【重识云原生】第四章云网络4.7.3节——Vhostnet方案

 《重识云原生系列》专题索引： 

1. 第一章——不谋全局不足以谋一域


2. 第二章计算第1节——计算虚拟化技术总述


3. 第三章云存储第1节——分布式云存储总述


4. 第四章云网络第一节——云网络技术发展简述


5. 第四章云网络4.2节——相关基础知识准备


6. 第四章云网络4.3节——重要网络协议


7. 第四章云网络4.3.1节——路由技术简述


8. 第四章云网络4.3.2节——VLAN技术


9. 第四章云网络4.3.3节——RIP协议


10. 第四章云网络4.3.4节——OSPF协议


11. 第四章云网络4.3.5节——EIGRP协议


12. 第四章云网络4.3.6节——IS-IS协议


13. 第四章云网络4.3.7节——BGP协议


14. 第四章云网络4.3.7.2节——BGP协议概述


15. 第四章云网络4.3.7.3节——BGP协议实现原理


16. 第四章云网络4.3.7.4节——高级特性


17. 第四章云网络4.3.7.5节——实操


18. 第四章云网络4.3.7.6节——MP-BGP协议


19. 第四章云网络4.3.8节——策略路由


20. 第四章云网络4.3.9节——Graceful Restart(平滑重启)技术


21. 第四章云网络4.3.10节——VXLAN技术


22. 第四章云网络4.3.10.2节——VXLAN Overlay网络方案设计


23. 第四章云网络4.3.10.3节——VXLAN隧道机制


24. 第四章云网络4.3.10.4节——VXLAN报文转发过程


25. 第四章云网络4.3.10.5节——VXlan组网架构


26. 第四章云网络4.3.10.6节——VXLAN应用部署方案


27. 第四章云网络4.4节——Spine-Leaf网络架构


28. 第四章云网络4.5节——大二层网络


29. 第四章云网络4.6节——Underlay 和 Overlay概念


30. 第四章云网络4.7.1节——网络虚拟化与卸载加速技术的演进简述


31. 第四章云网络4.7.2节——virtio网络半虚拟化简介


32. 第四章云网络4.7.3节——Vhost-net方案


33. 第四章云网络4.7.4节vhost-user方案——virtio的DPDK卸载方案


34. 第四章云网络4.7.5节vDPA方案——virtio的半硬件虚拟化实现


35. 第四章云网络4.7.6节——virtio-blk存储虚拟化方案


36. 第四章云网络4.7.8节——SR-IOV方案


37. 第四章云网络4.7.9节——NFV


38. 第四章云网络4.8.1节——SDN总述


39. 第四章云网络4.8.2.1节——OpenFlow概述


40. 第四章云网络4.8.2.2节——OpenFlow协议详解


41. 第四章云网络4.8.2.3节——OpenFlow运行机制


42. 第四章云网络4.8.3.1节——Open vSwitch简介


43. 第四章云网络4.8.3.2节——Open vSwitch工作原理详解


44. 第四章云网络4.8.4节——OpenStack与SDN的集成


45. 第四章云网络4.8.5节——OpenDayLight


46. 第四章云网络4.8.6节——Dragonflow

        virtio是一种I/O半虚拟化解决方案，是一套通用I/O设备虚拟化的程序，是对半虚拟化Hypervisior中的一组通用I/O设备的抽象。virtio分为前端和后端，一个backend组件和一个frontend组件。backend组件是virtio接口的host端，frontend组件是virtio的guest端。

        Linux中的vhost驱动程序提供了内核态virtio设备仿真解决思路。 通常，QEMU在用户态进程模拟guest的I / O访问，而Vhost将virtio仿真代码放到了内核态中， 这就允许设备仿真代码直接调用内核子系统，而不是从用户态执行系统调用。

        故在vhost-net/virtio-net体系中，vhost-net是在host kernel space中运行的backend，virtio-net是在guest kernel space中运行的frontend。

        在Linux 3.0中，vhost代码存放在drivers / vhost /中。 所有设备使用的通用代码在drivers / vhost / vhost.c中。 这包括virtio vring访问功能，所有virtio设备需要为了与客户进行通信。 vhost-net代码存放在drivers / vhost / net.c中。

        Virtio网络设备是一种虚拟的以太网卡，支持多队列的网络包收发。在virtio的架构中，有前后端驱动之分，所谓的前端驱动即是虚拟机中的virtio-net网卡驱动，而后端驱动的实现则多种多样，后端驱动的演化往往也标志着virtio网络的演化。

        上图中的后端即是QEMU的实现版本，也是最原始的virtio-net后端（设备）。virtio标准将其对于队列的抽象称为Virtqueue。Vring即是对Virtqueue的具体实现。

        一个Virtqueue由一个Available Ring和Used Ring组成，前者用于前端向后端发送数据，而后者反之。而在virtio网络中的TX/RX Queue均由一个Virtqueue实现。所有的I/O通信架构都有数据平面与控制平面之分。而对于virtio来说，通过PCI传输协议实现的virtio控制平面正是为了确保Vring能够用于前后端正常通信，并且配置好自定义的设备特性。而数据平面正是使用这些通过共享内存实现的Vring来实现虚拟机与主机之间的通信。

        举例来说，当virtio-net驱动发送网络数据包时，会将数据放置于Available Ring中之后，会触发一次通知（Notification）。这时QEMU会接管控制，将此网络包传递到TAP设备。接着QEMU将数据放于Used Ring中，并发出一次通知，这次通知会触发虚拟中断的注入。虚拟机收到这个中断后，就会到Used Ring中取得后端已经放置的数据。至此一次发送操作就完成了。接收网络数据包的行为也是类似，只不过这次virtio-net驱动是将空的buffer放置于队列之中，以便后端将收到的数据填充完成而已。

        vhost-net是处于内核态的后端驱动。QEMU实现的用户态virtio网络后端驱动所表现的网络性能并不如意，究其原因是因为频繁的用户态与内核态上下文切换，低效的数据拷贝、线程间数据同步等。于是演化出一种在内核态实现的virtio网络后端驱动方案，名为vhost-net。

        与之而来的是一套新的vhost协议。vhost协议可以将允许VMM将virtio的数据面offload到另一个组件上，而这个组件正是vhost-net。

3.1 Vhost 驱动模型

        vhost-net驱动程序在主机上创建一个/ dev / vhost-net字符设备。 此字符设备作为配置vhost-net实例的接口。

        当使用-netdev tap启动QEMU时，vhost = on将打开/ dev / vhost-net并使用几个ioctl调用初始化vhost-net实例。 这些必须将QEMU进程与vhost-net实例关联，准备virtio功能协商，并将guest虚拟机物理内存映射传递到vhost-net驱动程序。

        在初始化期间，vhost驱动程序创建一个名为vhost- $ pid的内核线程，其中$ pid是QEMU进程pid。 这个线程被称为“vhost工作线程”。 工作线程的任务是处理I / O事件并执行设备仿真。 

3.2 内核Virtio仿真

        Vhost不会模拟一个完整的virtio PCI适配器。 相反，它只将自己限制为virtqueue操作。 QEMU仍然用于执行virtio特性协商和实时迁移。 这意味着vhost驱动程序不是完整的virtio设备实现，它依赖于用户空间来处理控制平面，而数据平面在内核中完成。

        vhost工作线程等待virtqueue kick，然后处理放在virtqueue上的缓冲区。 在vhost-net这意味着从tx virtque的数据包并且通过tap文件描述符发送它们。

        文件描述符轮询也由vhost工作线程完成。 在vhost-net中，当数据包进入tap文件描述符时，工作线程被唤醒，并将其放置到rx virtqueue中，以便客户端可以接收它们。

3.3 Vhost作为用户空间接口工作逻辑

        vhost架构的一个令人惊讶的方面是它不以任何方式绑定到KVM。 Vhost是一个用户空间接口，不依赖于KVM内核模块。这意味着其他用户空间代码（如libpcap）在理论上可以使用vhost设备，如果他们发现它们方便的高性能I / O接口。

        当客户端kick主机，因为它已经将缓冲区放在一个virtqueue，需要一种方式来通知vhost工作线程有工作要做。由于vhost不依赖于KVM内核模块，它们不能直接通信。相反，vhost实例使用vhost工作线程监视活动的eventfd文件描述符进行设置。 KVM内核模块具有称为ioeventfd的功能，用于获取eventfd并将其挂接到特定的guest虚拟机I / O出口。 QEMU用户空间注册一个ioeventfd用于VIRTIO_PCI_QUEUE_NOTIFY硬件寄存器访问，它能kick virtqueue。这是当guest虚拟机kick virtqueue，vhost工作线程被KVM内核模块通知的方式。

        在从vhost工作线程返回到中断客户端时，使用了类似的方法。 Vhost需要一个“call”文件描述符，写这个文件描述符是为了去kick guest。 KVM内核模块有一个称为irqfd的功能，它允许eventfd触发客户机中断。 QEMU用户空间注册一个irqfd为virtio PCI设备中断并将其交给vhost实例。这是vhost工作线程如何中断客户端。

        因此，vhost实例只知道guest虚拟机内存映射，kick eventfd和call eventfd。

3.4 vhost-net基本运作原理

        在这套实现中，QEMU和vhost-net内核驱动使用ioctl来交换vhost消息，并且用eventfd来实现前后端的通知。当vhost-net内核驱动加载后，它会暴露一个字符设备在/dev/vhost-net。而QEMU会打开并初始化这个字符设备，并调用ioctl来与vhost-net进行控制面通信，其内容包含virtio的特性协商、将虚拟机内存映射传递给vhost-net等。对比最原始的virtio网络实现，控制平面在原有的基础上转变为vhost协议定义的ioctl操作（对于前端而言仍是通过PCI传输层协议暴露的接口），基于共享内存实现的Vring转变为virtio-net与vhost-net共享，数据平面的另一方转变为vhost-net，并且前后端通知方式也转为基于eventfd的实现。

        如下图所示，可以注意到，vhost-net仍然通过读写TAP设备来与外界进行数据包交换。而读到这里的读者不禁要问，那虚拟机是如何与本机上的其他虚拟机与外界的主机通信的呢？答案就是通过类似Open vSwitch (OVS)之类的软件交换机实现的。OVS相关的介绍这里就不再赘述。

 Vhost-net为后端的virtio网络架构图

3.5 KVM中virtio-net与vhost-net通信

• vhost模块需要提前加载，注册一个misc的设备，供虚拟机启动时候使用。


• 虚拟机创建的时候，会初始化一个tap设备，然后启动一个vhost _$（qemu-kvm_pid）的线程，配置vring等承载数据的高度。


• guest和host进行网络数据IO的时候，只负责数据IO的中断，中断消息等由kvm模块负责。


• guest发包的时候，virtio模块负责发送数据包加入链接，然后通知kvm模块，kvm模块通过ioeventfd通知vhost模块，此时可以将有包的堆栈挂在work_list上，然后激活线程vhost进行收包操作，收到包之后传递给tap设备，再往内核协议栈中上


• guest收包的时候，首先是vhost的往tap设备发包，然后将包加入到其中一个，然后将挂在work_list，激活线程vhost，vhost进行收包的操作，然后传递到其中，然后vhost通过irqfd通知kvm模块，kvm模块给guest发送中断，guest会通过中断，到NAPI，执行轮询，接收数据包，然后上传到协议栈。

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