虚拟化技术 - I/O虚拟化 [一]

在虚拟化系统中，I/O外设只有一套，需要被多个guest VMs共享。VMM/hypervisor提供了两种机制来实现对I/O设备的访问，一种是透传（passthrough），一种是模拟（emulation）。

Device Passthrough

所谓passthrough，就是指guest VM可以透过VMM，直接访问I/O硬件，这样guest VM的I/O操作路径几乎和无虚拟化环境下的I/O路径相同，性能自然是非常高的。

在虚拟化环境下，guest VM使用的物理地址是GPA（参考这篇文章），如果直接用guest OS中的驱动程序去操作I/O设备的话（这里的I/O限定于和内存统一编址的MMIO），那么设备使用的地址也是GPA。这倒不难办，使用CPU的EPT/NPT MMU查询对应guest VM的nPT页表，进行一下GPA->HPA的转换就可以了。

可是别忘了，有一些I/O设备是具备DMA(Direct Memory Access)功能的。由于DMA是直接在设备和物理内存之间传输数据，必须使用实际的物理地址（也就是HPA），但DMA本身是为了减轻CPU的处理负担而存在的，其传输过程并不经过CPU。对于一个支持DMA传输的设备，当它拿着GPA去发起DMA操作时，由于没有真实的物理内存地址，传输势必会失败。

那如何实现对进行DMA传输的设备的GPA->HPA转换呢？再来一个类似于EPT/NPT的MMU？没错，这种专门转换I/O地址的MMU在x86的阵营里就是IOMMU。

然而，不和AMD使用相同的名字是Intel一贯的路数，所以Intel通常更愿意把这种硬件辅助的I/O虚拟化技术叫做VT-d(Virtualization Technology for Direct I/O)。作为后起之秀的ARM自然也不甘示弱，推出了对应的SMMU(System MMU)。

IOMMU查找的页表通常是专门的I/O page tables。既然都是进行GPA->HPA的转换，为什么不和EPT/NPT MMU共享nPT页表呢？这个问题将在接下来的文章中给出解答。为了加速查找过程，IOMMU中也有类似于EPT/NPT TLB的IOTLB硬件单元。

以Intel的VT-d为例，它规定了一个domain对应一个IO页表。在具体的实现中，通常是一个guest VM作为一个domain，因此分配给同一个guest VM的设备将共享同一个IO页表。

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这里为了支持device passthrough模式下的DMA传输，IOMMU进行的是GPA->HPA的转换。既然EPT/NPT MMU都可以同时支持GVA->GPA和GPA->HPA的转换，那IOMMU是否也可以呢？这个问题也将留在后续的文章中讨论。

Device passthrough机制要求VMM为guest VM分配好设备，并提供隔离。假设系统中现在有三个guest VMs，编号分别是0, 1, 2，如果VM 0分配到了网卡A，就要阻止VM 1和VM 2对网卡A的访问。

可以采用的方法是在拥有设备的guest VM加载驱动程序前，先给要分配出去的设备加载一个伪驱动作为占位符，由于没有真正的驱动程序，这个设备对于其他的guest VM来说就相当于是“隐藏”了。

这同时也暴露了使用device passthrough存在的一个问题，就是同一个I/O设备通常无法在不同的guest VM之间实现共享和动态迁移（比如PCI设备的热插拔）。下文将介绍的device emulation机制将可以解决设备共享和迁移的问题。

参考：

https://kernelgo.org/dma-remapp

原文链接：虚拟化技术 - I/O虚拟化 [一] - 知乎

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