼（見 圖 1）。
在完全虛擬化模式中，hypervisor 必須模擬設備硬件，它是在會話的最低級別進行模擬的（例如，網絡驅動程序）。儘管在該抽象中模擬很乾淨，但它同時也是最低效、最複雜的。在半虛擬化模式中，來賓操作系統和 hypervisor 能夠共同合作，讓模擬更加高效。半虛擬化方法的缺點是操作系統知道它被虛擬化，並且需要修改才能工作。
圖 1. 在完全虛擬化和半虛擬化環境下的設備模擬
硬件隨着虛擬化技術而不斷改變。新的處理器通過納入高級指令來讓來賓操作系統到 hypervisor 的過渡更加高效。此外，硬件也隨着輸入/輸出（I/O）虛擬化而不斷改變（參見 參考資料 瞭解 Peripheral Controller Interconnect [PCI] passthrough 和 single- and multi-root I/O 虛擬化）。
但是在傳統的完全虛擬化環境中，hypervisor 必須捕捉這些請求，然後模擬物理硬件的行爲。儘管這樣做提供很大的靈活性（即運行未更改的操作系統），但它的效率比較低（參見 圖 1 左邊）。圖 1 的右邊是半虛擬化示例。在這裏，來賓操作系統知道它運行在 hypervisor 之上，幷包含了充當前端的驅動程序。Hypervisor 爲特定的設備模擬實現後端驅動程序。通過在這些前端和後端驅動程序中的 virtio，爲開發模擬設備提供標準化接口，從而增加代碼的跨平臺重用率並提高效率。
針對 Linux 的抽象
從前面的小節可以看到，virtio 是對半虛擬化 hypervisor 中的一組通用模擬設備的抽象。該設置還允許 hypervisor 導出一組通用的模擬設備，並通過一個通用的應用編程接口（API）讓它們變得可用。圖 2 展示了爲什麼這很重要。有了半虛擬化 hypervisor 之後，來賓操作系統能夠實現一組通用的接口，在一組後端驅動程序之後採用特定的設備模擬。後端驅動程序不需要是通用的，因爲它們只實現前端所需的行爲。
圖 2. virtio 的驅動程序抽象
注意，在現實中（儘管不需要），設備模擬發生在使用 QEMU 的空間，因此後端驅動程序與 hypervisor 的用戶空間交互，以通過 QEMU 爲 I/O 提供便利。QEMU 是一個系統模擬器，它不僅提供來賓操作系統虛擬化平臺，還提供整個系統（PCI 主機控制器、磁盤、網絡、視頻硬件、USB 控制器和其他硬件元素）的模擬。
virtio API 依賴一個簡單的緩衝抽象來封裝來賓操作系統需要的命令和數據。讓我們查看 virtio API 的內部及其組件。
Virtio 架構
除了前端驅動程序（在來賓操作系統中實現）和後端驅動程序（在 hypervisor 中實現）之外，virtio 還定義了兩個層來支持來賓操作系統到 hypervisor 的通信。在頂級（稱爲 virtio）的是虛擬隊列接口，它在概念上將前端驅動程序附加到後端驅動程序。驅動程序可以使用 0 個或多個隊列，具體數量取決於需求。例如，virtio 網絡驅動程序使用兩個虛擬隊列（一個用於接收，另一個用於發送），而 virtio 塊驅動程序僅使用一個虛擬隊列。虛擬隊列實際上被實現爲跨越來賓操作系統和 hypervisor 的銜接點。但這可以通過任意方式實現，前提是來賓操作系統和 hypervisor 以相同的方式實現它。
圖 3. vital 框架的高級架構
如 圖 3 所示，分別爲塊設備（比如磁盤）、網絡設備、PCI 模擬和 balloon 驅動程序列出了 5 個前端驅動程序。每個前端驅動程序在 hypervisor 中有一個對應的後端驅動程序。
概念層次結構
從來賓操作系統的角度來看，對象層次結構 的定義如 圖 4 所示。在頂級的是 virtio_driver，它在來賓操作系統中表示前端驅動程序。與該驅動程序匹配的設備由 virtio_device（設備在來賓操作系統中的表示）封裝。這引用 virtio_config_ops 結構（它定義配置 virtio 設備的操作）。virtio_device 由 virtqueue 引用（它包含一個到它服務的 virtio_device 的引用）。最後，每個 virtqueue 對象引用 virtqueue_ops 對象，後者定義處理 hypervisor 的驅動程序的底層隊列操作。儘管隊列操作是 virtio API 的核心，我還是先簡單討論一下新的發現，然後再詳細探討 virtqueue_ops 操作。
圖 4. virtio 前端的對象層次結構
該流程以創建 virtio_driver 並通過 register_virtio_driver 進行註冊開始。virtio_driver 結構定義上層設備驅動程序、驅動程序支持的設備 ID 的列表、一個特性表單（取決於設備類型）和一個回調函數列表。當 hypervisor 識別到與設備列表中的設備 ID 相匹配的新設備時，將調用 probe 函數（由 virtio_driver 對象提供）來傳入 virtio_device 對象。將這個對象和設備的管理數據緩存起來（以獨立於驅動程序的方式緩存）。可能要調用 virtio_config_ops 函數來獲取或設置特定於設備的選項，例如，爲 virtio_blk 設備獲取磁盤的 Read/Write 狀態或設置塊設備的塊大小，具體情況取決於啓動器的類型。
注意，virtio_device 不包含到 virtqueue 的引用（但 virtqueue 確實引用了 virtio_device）。要識別與該 virtio_device 相關聯的 virtqueue，您需要結合使用 virtio_config_ops 對象和 find_vq 函數。該對象返回與這個 virtio_device 實例相關聯的虛擬隊列。find_vq 函數還允許爲 virtqueue 指定一個回調函數（查看 圖 4 中的 virtqueue 結構）。
virtqueue 是一個簡單的結構，它識別一個可選的回調函數（在 hypervisor 使用緩衝池時調用）、一個到 virtio_device 的引用、一個到 virtqueue 操作的引用，以及一個引用要使用的底層實現的特殊 priv 引用。雖然 callback 是可選的，但是它能夠動態地啓用或禁用回調。
該層次結構的核心是 virtqueue_ops，它定義在來賓操作系統和 hypervisor 之間移動命令和數據的方式。讓我們首先探索添加到或從 virtqueue 移除的對象。
Virtio 緩衝池
來賓操作系統（前端）驅動程序通過緩衝池與 hypervisor 交互。對於 I/O，來賓操作系統提供一個或多個表示請求的緩衝池。例如，您可以提供 3 個緩衝池，第一個表示 Read 請求，後面兩個表示響應數據。該配置在內部被表示爲一個散集列表（scatter-gather），列表中的每個條目表示一個地址和一個長度。
核心 API
通過 virtio_device 和 virtqueue（更常見）將來賓操作系統驅動程序與 hypervisor 的驅動程序鏈接起來。virtqueue 支持它自己的由 5 個函數組成的 API。您可以使用第一個函數 add_buf 來向 hypervisor 提供請求。如前面所述，該請求以散集列表的形式存在。對於 add_buf，來賓操作系統提供用於將請求添加到隊列的 virtqueue、散集列表（地址和長度數組）、用作輸出條目（目標是底層 hypervisor）的緩衝池數量，以及用作輸入條目（hypervisor 將爲它們儲存數據並返回到來賓操作系統）的緩衝池數量。當通過 add_buf 向 hypervisor 發出請求時，來賓操作系統能夠通過 kick 函數通知 hypervisor 新的請求。爲了獲得最佳的性能，來賓操作系統應該在通過 kick 發出通知之前將盡可能多的緩衝池裝載到 virtqueue。
通過 get_buf 函數觸發來自 hypervisor 的響應。來賓操作系統僅需調用該函數或通過提供的 virtqueue callback 函數等待通知就可以實現輪詢。當來賓操作系統知道緩衝區可用時，調用 get_buf 返回完成的緩衝區。
virtqueue API 的最後兩個函數是 enable_cb 和 disable_cb。您可以使用這兩個函數來啓用或禁用回調進程（通過在 virtqueue 中由 virtqueue 初始化的 callback 函數）。注意，該回調函數和 hypervisor 位於獨立的地址空間中，因此調用通過一個間接的 hypervisor 來觸發（比如 kvm_hypercall）。
緩衝區的格式、順序和內容僅對前端和後端驅動程序有意義。內部傳輸（當前實現中的連接點）僅移動緩衝區，並且不知道它們的內部表示。
示例 virtio 驅動程序
您可以在 Linux 內核的 ./drivers 子目錄內找到各種前端驅動程序的源代碼。可以在 ./drivers/net/virtio_net.c 中找到 virtio 網絡驅動程序，在 ./drivers/block/virtio_blk.c 中找到 virtio 塊驅動程序。子目錄 ./drivers/virtio 提供 virtio 接口的實現（virtio 設備、驅動程序、virtqueue 和連接點）。virtio 還應用在 High-Performance Computing (HPC) 研究中，以開發出通過共享內存傳遞的 inter-virtual machine (VM) 通信。尤其是，這是通過使用 virtio PCI 驅動程序的虛擬化 PCI 接口實現的。您可以在 參考資料 部分更多地瞭解這個知識點。
現在，您可以在 Linux 內核中實踐這個半虛擬化基礎架構。您所需的包括一個充當 hypervisor 的內核、一個來賓操作性內核和用於設備模擬的 QEMU。您可以使用 KVM（位於主機內核中的一個模塊）或 Rusty Russell 的 lguest（修改版的 Linux 來賓操作系統內核）。這兩個虛擬化解決方案都支持 virtio（以及用於系統模擬的 QEMU 和用於虛擬化管理的 libvirt）。
Rusty 的 lguest 是針對半虛擬化驅動程序和更快速地模擬虛擬設備的更簡潔代碼庫。但更重要的是，實踐證明 virtio 比現有的商業解決方案提供更出色的性能（網絡 I/O 能夠提升 2-3 倍）。性能的提升是需要付出代價的，但是如果您使用 Linux 作爲 hypervisor 和來賓操作系統，那麼這樣做是值得的。
結束語
也許您可能從來沒有爲 virtio 開發過前端或後端驅動程序，它實現了一個有趣的架構，值得您仔細去探索。virtio 爲提高半虛擬化 I/O 環境中的效率帶來了新的機會，同時能夠利用 Xen 以前的成果。Linux 不斷地證明它是一個產品 hypervisor，並且是新虛擬化技術研究平臺。virtio 這個例子展示了將 Linux 用作 hypervisor 的強大之處和開放性。
原文鏈接：https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-virtio/index.html