virtio、vhost和 vhost-user

1. virtio:针对Linux的I/O的虚拟化框架

在虚机中，可以通过qemu模拟e1000网卡，这样的经典网卡一般各种客户操作系统都会提供inbox驱动，所以从兼容性上来看，使用类似e1000的模拟网卡是非常一个不错的选择。
但是，e1000网卡上也包含了复杂的io端口，寄存器，缓存配置，虚拟机每次收发包都会引起更多的io和mmio操作，使得虚拟机频繁的陷出，最终导致网络性能不佳。
为了解决上述全虚拟化的性能问题，IBM在2005年提出了virtio, 虚拟机中的半虚拟化前端驱动和主机上的后端服务简单的使用virtqueue共享队列交换数据，大幅的减少了e1000模拟时复杂的io操作，从而可以较大程度的提升虚拟网络性能。

virtio是qemu的半虚拟化驱动，guest使用virtio driver将请求发送给virtio-backend。

 

 

 virtio是qemu的半虚拟化驱动，guest使用virtio driver将请求发送给virtio-backend。

 

 

 

virtio的io路径：
    guest设置好tx
    kick host
    guest陷出到kvm
    kvm从内核切换到用户态的qemu进程
    qemu将tx数据投递到tap设备

2. vhost

vhost技术对virtio-net进行了优化，在内核中加入了vhost-net.ko模块，使得对网络数据可以在内核态得到处理。

 

 

 

图中描述了vhost的io路径: guest发出中断信号退出kvm，kvm直接和vhost-net.ko通信，然后由vhost-net.ko访问tap设备。 这样网络数据只需要经过从用户态到内核态的一次切换，就可以完成数据的传输。大大提高了虚拟网卡的性能。 由于这个技术中vhost-backend在内核中，所以也被叫做vhost-kernel。

vhost的io路径：
    guest设置好tx
    kick host
    guest陷出到kvm
    vhost-net将tx数据投递到tap设备

3.Vhost-user

随着技术的发展，将网络数据放入用户态处理将可以得到更灵活的形式。在原有的vhost架构中，进行了改动，增加了 一种新的vhost-backend，叫做vhost-user。

 

 

 

vhost-user的io路径：
    guest设置好tx
    kick host
    guest陷出到kvm
    kvm将通知vhost-backend
    vhost-backend将tx数据直接发送到nic设备

 

vhost-user的提交者是Luke Gorrie，他也是snabbswitch的作者。从图上可以看到vhost-backend从原来咋kernel中的vhost-net 变成了用户空间的snabbswitch。 snabbswitch直接接管物理网卡的驱动，从而直接控制网络信息的输入输出。

snabbswitch主要使用了下面的技术来提高性能

1.     采用了大页来作为host和vm之间通信的内存空间

2.     用户态操作网卡，使用类似于netmap的zero copy技术来加速对物理设备的访问

3.     使用numa技术，加快中断响应速率

值得一提的是使用snabbswitch后，不用再使用原来的tap设备模拟的网卡。

使用vhost-user技术，从虚拟机到host上实现了数据的zero copy（通过大页共享），host到nic的zero copy（snabbswitch实现的驱动），能进一步加快数据的传输。

来源：
    https://blog.csdn.net/hbuxiaofei/article/details/106744467