virtio 学习随笔 —— 二、virtio与vhost

二、virtio与vhost

参考文档:

Introduction to virtio-networking and vhost-net

很多人在学习virtio初期总是搞混virtio与vhost的关系，本篇文档将以virtio-net为例，介绍virtio与vhost的协作关系。virtio是Guest中前端设备驱动与Hypervisor后端设备驱动的标准化接口规范，而vhost可以通过在Hypervisor中接管virtio的数据平面提升Guest与Hypervisor之间的I/O性能。

virtio的两个平面：数据平面与控制平面

virtio类似NVMe协议，采用双平面结构。控制平面负责Hypervisor与Guest之间进行协商交互，包括数据平面的的建立与关闭等操作；数据平面则专门处理实际的数据传输业务。virtio对于两个平面有不同的要求，数据平面追求更高速的数据传输，而控制平面则强调灵活性与可扩展性以支持更多的设备与厂商。

使用virtio的系统概览

通常一个虚拟化系统由三个模块构成：

1. KVM(Kernel-based Virtual Machine)：KVM将Linux Kernel转变为Hypervisor，使其能够运行若干互相隔离的虚拟机，这些虚拟机被称为Guest Machine，并作为Linux的进程统一由Linux Kernel进行调度管理
2. QEMU：通过硬件模拟为Guest提供多样的设备模型。当与KVM协同工作时，QEMU能利用硬件扩展特性使虚拟机达到接近原生的运行速度
3. Libvirt：可以将XML格式的配置文件转换成QEMU命令行调用，同时通过管理守护进程配置子进程（如QEMU），从而避免QEMU直接需要root权限

它们之间的关系见下图：

vhost协议

以下流程图展示了在上图中的系统架构中virtio-net设备的配置过程，以及通过PCI总线与virtio-net设备通信的virtio-net驱动程序发送数据包的流程。

在虚拟机准备好数据之后， virtio-net驱动会发出“available buffer”可用的信号，并且将控制权交给QEMU，将数据通过TAP设备发出。在QEMU完成数据发送/接收之后，将会通知虚拟机操作已完成。其实现方式是将数据放入virtqueue，并发送一个已使用通知事件，触发虚拟机的vCPU中断。接收数据的流程和发送数据的流程类似，唯一不同的是接收数据所使用的缓冲区需要事前分配，这样在数据来临时设备可以直接将数据写入缓冲区。

不过，这种 依赖 QEMU 进行数据面转发 的方式存在明显性能瓶颈：

• 在virtio驱动程序发送可用缓冲区通知后，vCPU会停止运行并将控制权交还给虚拟机监控程序，从而引发高昂的上下文切换开销。
• QEMU额外的任务/线程同步机制。每个数据包需要通过系统调用和数据拷贝经由tap接口实际发送或接收（无法批量处理）。
• 通过ioctl发送可用缓冲区通知（触发vCPU中断）。
• 还需要额外发起系统调用来恢复vCPU执行，伴随所有相关的内存映射切换等操作。

为了解决上述缺陷，vhost 协议应运而生。通过引入 vhost，将 virtio 的数据面处理从 QEMU 中剥离出来，由 Hypervisor 线程直接执行，从而有效减少上下文切换与数据拷贝，显著提升转发性能。

在 virtio 架构中，控制平面 由 QEMU 根据 virtio 规范实现，而 数据平面 则通常被卸载到 vhost。为什么要这样设计呢？如果数据平面也完全由 QEMU 实现，那么数据在传输过程中需要频繁地在用户态（QEMU 进程）与内核态之间切换，带来高昂的上下文切换开销，进而增加整个数据通路的延迟。

因此，引入 vhost 的核心目的就是实现 Guest 与 Hypervisor 内核之间绕过 QEMU 的直接数据交换。根据实现方式的不同，vhost 协议可以运行在内核态（如 vhost-net），也可以运行在用户态（如 vhost-user）。

在采用 vhost 的 virtio 虚拟化系统中，整体架构可以分为两个部分：

1. virtio 规范：规定了 Guest 与 Hypervisor 之间如何建立控制平面（Control Plane）和数据平面（Data Plane）；
2. vhost 协议：为提升性能，virtio 允许将数据平面卸载到 QEMU 之外的组件，例如 Hypervisor 的用户进程或内核，从而避免频繁的用户态与内核态切换。

在实际的虚拟化架构中，virtio 与 vhost 通常协同工作以获得最佳性能：virtio 的控制平面严格遵循规范，由 QEMU 实现设备管理与配置功能；而数据平面则通过 vhost 协议在 Guest 与 Hypervisor 内核之间建立直接通道，从而绕过 QEMU 的软件模拟层。这种 控制面与数据面分离 的设计，不仅保证了 virtio 的标准兼容性，还能通过内核态（vhost-net）或用户态（vhost-user）的数据路径，实现接近物理设备的 I/O 性能。

从实现角度来看，virtio 虚拟化框架可以抽象为 前端（Frontend） 与 后端（Backend）：前端运行在虚拟机内部，后端运行在宿主机上。例如，在 vhost-net/virtio-net 架构中，前端是 virtio-net 驱动，后端则由 vhost-net 模块提供支持。