KVM虚拟化详解
KVM虚拟化讲解1、KVM虚拟化架构1.1主流虚拟化架构对比，虚拟化架构包括ESXi、Xen和KVM。ESXi是所有虚拟化功能的核心工具。
Xen只实现了CPU和内存虚拟化，IO虚拟化和调度管理由Domain0提供。
KVM是核心CPU和内存虚拟化工具，QEMU是IO虚拟化工具，通过Linux进程调度来管理虚拟机。
1.2KVM核心架构模块KVM架构包括KVM核心模块和QEMU设备模拟。
KVM核心模块负责CPU和内存虚拟化，QEMU工具负责IO虚拟化。
2.CPU虚拟化2.1pCPU和vCPU一台物理服务器配置2个物理pCPU，每个pCPU有多个核心。
开启超线程技术后，每个核心拥有2个线程。
在虚拟环境中，1个Thread对应1个vCPU。
KVM将每个VM作为用户空间中的QEMU进程进行处理，并且为来宾vCPU分配了一个用于该进程的线程。
2.2虚拟化类型比较ESXi是全虚拟化，VMM运行在Ring0上，完全模拟底层硬件。
Xen支持全虚拟化和半虚拟化。
KVM基于支持全虚拟化的硬件。
2.3KVMCPU虚拟化vCPU在KVM中运行有三种模式：来宾模式运行GuestOS、用户模式运行QEMU、内核模式运行KVM核心。
当KVM内核加载时，VMXON被配置为进入VMX操作模式。
VMM执行VMExit更改根模式以处理特权指令，然后执行VMLANCH或VMRESUME指令更改为非根模式。
3、内存虚拟化3.1EPT和VPIDIntel的EPT和AMD的NPT都是基于硬件的内存虚拟化技术，称为通过硬件进行内存地址传输。
guest读写CR3寄存器或GuestPageFault，并执行INVLPG指令而无需引发VMExit，从而降低了内存转换的复杂性。
3.2大页THP透明大页THP技术自动创建、管理和使用大内存页，提高内存使用效率和性能，同时避免旧页的缺点。
3.3内存过量分配内存过量分配会导致分配给Host的内存总量大于其本身的物理内存总量。
内存RES、Balloon和页面共享技术实现了八十多个内存。
4.IO设备虚拟化4.1IO设备虚拟化概述KVM支持设备模拟、电源驱动、设备传输和共享。
4.2器件仿真和电源驱动器器件仿真由QEMU实现。
虚拟驱动程序在Guest中部署前端驱动程序，在QEMU中部署后端驱动程序，通过虚拟环形缓冲队列交换IO请求和执行信息。
4.3通过PCIPass的设备透传和共享设备透传直接将物理Host设备分配给Host。
共享设备SR-IOV标准允许物理设备设备支持多个虚拟功能接口，并将它们独立地分配给不同的主机。
4.4其他IO功能图像和声音是使用QEMU的SDL实现的。
热线支持KVM中的PCI设备，CPU和内存热线受平台和操作系统限制。
virtio——一种LinuxI/O半虚拟化框架[译]
本文介绍的是virtio：Linux系统的I/O半虚拟化框架。半虚拟化和全虚拟化：在半虚拟化解决方案中；全虚拟化解决方案允许对操作系统进行修改，以允许客户操作系统在虚拟化环境中运行，并能够与虚拟化管理程序交互以提高效率。
通过虚拟化管理程序直接在底层硬件上模拟和运行。
Linux中的几种虚拟化技术：KVM；来宾比如用户模式Linux等。
同时提供不同的功能和优势；它增加了Linux内核的负担，特别是在设备虚拟化方面。
Virtio的贡献：作为开发lguest虚拟化解决方案的结果，该解决方案支持为各种设备提供标准化的通用前端接口，提高跨平台代码的复用性。
全虚拟化和半虚拟化工具模拟：全虚拟化下；虚拟机管理程序允许低效的半虚拟化与虚拟机管理程序一起工作，以优化来宾操作系统的性能。
virtio架构：半虚拟化环境中的设备抽象层，包括前端和后端驱动程序；支持来宾到管理程序通信的虚拟队列接口。
概念层次结构：客户端对象层次结构驱动程序的层次结构定义，配置；通过队列、回调函数等组件实施的。
virtiobuffer：来宾和虚拟机管理程序之间的通信提供者，表示为分散的请求列表。
核心API：通过函数；请求发起；实现响应获取和回调等关键功能。
virtio驱动程序示例：在Linux内核中，例如网络和块驱动程序，以及在高性能计算(HPC)应用程序中通过virtioPCI驱动程序。
未来重点：理解和使用virtio架构
网络虚拟化virtio框架分析
在网络虚拟化技术中，Virtio框架旨在提高I/O性能，让虚拟机感知到自己处于虚拟环境中，Virtio总线驱动和设备驱动的相应负载，以及数据传输的自定义协议，有效地减少。VMExit和VMEntry。
Virtio解决方案以前端和后端架构为中心，包括前端驱动程序（虚拟机内）、后端引擎（QEMU引擎）和传输协议（vring）。
前端驱动接收用户态请求，通过vring封装数据，写入I/O操作，通知后端设备。
后端设备接收前端控制器发送的I/O请求，解析数据，激活物理设备，然后通过vring前端通知设备。
电源架构设计精巧，主要组件包括前端驱动、后端设备和vring传输协议。
前端驱动程序负责在虚拟机内部运行虚拟机驱动程序，接受用户态请求、封装数据、执行I/O操作以及与后端机通信。
在QEMU中创建一个后端设备，接收前端控制器发送的I/O请求，解析数据，激活物理设备，并通过vring通知前端设备。
vring作为共享内存，用于虚拟机和QEMU之间传输数据，实现数据通信。
运行机制基于QEMU和内核驱动。
在KVM虚拟机中，QEMU创建一个虚拟机作为用户空间程序。
每个虚拟机对应一个QEMU进程，通过QEMU模拟虚拟机虚拟化。
VRING由虚拟机驱动创建，用于传输数据。
QEMU进程通过共享的VRING接收来自前端设备的IO请求。
PCI配置空间在虚拟架构中起着关键作用。
它是虚拟机和QEMU之间交换信息的重要结构。
虚拟机检测并找到virtioPCI创建的PCI配置空间。
虚拟机通过调用kick函数来触发PCI配置文件的读写操作。
Virtio设备的配置空间已经注册了回调函数。
当虚拟机产生IO_EXIT时，QEMU调用这些函数来执行操作。
Virtio架构中的数据共享机制是通过vring实现的，它由三个表组成：vring_desc、vring_vail和vring_used。
vring_desc表存储虚拟机产生的IO请求的内存地址，vring_avail表指示哪些对象可用，vring_sed记录其处理的IO请求。
前端虚拟机通过virtqueue_add_buf操作将IO请求放入vring_desc表中，同时添加vring_avail表。
QEMU后端进程通过virt操作从vring_avail表获取数据，从vring_desc表获取数据。
这样，虚拟机和QEMU之间就可以进行高效的数据共享和通信。
该电源架构通过前后端架构、传输协议、PCI配置空间的优化设计，有效降低虚拟机I/O操作的性能损失，提升虚拟环境中的I/O性能。
高效节能的数据传输机制和灵活的架构设计使其成为现代虚拟技术的关键组成部分，对于精益环境中更好的应用性能具有重要意义。
DPDK半虚拟化Virtio
Virtio半虚拟化是一种设备抽象接口规范，最初由RustyRussell开发，用于支持lguest的虚拟化解决方案。广泛应用于Qemu和KVM，支持Windows、Linux等多种操作系统。
来宾操作系统通常需要安装某些Virtio驱动程序才能在虚拟环境中运行。
Virtio通过标准化接口简化数据中心运维，使其与主流操作系统和应用程序更加兼容。
Virtio在数据中心中发挥着重要作用，尤其是在实施虚拟化技术时。
虽然透明I/O技术在某些方面可能比Virtio更好，但在吞吐量、延迟和抖动方面仍有改进的空间。
透明I/O传输技术允许数据包直接到达或从客户端队列发送到其他客户端或物理网络，但不适用于必须由主机处理的场景（例如防火墙和负载均衡）。
透明I/O技术也不具备支持虚拟机实时迁移和灵活的流分类规则的能力。
数据中心部署Virtio设备的示例如图所示：主机通过虚拟交换机连接物理网卡和虚拟机。
虚拟交换机的服务器部分是DPDKVhost，负责实现内部Virtio网络驱动程序。
外部虚拟机中的DPDKVirtio驱动程序负责连接外部和内部接口并通过虚拟队列交换数据。
这样，虚拟机的网络数据通过虚拟交换机和物理网络进行传输，保证了数据的高效传输。
Virtio规范分为两个版本：0.95和1.0，分别支持PCI、MMIO和ChannelIO。
PCI是现代计算机系统中广泛使用的总线接口，MMIO适用于嵌入式系统。
DPDK仅支持VirtioPCI接口模式。
之间现代和传统模式在PCI设备参数和使用方法上存在较大差异，但在LinuxKernel4.0中，Virtio驱动可以自动加载合适的驱动逻辑来适应设备模式。
当Virtio使用PCI接口时，主机会模仿PCI设备并将其添加到虚拟机配置中。
外部驱动程序通过虚拟队列连接到内部驱动程序，驱动程序可以使用一个或多个队列。
Virtio网络驱动程序通常使用两个虚拟队列：一个用于接收，一个用于发送。
Virtio在PCI层之上定义了Virtqueue接口，用于连接外部和内部驱动程序。
设备初始化涉及五个步骤，包括设备发现、初始化、读写配置空间、配置中断、配置具体设备。
现代和传统设备在配置空间、中断配置和设备特定配置方面有所不同。
现代设备使用标准PCI配置空间中的功能列表来确定配置信息的存储位置。
虚拟队列是接口驱动程序和后端驱动程序之间的实际数据路径，由描述符列表、可用环表和已用环表组成。
描述符列表指示要传输的数据，可用环表和已用环表用于指示驱动程序处理的进度。
虚拟队列提供并行处理并提高数据传输效率。
使用设备涉及到驱动程序向设备提供数据缓冲区以及设备使用和返回数据缓冲区的过程。
Virtio网络设备具有复杂的虚拟队列实现，包括PCI-e设备底层、Virtio虚拟队列中间层和网络设备顶层。
DPDK用户空间驱动程序针对VirtioNIC进行了优化，以提高性能。
用于优化在单帧中发送和接收mbuf网络数据包DPDK提供了一种捕获可用环表和描述符表之间映射的设计，避免了不同CPU核心之间的缓存迁移并提高了效率。
间接功能允许驱动程序维护间接描述符表，以便仅需要一个描述符来发送数据包，从而进一步提高性能。
virtio——一种LinuxI/O半虚拟化框架[译]
virtio：Linux的I/O半虚拟化革命
在云计算和虚拟化领域，一个关键的技术支柱是RustyRussell为lguest项目精心设计的半虚拟化框架。
本文将带您深入了解virtio的本质，探讨它在Linux世界中的重要作用和优势。
1.virtio
源于Virtio最初的使命和对性能的追求，旨在为虚拟化Hypervisor提供高效、标准化的工具。
它最初是为了通过半虚拟化来解决全虚拟化的效率瓶颈。
主机和虚拟机之间的交互更加紧密，从而带来更快的I/O性能。
全虚拟化通过模拟底层硬件来隔离客户端，virtio所倡导的半虚拟化需要一定程度的可扩展性。
修改客户端以获得更高的性能。
virtio为Linux提供了通用的设备模拟接口，使跨平台代码的重用变得更加容易。
3.Linux上的Virtio架构virtio的核心在于其前端和后端驱动的设计，virtio_net和virtio_blk等驱动简化了工具。
前端驱动程序负责Hypervisor上的实际操作，而后端驱动程序则用于与Hypervisor进行交互，例如网络和块设备。
负责任的。
Virtqueue是关键组件，通过环机制进行自定义通信，使数据传输更加高效。
在示例中，前端驱动程序（例如virtio_driver）和后端驱动程序（virtqueue和virtqueue_ops）紧密合作并提供驱动程序注册，设备识别、配置选项等功能；也有详细的描述。
virtqueue的回调执行机制使得数据传递过程对用户透明，忽略内部细节。
Virtio不仅作为virtioPCI驱动在HPC领域发挥着重要作用，而且还广泛应用于KVM、lguest等半虚拟化基础设施中。
RustyRussell的工作在优化网络I/O方面取得了出色的成果，显着提高了虚拟化环境中的I/O性能。
深入研究virtio架构对于理解半虚拟化I/O的性能增强至关重要。
它不仅增强了Linux作为虚拟机管理程序的竞争力，而且在虚拟化技术的发展中发挥着核心作用。
深入研究virtio一定会给你一个新的视角来审视云计算和虚拟化技术的未来。
