[转]vfio概述(vfio/iommu/device passthrough)
转自 http://element-ui.cn/news/show-44900.aspx
文章目录
- 1.IOMMU
- 1.1 IOMMU功能简介
- 1.2 IOMMU作用
- 1.3 IOMMU工作原理
- 1.4 Source Identifier
- 2.VFIO
- 2.1 概念介绍
- 2.2 使用示例
- 3.设备透传分析
- 3.1 虚机地址映射
- 3.2 设备透传实现
1.IOMMU
1.1 IOMMU功能简介
IOMMU主要功能包括DMA Remapping和Interrupt Remapping，这里主要讲解DMA Remapping，Interrupt Remapping会独立讲解。对于DMA Remapping，IOMMU与MMU类似。IOMMU可以将一个设备访问地址转换为存储器地址，下图针对有无IOMMU情况说明IOMMU作用。
在没有IOMMU的情况下，网卡接收数据时地址转换流程，RC会将网卡请求写入地址addr1直接发送到DDR控制器，然后访问DRAM上的addr1地址，这里的RC对网卡请求地址不做任何转换，网卡访问的地址必须是物理地址。
对于有IOMMU的情况，网卡请求写入地址addr1会被IOMMU转换为addr2，然后发送到DDR控制器，最终访问的是DRAM上addr2地址，网卡访问的地址addr1会被IOMMU转换成真正的物理地址addr2，这里可以将addr1理解为虚机地址。
左图是没有IOMMU的情况，对于虚机无法实现设备的透传，原因主要有两个：
- 一是因为在没有IOMMU的情况下，设备必须访问真实的物理地址HPA，而虚机可见的是GPA；
- 二是如果让虚机填入真正的HPA，那样的话相当于虚机可以直接访问物理地址，会有安全隐患。
所以针对没有IOMMU的情况，不能用透传的方式，对于设备的直接访问都会有VMM接管，这样就不会对虚机暴露HPA。
右图是有IOMMU的情况，虚机可以将GPA直接写入到设备，当设备进行DMA传输时，设备请求地址GPA由IOMMU转换为HPA（硬件自动完成），进而DMA操作真实的物理空间。IOMMU的映射关系是由VMM维护的，HPA对虚机不可见，保障了安全问题，利用IOMMU可实现设备的透传。这里先留一个问题，既然IOMMU可以将设备访问地址映射成真实的物理地址，那么对于右图中的Device A和Device B，IOMMU必须保证两个设备映射后的物理空间不能存在交集，否则两个虚机可以相互干扰，这和IOMMU的映射原理有关，后面会详细介绍。
1.2 IOMMU作用
根据上一节内容，总结IOMMU主要作用如下：
- 屏蔽物理地址，起到保护作用。典型应用包括两个：一是实现用户态驱动，由于IOMMU的映射功能，使HPA对用户空间不可见，在vfio部分还会举例。二是将设备透传给虚机，使HPA对虚机不可见，并将GPA映射为HPA.
- IOMMU可以将连续的虚拟地址映射到不连续的多个物理内存片段，这部分功能于MMU类似，对于没有IOMMU的情况，设备访问的物理空间必须是连续的，IOMMU可有效的解决这个问题
1.3 IOMMU工作原理
前面简单介绍了IOMMU的映射功能，下面讲述IOMMU到底如何实现映射的，为便于分析，这里先不考虑虚拟化的场景，以下图为例，阐述工作原理。
IOMMU的主要功能就是完成映射，类比MMU利用页表实现VA->PA的映射，IOMMU也需要用到页表，那么下一个问题就是如何找到页表。在设备发起DMA请求时，会将自己的Source Identifier(包含Bus、Device、Func)包含在请求中，IOMMU根据这个标识，以RTADDR_REG指向空间为基地址，然后利用Bus、Device、Func在Context Table中找到对应的Context Entry，即页表首地址，然后利用页表即可将设备请求的虚拟地址翻译成物理地址。这里做以下说明：
- 图中红线的部门，是两个Context Entry指向了同一个页表。这种情况在虚拟化场景中的典型用法就是这两个Context Entry对应的不同PCIe设备属于同一个虚机，那样IOMMU在将GPA->HPA过程中要遵循同一规则 ?????
- 由图中可知，每个具有Source Identifier(包含Bus、Device、Func)的设备都会具有一个Context Entry。如果不这样做，所有设备共用同一个页表，隶属于不同虚机的不同GPA就会翻译成相同HPA，会产生问题，
有了页表之后，就可以按照MMU那样进行地址映射工作了，这里也支持不同页大小的映射，包括4KB、2MB、1GB，不同页大小对应的级数也不同，下图以4KB页大小为例说明，映射过程和MMU类似，不再详细阐述。
1.4 Source Identifier
在讲述IOMMU的工作原理时，讲到了设备利用自己的Source Identifier(包含Bus、Device、Func)来找到页表项来完成地址映射，不过存在下面几个特殊情况需要考虑。
- 对于由PCIe switch扩展出的PCI桥及桥下设备，在发送DMA请求时，Source Identifier是PCIe switch的，这样的话该PCI桥及桥下所有设备都会使用PCIe switch的Source Identifier去定位Context Entry，找到的页表也是同一个，如果将这个PCI桥下的不同设备分给不同虚机，由于会使用同一份页表，这样会产生问题，针对这种情况，当前PCI桥及桥下的所有设备必须分配给同一个虚机，这就是VFIO中组的概念，下面会再讲到。
- 对于SRIO-V，之前介绍过VF的Bus及devfn的计算方法，所以不同VF会有不同的Source Identifier，映射到不同虚机也是没有问题的
2.VFIO
#########Virtual Function I/O (VFIO) 是一种现代化的设备直通方案，它充分利用了VT-d/AMD-Vi技术提供的DMA Remapping和Interrupt Remapping特性， 在保证直通设备的DMA安全性同时可以达到接近物理设备的I/O的性能。 用户态进程可以直接使用VFIO驱动直接访问硬件，并且由于整个过程是在IOMMU的保护下进行因此十分安全， 而且非特权用户也是可以直接使用。 换句话说，VFIO是一套完整的用户态驱动(userspace driver)方案，因为它可以安全地把设备I/O、中断、DMA等能力呈现给用户空间。
为了达到最高的IO性能，虚拟机就需要VFIO这种设备直通方式，因为它具有低延时、高带宽的特点，并且guest也能够直接使用设备的原生驱动。 这些优异的特点得益于VFIO对VT-d/AMD-Vi所提供的DMA Remapping和Interrupt Remapping机制的应用。 VFIO使用DMA Remapping为每个Domain建立独立的IOMMU Page Table将直通设备的DMA访问限制在Domain的地址空间之内保证了用户态DMA的安全性， 使用Interrupt Remapping来完成中断重映射和Interrupt Posting来达到中断隔离和中断直接投递的目的。
2.1. VFIO 框架简介
整个VFIO框架设计十分简洁清晰，可以用下面的一幅图描述：
+--------------------------------------------------------------+
| VFIO interface |
+--------------------------------------------------------------+
| vfio_iommu | vfio_pci |
+--------------------------------------------------------------+
| iommu driver | pci_bus driver |
+--------------------------------------------------------------+
最上层VFIO Interface Layer，它负责向用户态提供统一访问的接口，用户态通过约定的ioctl设置和调用VFIO的各种能力。
中间层分别是vfio_iommu和vfio_pci:
vfio_iommu是VFIO对iommu层的统一封装主要用来实现DMA Remapping的功能，即管理IOMMU页表的能力。
vfio_pci是VFIO对pci设备驱动的统一封装，它和用户态进程一起配合完成设备访问直接访问，具体包括PCI配置空间模拟、PCI Bar空间重定向，Interrupt Remapping等。
最下面的一层则是硬件驱动调用层:
iommu driver是与硬件平台相关的实现，例如它可能是intel iommu driver或amd iommu driver或者ppc iommu driver或者arm SMMU driver;
pci_bus driver: 而同时vfio_pci会调用到host上的pci_bus driver来实现设备的注册和反注册等操作。
在了解VFIO之前需要了解3个基本概念：device, group, container，它们在逻辑上的关系如上图所示。
- Group 是IOMMU能够进行DMA隔离的最小硬件单元，一个group内可能只有一个device，也可能有多个device，这取决于物理平台上硬件的IOMMU拓扑结构。 设备直通的时候一个group里面的设备必须都直通给一个虚拟机。 不能够让一个group里的多个device分别从属于2个不同的VM，也不允许部分device在host上而另一部分被分配到guest里， 因为就这样一个guest中的device可以利用DMA攻击获取另外一个guest里的数据，就无法做到物理上的DMA隔离。 另外，VFIO中的group和iommu group可以认为是同一个概念。
- Device 指的是我们要操作的硬件设备，不过这里的“设备”需要从IOMMU拓扑的角度去理解。如果该设备是一个硬件拓扑上独立的设备，那么它自己就构成一个iommu group。 如果这里是一个multi-function设备，那么它和其他的function一起组成一个iommu group，因为多个function设备在物理硬件上就是互联的， 他们可以互相访问对方的数据，所以必须放到一个group里隔离起来。值得一提的是，对于支持PCIe ACS特性的硬件设备，我们可以认为他们在物理上是互相隔离的。
- Container 是一个和地址空间相关联的概念，这里可以简单把它理解为一个VM Domain的物理内存空间。对于用户态驱动，Container可以是多个Group的集合。
从上图可以看出，一个或多个device从属于某个group，而一个或多个group又从属于一个container。 如果要将一个device直通给VM，那么先要找到这个设备从属的iommu group，然后将整个group加入到container中即可。关于如何使用VFIO可以参考内核文档：vfio.txt
上图中PCIe-PCI桥下的两个设备，在发送DMA请求时，PCIe-PCI桥会为下面两个设备生成Source Identifier，其中Bus域为红色总线号bus，device和func域为0。这样的话，PCIe-PCI桥下的两个设备会找到同一个Context Entry和同一份页表，所以这两个设备不能分别给两个虚机使用，这两个设备就属于一个Group。
2.2 VFIO 数据结构关系
Linux内核设备驱动充分利用了“一切皆文件”的思想，VFIO驱动也不例外，VFIO中为了方便操作device, group, container等对象将它们和对应的设备文件进行绑定。 VFIO驱动在加载的时候会创建一个名为/dev/vfio/vfio的文件，而这个文件的句柄关联到了vfio_container上，用户态进程打开这个文件就可以初始化和访问vfio_container。 当我们把一个设备直通给虚拟机时，首先要做的就是将这个设备从host上进行解绑，即解除host上此设备的驱动，然后将设备驱动绑定为“vfio-pci”， 在完成绑定后会新增一个/dev/vfio/$groupid的文件，其中$groupid为此PCI设备的iommu group id， 这个id号是在操作系统加载iommu driver遍历扫描host上的PCI设备的时候就已经分配好的，可以使用readlink -f /sys/bus/pci/devices/$bdf/iommu_group来查询。 类似的，/dev/vfio/$groupid这个文件的句柄被关联到vfio_group上，用户态进程打开这个文件就可以管理这个iommu group里的设备。 然而VFIO中并没有为每个device单独创建一个文件，而是通过VFIO_GROUP_GET_DEVICE_FD这个ioctl来获取device的句柄，然后再通过这个句柄来管理设备。
VFIO框架中很重要的一部分是要完成DMA Remapping，即为Domain创建对应的IOMMU页表，这个部分是由vfio_iommu_driver来完成的。 vfio_container包含一个指针记录vfio_iommu_driver的信息，在x86上vfio_iommu_driver的具体实现是由vfio_iommu_type1来完成的。 其中包含了vfio_iommu, vfio_domain, vfio_group, vfio_dma等关键数据结构（注意这里是iommu里面的），
- vfio_iommu可以认为是和container概念相对应的iommu数据结构，在虚拟化场景下每个虚拟机的物理地址空间映射到一个vfio_iommu上。
- vfio_group可以认为是和group概念对应的iommu数据结构，它指向一个iommu_group对象，记录了着iommu_group的信息。
- vfio_domain这个概念尤其需要注意，这里绝不能把它理解成一个虚拟机domain，它是一个与DRHD（即IOMMU硬件）相关的概念， 它的出现就是为了应对多IOMMU硬件的场景，我们知道在大规格服务器上可能会有多个IOMMU硬件，不同的IOMMU硬件有可能存在差异， 例如IOMMU 0支持IOMMU_CACHE而IOMMU 1不支持IOMMU_CACHE（当然这种情况少见，大部分平台上硬件功能是具备一致性的），这时候我们不能直接将分别属于不同IOMMU硬件管理的设备直接加入到一个container中， 因为它们的IOMMU页表SNP bit是不一致的。 因此，一种合理的解决办法就是把一个container划分多个vfio_domain，当然在大多数情况下我们只需要一个vfio_domain就足够了。 处在同一个vfio_domain中的设备共享IOMMU页表区域，不同的vfio_domain的页表属性又可以不一致，这样我们就可以支持跨IOMMU硬件的设备直通的混合场景。
经过上面的介绍和分析，我们可以把VFIO各个组件直接的关系用下图表示(点击看完整图片)，读者可以按照图中的关系去阅读相关代码实现。
VFIO就是内核针对IOMMU提供的软件框架，支持DMA Remapping和Interrupt Remapping，这里只讲DMA Remapping。VFIO利用IOMMU这个特性，可以屏蔽物理地址对上层的可见性，可以用来开发用户态驱动，也可以实现设备透传。
2.3 使用示例
这里先以简单的用户态驱动为例，在设备透传小节中，在分析如何利用vfio实现透传。
1 int container, group, device, i; 2 struct vfio_group_status group_status = 3 { .argsz = sizeof(group_status) }; 4 struct vfio_iommu_type1_info iommu_info = { .argsz = sizeof(iommu_info) }; 5 struct vfio_iommu_type1_dma_map dma_map = { .argsz = sizeof(dma_map) }; 6 struct vfio_device_info device_info = { .argsz = sizeof(device_info) }; 7 8 /* Create a new container */ 9 container = open("/dev/vfio/vfio", O_RDWR); 10 11 if (ioctl(container, VFIO_GET_API_VERSION) != VFIO_API_VERSION) 12 /* Unknown API version */ 13 14 if (!ioctl(container, VFIO_CHECK_EXTENSION, VFIO_TYPE1_IOMMU)) 15 /* Doesn't support the IOMMU driver we want. */ 16 17 /* Open the group */ 18 group = open("/dev/vfio/26", O_RDWR); 19 20 /* Test the group is viable and available */ 21 ioctl(group, VFIO_GROUP_GET_STATUS, &group_status); 22 23 if (!(group_status.flags & VFIO_GROUP_FLAGS_VIABLE)) 24 /* Group is not viable (ie, not all devices bound for vfio) */ 25 26 /* Add the group to the container */ 27 ioctl(group, VFIO_GROUP_SET_CONTAINER, &container); 28 29 /* Enable the IOMMU model we want */ // type 1 open | attatch 30 ioctl(container, VFIO_SET_IOMMU, VFIO_TYPE1_IOMMU); 31 32 /* Get addition IOMMU info */ 33 ioctl(container, VFIO_IOMMU_GET_INFO, &iommu_info); 34 35 /* Allocate some space and setup a DMA mapping */ 36 dma_map.vaddr = mmap(0, 1024 * 1024, PROT_READ | PROT_WRITE, 37 MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, 0, 0);//这里的0是什么意思？不一般是文件描述符吗 fd=open(...)?? 38 dma_map.size = 1024 * 1024; 39 dma_map.iova = 0; /* 1MB starting at 0x0 from device view */ 40 dma_map.flags = VFIO_DMA_MAP_FLAG_READ | VFIO_DMA_MAP_FLAG_WRITE; 41 42 ioctl(container, VFIO_IOMMU_MAP_DMA, &dma_map);//把iova地址转换到vaddr对应的物理地址？？ 43 44 /* Get a file descriptor for the device */ 45 device = ioctl(group, VFIO_GROUP_GET_DEVICE_FD, "0000:06:0d.0"); 46 47 /* Test and setup the device */ 48 ioctl(device, VFIO_DEVICE_GET_INFO, &device_info);
对于dev下Group就是按照上一节介绍的Group划分规则产生的，上述代码描述了如何使用VFIO实现映射，对于Group和Container的相关操作这里不做过多解释，主要关注如何完成映射，下图解释具体工作流程。
首先，利用mmap映射出1MB字节的虚拟空间，因为物理地址对于用户态不可见，只能通过虚拟地址访问物理空间。然后执行ioctl的VFIO_IOMMU_MAP_DMA命令，传入参数主要包含vaddr及iova，其中iova代表的是设备发起DMA请求时要访问的地址，也就是IOMMU映射前的地址，vaddr就是mmap的地址。VFIO_IOMMU_MAP_DMA命令会为虚拟地址vaddr找到物理页并pin住（因为设备DMA是异步的，随时可能发生，物理页面不能交换出去），然后找到Group对应的Contex Entry，建立页表项，页表项能够将iova地址映射成上面pin住的物理页对应的物理地址上去，这样对用户态程序完全屏蔽了物理地址，实现了用户空间驱动。IOVA地址的00x100000对应DRAM地址0x100000000x10100000，size为1024 * 1024。一句话概述，VFIO_IOMMU_MAP_DMA这个命令就是将iova通过IOMMU映射到vaddr对应的物理地址上去。
3.设备透传分析
设备透传就是由虚机直接接管设备，虚机可以直接访问MMIO空间，VMM配置好IOMMU之后，设备DMA读写请求也无需VMM借入，需要注意的是设备的配置空间没有透传，因为VMM已经配置好了BAR空间，如果将这部分空间也透传给虚机，虚机会对BAR空间再次配置，会导致设备无法正常工作。
3.1 虚机地址映射
在介绍透传之前，先看下虚机的GPA与HVA和HPA的关系，以及虚机是如何访问到真实的物理地址的，过程如下图。
一旦页表建立好后，整个映射过程都是硬件自动完成的，对于上图有如下几点说明：
- 对于虚机内的页表，完成GVA到GPA的映射，虽然整个过程都是硬件自动完成，但有一点要注意下，在虚机的中各级页表也是存储在HPA中的，而CR3及各级页表中装的地址都是GPA，所以在访问页表时也需要借助EPT(extension page table？)，上图中以虚线表示这个过程
- 利用虚机页表完成GVA到GPA的映射后，此时借助EPT实现GPA到HPA的映射，这里没有什么特殊的，就是一层层页表映射
- 看完上图，有没有发现少了点啥，是不是没有HVA。单从上图整个虚机寻址的映射过程来看，是不需要HVA借助的，硬件会自动完成GVA->GPA->HPA映射，那么HVA有什么用呢？这里从下面两方面来分析：
1）Qemu利用iotcl控制KVM实现EPT的映射，映射的过程中必然要申请物理页面。Qemu是应用程序，唯一可见的只是HVA，这时候又需要借助mmap了，Qemu会根据虚机的ram大小，即GPA大小范围，然后mmap出与之对应的大小，即HVA。通过KVM_SET_USER_MEMORY_REGION命令控制KVM，与这个命令一起传入的参数主要包括两个值，guest_phys_addr代表虚机GPA地址起始，userspace_addr代表上面mmap得到的首地址（HVA）。传入进去后，KVM就会为当前虚机GPA建立EPT映射表实现GPA->HPA，同时会为VMM建立HVA->HPA映射。
2）当vm_exit发生时，VMM需要对异常进行处理，异常发生时VMM能够获取到GPA，有时VMM需要访问虚机GPA对应的HPA，VMM的映射和虚机的映射方式不同，是通过VMM完成HVA->HPA，且只能通过HVA才能访问HPA，这就需要VMM将GPA及HVA的对应关系维护起来，这个关系是Qemu维护的，这里先不管Qemu的具体实现（后面会有专门文档介绍），当前只需要知道给定一个虚机的GPA，虚机就能获取到GPA对应的HVA。下图描述VMM与VM的地址映射关系。
3.2 设备透传实现
在前面介绍VFIO的使用实例时，核心思想就是IOVA经过IOMMU映射出的物理地址与HVA经过MMU映射出的物理地址是同一个。对于设备透传的情况，先上图，然后看图说话。
先来分析一下设备的DMA透传的工作流程，一旦设备透传给了虚机，虚机在配置设备DMA时直接使用GPA。此时GPA经由EPT会映射成HPA1，GPA经由IOMMU映射的地址为HPA2，此时的HPA1和HPA2必须相等，设备的透传才有意义。下面介绍在配置IOMMU时如何保证HPA1和HPA2相等，在VFIO章节讲到了VFIO_IOMMU_MAP_DMA这个命令就是将iova通过IOMMU映射到vaddr对应的物理地址上去。对于IOMMU来讲，此时的GPA就是iova，我们知道GPA经由EPT会映射为HPA1，对于VMM来讲，这个HPA1对应的虚机地址为HVA，那样的话在传入VFIO_IOMMU_MAP_DMA命令时讲hva作为vaddr，IOMMU就会将GPA映射为HVA对应的物理地址及HPA1，即HPA1和HPA2相等。上述流程帮助理清整个映射关系，实际映射IOMMU的操作很简单，前面提到了qemu维护了GPA和HVA的关系，在映射IOMMU的时候也可以派上用场。注：IOMMU的映射在虚机启动时就已经建立好了，映射要涵盖整个GPA地址范围，同时虚机的HPA对应的物理页都不会交换出去（设备DMA交换是异步的）。
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