Virtio：针对Linux的I/O的虚拟化框架

Linux内核支持多种虚拟化模式，并且支持的数量随着虚拟化的进步和新模式的出现（例如 lguest）而增加。但是，让这些虚拟化模式能够在 Linux 之上运行之后，又如何让它们能够在 I/O 虚拟化方面利用底层内核呢？

答案是使用virtio，它为 hypervisor 和一组通用的I/O虚拟化驱动程序提供高效的抽象。探索virtio并了解为什么 Linux将成为最佳的 hypervisor。

完全虚拟化中，guest OS运行于物理机器上的hypevisor上，guest OS并不知道它已被虚拟化，并且不需要任何更改就可以在该配置下工作。半虚拟化中，guest OS不仅知道它运行在hypervisor之上，还包含让guest OS更高效地过渡到hypervisor的代码。

在完全虚拟化模式中，hypervisor必须模拟设备硬件，它是在会话的最低级别进行模拟的。尽管在该抽象中模拟很干净，但它同时也是最低效、最复杂的。在半虚拟化的模式中，guest OS和hypervisor能够共同合作，让模拟更加高效。

在虚拟机中，可以通过qemu模拟e1000网卡，这样的经典网卡一般各种客户操作系统都会提供inbox驱动，所以从兼容性上来看，使用类似e1000的模拟网卡是一个非常不错的选择。

但是，e1000网卡上也包含了复杂的io端口，寄存器，缓存配置，虚拟机每次收发包都会引起更多的io和mmio操作，使得虚拟机频繁的陷出，最终导致网络性能不佳。

为了解决性能问题，IBM在2005年提出了virtio(PV Driver (事实上的标准)),虚拟机中的半虚拟化前端驱动和主机上的后端服务简单的使用virtqueue共享队列交换数据，大幅的减少了e1000模拟时复杂的io操作，从而可以较大程度的提升虚拟网络性能。

作为对比，从下面简单的iperf测试中，我们就能看出两者的性能差距：

Vhost

vhost技术对virtio-net进行了优化，在内核中加入了vhost-net.ko模块，使得对网络数据可以再内核态得到处理。

virtio的io路径

vhost的io路径

vhost将部分virio驱动的操作从用户态移到内核态，减少了用户态/内核态切换时间和包的拷贝次数，从而更进一步的提升了性能，下面的网络延时测试可以看出vhost的优势：

随着技术的发展，将网络数据放入用户态处理将可以得到更灵活的形式。在原有的vhost架构中，进行了改动，增加了一种新的vhost-backend，叫做vhost-user。

vhost的io路径

vhost-user的io路径

vhost-user的提交者是Luke Gorrie，他也是snabbswitch的作者。从图上可以看到vhost-backend从原来咋kernel中的vhost-net 变成了用户空间的snabbswitch。 snabbswitch直接接管物理网卡的驱动，从而直接控制网络信息的输入输出。

snabbswitch主要使用了下面的技术来提高性能

值得一提的是使用snabbswitch后，不用再使用原来的tap设备模拟的网卡。

使用vhost-user技术，从虚拟机到host上实现了数据的zero copy（通过大页共享），host到nic的zero copy（snabbswitch实现的驱动），能进一步加快数据的传输。

Vhost是client与kernel（server）的交互，client与内核共享内存，局限性是如果client要发送消息到用户进程，很不方便；

Vhost-user使用unix domain来进行通信，两个用户进程共享内存，达到和vhost一样的效果。