5 virtio的半硬件卸載方案

Virtio作爲一種半虛擬化的解決方案，其性能一直不如設備的pass-through，即將物理設備（通常是網卡的VF）直接分配給虛擬機，其優點在於數據平面是在虛擬機與硬件之間直通的，幾乎不需要主機的干預。而virtio的發展，雖然帶來了性能的提升，可終究無法達到pass-through的I/O性能，始終需要主機（主要是軟件交換機）的干預。vDPA(vhost Data Path Acceleration)即是讓virtio數據平面不需主機干預的解決方案。該框架由Redhat提出，實現了virtio數據平面的硬件卸載。控制平面仍然採用原來的控制平面協議，當控制信息被傳遞到硬件中，硬件完成數據平面的配置之後，數據通信過程由硬件設備（智能網卡）完成，虛擬機與網卡之間直通。中斷信息也由網卡直接發送至虛擬機不需要主機的干預。這種方式，控制面比較複雜，硬件難以實現。

在硬件vDPA架構中，通過OVS轉發的流量首包依然由主機上的OVS轉發平面處理，對應數據流的後續報文由硬件網卡直接轉發。

從下圖中可以看到virtio的控制平面仍需要vDPA driver進行傳遞，也就是說QEMU，或者虛擬機仍然使用原先的控制平面協議作爲接口，而這些控制信息被傳遞到硬件中，硬件會通過這些信息配置好數據平面。而數據平面上，經過配置後的數據平面可以在虛擬機和網卡之間直通。

鑑於現在後端的數據處理其實完全在硬件中，原先的前後端通知方式也可以幾乎完全規避主機的干預，以中斷爲例，原先中斷必須由主機處理，主機通過軟件交換機得知中斷的目的地之後，將虛擬中斷注入到虛擬機中，而在vDPA中，網卡可以直接將中斷髮送到虛擬機中。總體來看，vDPA的數據平面與SR-IOV設備直通的數據平面非常接近，並且在性能數據上也能達到後者的水準。更重要的是vDPA框架保有virtio這套標準的接口，使雲服務提供商在不改變virtio接口的前提下，得到更高的性能。

需要注意的是，vDPA框架中利用到的硬件必須至少支持virtio ring的標準，否則可想而知，硬件是無法與前端進行正確通信的。另外，原先軟件交換機提供的交換功能，也轉而在硬件中實現。

爲了解決高性能SRIOV網絡的熱遷移問題，出現了很多做法和嘗試，尚未形成統一的標準。在Redhat提出硬件vDPA架構之前，Mellanox實現了軟件vDPA（即VF Relay）。理論上講，Mellanox的軟件vDPA並不能算是vDPA，其實就是將數據在用戶空間的virtio隊列和VF的接收隊列做了一次數據Relay。Redhat提出的硬件vDPA架構，目前在DPDK和內核程序中均有實現，基本是未來的標準架構。Qemu支持兩種方式的vDPA，一種是vhost-user，配合DPDK中的vDPA運行，DPDK再調用廠商用戶態vDPA驅動；另一種方式是vhost-vdpa，通過ioctl調用到內核通用vDPA模塊，通用vDPA模塊再調用廠商硬件專有的vDPA驅動。

1) 軟件vDPA: 軟件vDPA也叫VF relay，由於需要軟件把VF上接收的數據通過virtio轉發給虛擬機（VM），如Mellanox在OVS-DPDK實現了這個relay，OVS流表由硬件卸載加速，性能上與SR-IOV VF直通（passthrough）方式比略有降低，不過實現了虛擬機（VM）的熱遷移特性。

2) 硬件vDPA: 硬件vDPA實際上是藉助virtio硬件加速，以實現更高性能的通信。由於控制面複雜，所以用硬件難以實現。廠商自己開發驅動，對接到用戶空間DPDK的vDPA和內核vDPA架構上，可以實現硬件vDPA。目前Mellanox mlx5和Intel IFC對應的vDPA適配程序都已經合入到DPDK和kernel社區源碼。