高性能网络 SR-IOV机制--VF与PF的通信

PF 驱动是一个专门管理SR-IOV设备全局功能驱动，而且还要配置相关共享资源。PF 驱动 随着Hypervisor 的不同而不同，一般需要具有比普通虚拟机更高的权限才能对其进行操作。PF驱动包含了所有传统驱动的功能，使得Hypervisor能够访问设备I/O资源。也可以通过调用PF驱动执行相关操作从而影响整个设备。PF驱动必须在VF驱动之前加载，而且需要等VF驱动卸载之后才能卸载。

     

     Intel SR-IOV 驱动包含了所有 Intel 以太网卡的功能，并且还有下面使用SR-IOV时拥有的特殊功能：

     ·给每个VF生成一个MAC 地址

     ·通过信箱系统与VF驱动通信：

          ·通过VF驱动配置VLAN过滤器

          ·通过VF驱动配置多播地址

          ·通过VF驱动配置最大包长

          ·处理VF驱动资源复位请求

 

 

Virutal Function Driver

 

     标准设备驱动（驱动不会意识到自己所处的虚拟化环境）期望获知如何控制设备和设备是如何工作的。在虚拟化环境下，一个标准的驱动一般与一个软件间接层进行交互，这个软件间接层模拟了底层的物理硬件设备。大多数情况下，该驱动不会意识到这个间接层的存在。

 

     通过直接赋值，我们期望改变本地共享设备的功能。VF 接口并没有包含完整的PCIe控制功能，而且一般不能直接控制共享设备和资源，比如设置以太网连接速率。这时候有必要告知VF 驱动，使其意识到自己所处的虚拟环境。当VF驱动意识到自己所处的虚拟化环境之后，就能够直接与硬件进行数据交互。同时这些VF驱动也能够知道这些设备都是共享设备，依赖于PF驱动提供的服务来进行操作，这些操作都具有全局效果，比如初始化和下一级结构的控制。

 

PF Driver - VF Driver Communication

 

     设备共享需要一个功能就是VF驱动与PF驱动通信，这样VF驱动就能够请求具有全局功能的操作。这个信道需要具有传递信息和产生中断的能力。

 

     SR-IOV标准并没有定义这条通信线路的实现机制。Intel 选择了通过使用一系列硬件信箱和门铃寄存器来为每个VF实现这个通信信道。

     

     Intel选择使用一件信箱的根本原因是为了确保实现一个独立于Hypervisor且持久可靠的通信机制。然而， 基于软件的信道也能够用来实现该通信功能，这个功能需要由Hypervisor子系统提供。这些信道的实现各个生产商并不相同，需要客户自己启动这些支持。硬件信道则不同，总是能够工作，除非被Hypervisor禁用。现在看来，并不是所用Hypervisor生产商都提供基于软件的消息机制，因此Intel 相关度去哦那个提供了利用硬件信道的API。

 

 

Example Receive Flow

 

     一个包是如何被一个虚拟机接收和发送的：

 

第一、二步：包到达，被送往L2 进行分类和交换

第三步：       根据目的MAC地址进行分类，这时候，改包与 缓冲池1匹配

第四步：       网卡发起DMA操作，将一个包传递给一个VM

第五步：       DMA操作到达Intel 芯片集，在这里VT-d（由Hypervisor 配置）进行DMA操作所需的地址翻译；结果使得该包     

                    被直接送入到虚拟机的VF驱动缓冲里面

第六步：       网卡发起了MSI-X中断，表明该接收操作已经完成。该中断由Hypervisor接收。

第七步：       Hypervisor向虚拟机注入一个虚拟中断表明传输已经结束，这时候虚拟机的VF驱动就开始处理该包。

 

 

Mailbox Communication System

 

     有时候VF驱动必须与PF驱动通信，以便完成一些工作，这些工作在VF提供的PCI资源基础上是无法完成的。

     

     例如：当VF驱动想要定义一个VLAN过滤器。这个功能在VF中并没有暴露，因此VF驱动也不能直接配置VLAN过滤器。

 

     VF驱动能够代替VF 向PF驱动发起这种类型的配置请求。

 

 

 

Virtual Function Mailbox

 

     当一个虚拟机获得访问VF的权限后，VF 资源中的信箱功能就会暴露给该虚拟机。这个功能相当简单，这是一系列的缓冲区，可以从这些缓冲区中读取或者写入信息，并增加一个寄存器（VFMailbox）用于提供PF和VF之间的同步功能。

 

      

     VF和PF都可以访问该缓冲区，可以通过这个缓冲区来传递信息。因为信箱缓冲和VFMailbox寄存器是VF资源的一部分，因此这些资源对于特定的VF来说是独占的。这意味着针对特定VF的VF驱动不能对分配给其他虚拟机的信箱进行写入。

 

     更多的关于信箱缓冲的信息可以参见：Intel ®82559 10Gigabit Ethernet Controller Datasheet。

 

 

Physical Function Mailbox

     

     PF 驱动能够访问所有的VF信箱，通过VF信箱的信箱内（VFMBMEM：VF Mailbox Mailbox Memory）存和PF信箱(Physical Function Mailbox)寄存器阵列.

     

     当一个VF驱动向VFMBMEM缓冲写入信息并在VFMailbox寄存器中设置适当的比特位之后，就向给PF产生一个中断。PF驱动获取这些信息，并给予这条消息进行回复。

 

     这时候，PF驱动会使用信箱发送一个异步消息给VF，这就是IXGBE_PF_CONTORL_MSG 消息。

 

 

Virtual Function Driver

     

     Intel VF驱动实例代码是标准 Intel ixgbe 10 Gigabit Ethernet 驱动的一个修改后的版本。通过设备ID来加载。Intel VF有一个设备ID表明它们是一个VF， 这样祥光的驱动就可以被加载。

 

     Intel VF 驱动可以被分割为三个部分：

     ·操作系统界面——虚拟机操作系统可以通过该界面调用各种API

     ·I/O操作——使用SR-IOV 功能来进行I/O操作，而避免Hypervisor的干预

     ·配置任务——配置像VLAN过滤器等需要与PF驱动进行通信的任务

 

注：PF & VF 有时候只实际的PCIe 物理功能模块，有时候就是泛指，注意区别