KVM 半虚拟化驱动

艾丝凡家的

　　KVM是必须使用硬件虚拟化辅助技术（如Intel VT-x、AMD-V）的Hypervisor，在cpu运行效率方面有硬件支持、其效率是比较高的；
　　在有Intel EPT特性支持的平台上，内存虚拟化的效率也较高。
　　不过，KVM在I/O虚拟化方面，传统的方式是使用QEMU纯软件的方式来模拟I/O设备，其效率很差。（性能和兼容性的博弈）
　　QEMU模拟过程
　　在使用QEMU模块I/O的情况下，当客户机中的设备驱动程序（Device Driver）发起I/O操作请求之时，KVM模块（Module）中的I/O操作捕获代码会拦截I/O请求，然后在经过处理后将本次I/O请求。然后经过处理后将本次I/O请求的信息存放到I/O共享页（sharing page），并通知用户空间的QEMU程序。Qemu模拟程序获取I/O操作的具体信息之后，交由硬件模拟代码（EmulationCode）来模拟出本次的I/O操作，完成之后，将结果放回到I/O 共享页，并通知KVM模块中的I/O操作捕获代码。最后，由KVM模块中的捕获代码读取I/O共享页中的操作结果，并把结果返回到客户机中。当然，在这个操作过程中客户机作为一个Qemu进程在等待I/O是也可能被阻塞。另外，当客户机通过DMA（Direct Memory Access）访问大块I/O之时，QEMU模拟程序将不会把操作结果放到I/O共享页中，而是通过内存映射的方式将结果直接写到客户机内存中区，然后通过KVM模块告诉客户机DMA操作已经完成。
　　virtio I/O半虚拟化磁盘
　　前端驱动（frondend，如virtio-blk、virtio-net)是在客户机中存在的驱动程序模块，而后端处理程序（backend）是在QEMU中实现的。
　　在前后端定义了两层来支持客户机与QEMU之间的通信。
　　virtio层，在概念上，将前端驱动程序附加到后端程序。一个前端驱动程序可以使用0个或多个队列，具体数量取决于需求。（virtio-net 2个队列，virtio-blk一个队列）
　　虚拟队列实际上被实现为跨越客户机操作系统和Hypervisor的衔接点，但该衔接点可以通过任意方式实现。
　　virtio-ring实现了环形缓冲区（ring buffer），用于保存前端驱动和后端处理程序执行的信息，并且该环形缓冲区可以一次性保存前端驱动的多次请求，并且交由后端驱动去批量处理，最后实际调用宿主机中设备驱动实现物理上的I/O操作，这样做就可以根据约定实现批量处理而不是客户机中每次I/O请求都需要处理一次，从而提高客户机与Hypervisor信息交换的效率。
　　virtio、virtio_ring、virtio_pci等驱动程序提供了对virtio API的基本支持，是使用任何virtio前端驱动都必须使用的，而且他们的加载还有一定的顺序，应该按照virtio、virtio_ring、virtio_pci的顺序加载，而virtio_net、virtio_blk这样的驱动可以根据实际需要进行选择性的编译和加载。
　　
　　virtio ballooning
　　气球中的内存时可以供宿主机使用的（但不能被客户机访问或使用），所以，当客户机内存紧张，空余内存不多的时候，可以请求客户机回收利用已分配给客户机的部分内存，客户机就会释放其空下内存，此时若客户机空闲内存不足，可能还会回收部分使用中的内存，可能会将部分内存换出到客户机的交换分区（swap）中，从而是内存气球充气膨胀，进而是宿主机回收气球中的内存用于其他进程。反之，当客户机内存不足时，也可以让客户机的内存气球压缩，释放出内存气球中的部分内存，让客户机使用更多的内存。（真绕！）
　　KVM中ballooning的工作过程主要有如下步骤：
　　1)　　Hypervisor(即KVM）发送请求到客户机操作系统让其归还一定数量的内存给Hypervisor
　　2）　　客户机操作系统中的virtio_balloon驱动接收到Hypervisor的请求。
　　3）　　virtio_balloon驱动使客户机的内存气球膨胀，气球中的内存就不能被客户机访问。如果此时客户机中的内存剩余不多，并且不能让内存气球膨胀到足够大以满足Hypervisor的请求，那么virtio_balloon驱动也会尽可能地提供内存使气球膨胀，尽量去满足Hypervisor的请求中的内存数量（即使不一定能完全满足）。
　　4）　　客户机操作系统归还气球中的内存给Hypervisor
　　5）　　Hypervisor可以将气球中得来的内存分配到任何需要的地方
　　6）　　即使从气球中得到的内存没有处于使用中，Hypervisor也可以将内存返还到客户机中，这个过程为：Hypervisor发请求到客户机的virtio_balloon驱动；这个请求是客户机操作系统压缩内存气球；在气球中的内存被释放出来，重新由客户机访问和使用。
　　
　　vhost_net后端驱动
　　virtio在宿主机中的后端处理程序（backend）一般是由用户空间的QEMU提供的，然而，如果对于网络IO请求的后端处理能够在内核空间开完成，则效率会更高提高网络吞吐量和减少网络延迟。
　　vhost-net的驱动模块，作为一个内核级别的后端处理驱动，将virtio-net的后端处理任务放到内核空间中执行，从而提高效率。
　　“使用网桥模式”
　　-net tap,[,vnet_hdr=on|off][,vhost=on|off][,vhostfd=h][,vhostforce=on|off]
　　一般来说，使用vhost-net作为后端处理程序可以提高网络的性能。不过，对于一些使用vhost-net作为后端的网络负载类型，可能使其性能不升反降。特别是从宿主机到其客户机之间的UDP流量，如果客户及处理接受数据的速度比宿主机发送的速度要慢，这是就容易出现性能下降。在这种情况下，使用vhost-net将会是UDPsocket的接受缓冲区更快的溢出，从而导致更多的数据包丢失。因此在这种情况下不使用vhost-net，让传输速度稍微慢一点，反而会提高整体的性能。
　　使用qemu-kvm命令行时，加上“vhost=off”
　　
　　
　　
　　
　　
　　virtio_blk 驱动使用virito API为客户机提供了一个高效访问块设备I/O的方法。
　　在QEMU/KVM中对块设备使用virito，需要在两方面进行配置：客户机中的前端驱动模块virito_blk和宿主机中的QEMU提供后端处理程序。