Linux雲計算底層技術之 I/O 虛擬化
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I/O 虛擬化在虛擬化技術中算是比較複雜，也是最重要的一部分。從整體上看，I/O 虛擬化也包括基於軟體的虛擬化和硬體輔助的虛擬化，軟體虛擬化部分又可以分為全虛擬化和半虛擬化，如果根據設備類型再細分的話，又可以分為字元設備 I/O 虛擬化（鍵盤、滑鼠、顯示器）、塊設備 I/O 虛擬化（磁碟、光碟）和網路設備 I/O 虛擬化（網卡）等。
我們先看下在沒有虛擬機存在的情況下，I/O 設備請求是怎樣的。某個應用或進程發出 I/O 請求，通過系統調用等方式進入內核，調用相應的驅動程序，請求到具體的 I/O 設備，然後再將結果返回到調用者進行回顯。
那麼存在虛擬機的情況下，又是怎樣的呢。按理說，虛擬機是宿主機上的一個進程，應該可以以類似的 I/O 請求方式訪問到宿主機上的 I/O 設備，但別忘了，虛擬機處在非 Root 的虛擬化模式下，請求無法直接下發到宿主機，必須藉助於 VMM 來截獲並模擬虛擬機的 I/O 請求，至於怎麼截獲並模擬，每一種 VMM 的實現方案都不一樣，像 qemu-kvm ，截獲操作是由內核態的 kvm 來完成，模擬操作是由用戶態的 qemu 來完成的，這也是 kvm 不同於其他 VMM 實現方案的地方。kvm 這樣做也是為了提升性能和保持內核的純凈性，關於這塊的知識不清楚的可以查閱前文。
從層次上看，虛擬機發出 I/O 請求到完成相應的 I/O 操作，中間要經過虛擬機的設備驅動，到 VMM 的設備模型，再到宿主機的設備驅動，最終纔到真正的 I/O 設備。
那什麼是設備模型，設備模型就是 VMM 中進行設備模擬，並處理所有設備請求和響應的邏輯模塊，對於 qemu-kvm，qemu 其實就可以看做是一個設備模型。
上圖顯示的就是設備模型的邏輯層次關係，對於不同構造的虛擬機，其邏輯層次是類似的：VMM 截獲虛擬機的 I/O 操作，將這些操作傳遞給設備模型進行處理，設備模型運行在一個特定的環境下，這可以是宿主機，可以是 VMM 本身，也可以是另一個虛擬機。
下圖顯示的就是在宿主機中設備模型的實現，也就是 qemu-kvm 的實現方案，在這個例子中，VMM 主要部分實現為內核模塊，設備模型實現為一個用戶態進程，當虛擬機發生 I/O 之後，VMM 作為內核模塊將其截獲後，會通過內核態-用戶態介面傳遞給用戶態的設備模型處理，設備模型運行與宿主機操作系統之上，可以使用相應的系統調用和所有運行時庫，宿主機操作系統就是設備模型的運行環境。
所以，設備模型在這裡起著一個橋樑的作用，由虛擬機設備驅動發出的 I/O 請求先通過設備模型轉化為物理 I/O 設備的請求，再通過調用物理設備驅動來完成相應的 I/O 操作。反過來，設備驅動將 I/O 操作結果通過設備模型，返回給虛擬機的虛擬設備驅動程序。
上面說的這種方式是純軟體模擬的，或者說得再專業一點就是全虛擬化，全虛擬化就是 VMM 完全虛擬出一套宿主機的設備模型，宿主機有什麼就虛擬出什麼，這樣，虛擬機發出的任何 I/O 請求都是無感知的，也是說虛擬機認為自己在「直接」使用物理的 I/O 設備，其實不是，全是虛擬出來的。
有了全虛擬化，自然就有半虛擬化，半虛擬化的提出就是解決全虛擬化的性能問題的。通過上面的分析，不難看出，這種截獲再模擬的方式導致一次 I/O 請求要經過多次的內核態和用戶態的切換，性能肯定不理想。半虛擬化就是盡量避免這種情況發生。
半虛擬化中，虛擬機能夠感知到自己是處於虛擬化狀態，虛擬機和宿主機之間通過某種機制來達成這種感知，也就是兩者之間需要建立一套通信介面，虛擬機的 I/O 請求走這套介面，而不是走截獲模擬那種方式，這樣就可以提升性能。這套介面一個比較好的實現就是 virtio，Linux 2.6.30 版本之後就被集成到了 Linux 內核模塊中。
半虛擬化雖然提升了性能，但是還是基於軟體模擬的方式，性能上還是無法與直接訪問物理 I/O 設備相抗衡，那能不能做到呢，答案是一定的，那就是從硬體上去入手了。
以 Intel VT-d 為首的技術就是硬體輔助的 I/O 虛擬化技術，但是業界一般不是直接使用硬體，而是配合相應的軟體技術來完成，比較常用的兩門技術是 PCI Pass-Through 和 SR-IOV。
本文僅是簡單總結下 I/O 虛擬化的方式，分類，以及存在的技術問題。後面會針對具體的類別或問題進行展開。
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