KVM详解(一)

继续学习KVM前先学习一下大神的文章：

http://www.cnblogs.com/sammyliu/p/4543110.html

学习 KVM 的系列文章： 

• （1）介绍和安装

• （2）CPU 和 内存虚拟化

• （3）I/O QEMU 全虚拟化和准虚拟化（Para-virtulizaiton）

• （4）I/O PCI/PCIe设备直接分配和 SR-IOV

• （5）libvirt 介绍

• （6）Nova 通过 libvirt 管理 QEMU/KVM 虚机

• （7）快照 （snapshot）

• （8）迁移 （migration）

KVM 介绍（1）：简介及安装

学习 KVM 的系列文章： 

• （1）介绍和安装

• （2）CPU 和 内存虚拟化

• （3）I/O QEMU 全虚拟化和准虚拟化（Para-virtulizaiton）

• （4）I/O PCI/PCIe设备直接分配和 SR-IOV

• （5）libvirt 介绍

• （6）Nova 通过 libvirt 管理 QEMU/KVM 虚机

• （7）快照 （snapshot）

• （8）迁移 （migration）

1. KVM 介绍

1.0 虚拟化简史

其中，KVM 全称是 基于内核的虚拟机（Kernel-based Virtual Machine），它是一个 Linux 的一个内核模块，该内核模块使得 Linux 变成了一个 Hypervisor：

• 它由 Quramnet 开发，该公司于 2008年被 Red Hat 收购。

• 它支持 x86 (32 and 64 位), s390, Powerpc 等 CPU。

• 它从 Linux 2.6.20 起就作为一模块被包含在 Linux 内核中。

• 它需要支持虚拟化扩展的 CPU。

• 它是完全开源的。官网。

本文介绍的是基于 X86 CPU 的 KVM。

1.1 KVM 架构

  KVM 是基于虚拟化扩展（Intel VT 或者 AMD-V）的 X86 硬件的开源的 Linux 原生的全虚拟化解决方案。KVM 中，虚拟机被实现为常规的 Linux 进程，由标准 Linux 调度程序进行调度；虚机的每个虚拟 CPU 被实现为一个常规的 Linux 进程。这使得 KMV 能够使用 Linux 内核的已有功能。

  但是，KVM 本身不执行任何硬件模拟，需要客户空间程序通过 /dev/kvm 接口设置一个客户机虚拟服务器的地址空间，向它提供模拟的 I/O，并将它的视频显示映射回宿主的显示屏。目前这个应用程序是 QEMU。

 

Linux 上的用户空间、内核空间和虚机：

 

                  

• Guest：客户机系统，包括CPU（vCPU）、内存、驱动（Console、网卡、I/O 设备驱动等），被 KVM 置于一种受限制的 CPU 模式下运行。

• KVM：运行在内核空间，提供CPU 和内存的虚级化，以及客户机的 I/O 拦截。Guest 的 I/O 被 KVM 拦截后，交给 QEMU 处理。

• QEMU：修改过的为 KVM 虚机使用的 QEMU 代码，运行在用户空间，提供硬件 I/O 虚拟化，通过 IOCTL /dev/kvm 设备和 KVM 交互。

KVM 是实现拦截虚机的 I/O 请求的原理：

    现代 CPU 本身了对特殊指令的截获和重定向的硬件支持，甚至新的硬件会提供额外的资源来帮助软件实现对关键硬件资源的虚拟化从而提高性能。以 X86 平台为例，支持虚拟化技术的 CPU  带有特别优化过的指令集来控制虚拟化过程。通过这些指令集，VMM 很容易将客户机置于一种受限制的模式下运行，一旦客户机视图访问物理资源，硬件会暂停客户机的运行，将控制权交回给 VMM 处理。VMM 还可以利用硬件的虚级化增强机制，将客户机在受限模式下对一些特定资源的访问，完全由硬件重定向到 VMM 指定的虚拟资源，整个过程不需要暂停客户机的运行和 VMM 的参与。由于虚拟化硬件提供全新的架构，支持操作系统直接在上面运行，无需进行二进制转换，减少了相关的性能开销，极大简化了VMM的设计，使得VMM性能更加强大。从 2005 年开始，Intel 在其处理器产品线中推广 Intel Virtualization Technology 即 IntelVT 技术。

QEMU-KVM：

  其实 QEMU 原本不是 KVM 的一部分，它自己就是一个纯软件实现的虚拟化系统，所以其性能低下。但是，QEMU 代码中包含整套的虚拟机实现，包括处理器虚拟化，内存虚拟化，以及 KVM需要使用到的虚拟设备模拟（网卡、显卡、存储控制器和硬盘等）。

 

 

 

 

 

  为了简化代码，KVM 在 QEMU 的基础上做了修改。VM 运行期间，QEMU 会通过 KVM 模块提供的系统调用进入内核，由 KVM 负责将虚拟机置于处理的特殊模式运行。遇到虚机进行 I/O 操作，KVM 会从上次的系统调用出口处返回 QEMU，由 QEMU 来负责解析和模拟这些设备。

 

 

 

从 QEMU 的角度看，也可以说是 QEMU 使用了 KVM 模块的虚拟化功能，为自己的虚机提供了硬件虚拟化加速。除此以外，虚机的配置和创建、虚机运行说依赖的虚拟设备、虚机运行时的用户环境和交互，以及一些虚机的特定技术比如动态迁移，都是 QEMU 自己实现的。

 

 

KVM：

    KVM 内核模块在运行时按需加载进入内核空间运行。KVM 本身不执行任何设备模拟，需要 QEMU 通过 /dev/kvm 接口设置一个 GUEST OS 的地址空间，向它提供模拟的 I/O 设备，并将它的视频显示映射回宿主机的显示屏。它是KVM 虚机的核心部分，其主要功能是初始化 CPU 硬件，打开虚拟化模式，然后将虚拟客户机运行在虚拟机模式下，并对虚机的运行提供一定的支持。以在 Intel 上运行为例，KVM 模块被加载的时候，它：

1. 首先初始化内部的数据结构；

2. 做好准备后，KVM 模块检测当前的 CPU，然后打开 CPU 控制及存取 CR4 的虚拟化模式开关，并通过执行 VMXON 指令将宿主操作系统置于虚拟化模式的根模式；

3. 最后，KVM 模块创建特殊设备文件 /dev/kvm 并等待来自用户空间的指令。

 

    接下来的虚机的创建和运行将是 QEMU 和 KVM 相互配合的过程。两者的通信接口主要是一系列针对特殊设备文件 dev/kvm 的 IOCTL 调用。其中最重要的是创建虚机。它可以理解成KVM 为了某个特定的虚机创建对应的内核数据结构，同时，KVM 返回一个文件句柄来代表所创建的虚机。

 

    针对该句柄的调用可以对虚机做相应地管理，比如创建用户空间虚拟地址和客户机物理地址、真实物理地址之间的映射关系，再比如创建多个 vCPU。KVM 为每一个 vCPU 生成对应的文件句柄，对其相应地 IOCTL 调用，就可以对vCPU进行管理。其中最重要的就是“执行虚拟处理器”。通过它，虚机在 KVM 的支持下，被置于虚拟化模式的非根模式下，开始执行二进制指令。在非根模式下，所有敏感的二进制指令都被CPU捕捉到，CPU 在保存现场之后自动切换到根模式，由 KVM 决定如何处理。

 

    除了 CPU 的虚拟化，内存虚拟化也由 KVM 实现。实际上，内存虚拟化往往是一个虚机实现中最复杂的部分。CPU 中的内存管理单元 MMU 是通过页表的形式将程序运行的虚拟地址转换成实际物理地址。在虚拟机模式下，MMU 的页表则必须在一次查询的时候完成两次地址转换。因为除了将客户机程序的虚拟地址转换了客户机的物理地址外，还要将客户机物理地址转化成真实物理地址。 

 

2. KVM 的功能列表

KVM 所支持的功能包括：

• 支持CPU 和 memory 超分（Overcommit）

• 支持半虚拟化I/O （virtio）

• 支持热插拔 （cpu，块设备、网络设备等）

• 支持对称多处理（Symmetric Multi-Processing，缩写为 SMP ）

• 支持实时迁移（Live Migration）

• 支持 PCI 设备直接分配和 单根I/O 虚拟化 （SR-IOV）

• 支持 内核同页合并 （KSM ）

• 支持 NUMA （Non-Uniform Memory Access，非一致存储访问结构 ）

3. KVM 工具集合

• libvirt：操作和管理KVM虚机的虚拟化 API，使用 C 语言编写，可以由 Python,Ruby, Perl, PHP, Java 等语言调用。可以操作包括 KVM，vmware，XEN，Hyper-v, LXC 等 Hypervisor。

• Virsh：基于 libvirt 的 命令行工具 （CLI）

• Virt-Manager：基于 libvirt 的 GUI 工具

• virt-v2v：虚机格式迁移工具

• virt-* 工具：包括 Virt-install （创建KVM虚机的命令行工具）， Virt-viewer （连接到虚机屏幕的工具），Virt-clone（虚机克隆工具），virt-top 等

• sVirt：安全工具

4. RedHat Linux KVM 安装

RedHat 有两款产品提供 KVM 虚拟化：

1. Red Hat Enterprise Linux：适用于小的环境，提供数目较少的KVM虚机。最新的版本包括 6.5 和 7.0.

2. Red Hat Enterprise Virtualization (RHEV)：提供企业规模的KVM虚拟化环境，包括更简单的管理、HA，性能优化和其它高级功能。最新的版本是 3.0.

 

 RedHat Linux KVM:

• KVM 由 libvirt API 和基于该 API的一组工具进行管理和控制。

• KVM 支持系统资源超分，包括内存和CPU的超分。RedHat Linux 最多支持物理 CPU 内核总数的10倍数目的虚拟CPU，但是不支持在一个虚机上分配超过物理CPU内核总数的虚拟CPU。

• 支持 KSM （Kenerl Same-page Merging 内核同页合并）

 RedHat Linux KVM 有如下两种安装方式：

4.1 在安装  RedHat Linux 时安装 KVM

选择安装类型为 Virtualizaiton Host ：

可以选择具体的 KVM 客户端、平台和工具：

4.2 在已有的 RedHat Linux 中安装 KVM

这种安装方式要求该系统已经被注册，否则会报错：

[root@rh65 ~]# yum install qemu-kvm qemu-img
Loaded plugins: product-id, refresh-packagekit, security, subscription-manager
This system is not registered to Red Hat Subscription Management. You can use subscription-manager to register.
Setting up Install Process
Nothing to do

你至少需要安装 qemu-kvm qemu-img 这两个包。

# yum install qemu-kvm qemu-img

你还可以安装其它工具包：

# yum install virt-manager libvirt libvirt-python python-virtinst libvirt-client

4.3 QEMU/KVM 代码下载编译安装

4.3.1 QEMU/KVM 的代码结构

QEMU/KVM 的代码包括几个部分：

（1）KVM 内核模块是 Linux 内核的一部分。通常 Linux 比较新的发行版（2.6.20+）都包含了 KVM 内核，也可以从这里得到。比如在我的RedHat 6.5 上：

[root@rh65 isop_w_picpaths]# uname -r2.6.32-431.el6.x86_64
[root@rh65 isop_w_picpaths]# modprobe -l | grep kvm
kernel/arch/x86/kvm/kvm.ko
kernel/arch/x86/kvm/kvm-intel.ko
kernel/arch/x86/kvm/kvm-amd.ko

（2）用户空间的工具即 qemu-kvm。qemu-kvm 是 KVM 项目从 QEMU 新拉出的一个分支（看这篇文章）。在 QEMU 1.3 版本之前，QEMU 和 QEMU-KVM 是有区别的，但是从 2012 年底 GA 的 QEMU 1.3 版本开始，两者就完全一样了。

（3）Linux Guest OS virtio 驱动，也是较新的Linux 内核的一部分了。

（4）Windows Guest OS virtio 驱动，可以从这里下载。

4.3.2 安装 QEMU

RedHat 6.5 上自带的 QEMU 太老，0.12.0 版本，最新版本都到了 2.* 了。

（1）. 参考 这篇文章，将 RedHat 6.5 的 ISO 文件当作本地源

mount -o loop soft/rhel-server--x86_64-dvd.iso /mnt/rhel6/

vim /etc/fstab
=> /root/isop_w_picpaths/soft/RHEL6.5-20131111.0-Server-x86_64-DVD1.iso /mnt/rhel6 iso9660 ro,loop

[root@rh65 qemu-2.3.0]# cat /etc/yum.repos.d/local.repo
[local]
name=local
baseurl=file:///mnt/rhel6/
enabled=1
gpgcjeck=0

1	yum clean all< br >yum update

（2）. 安装依赖包包

yum install gcc
yum install autoconf
yum install autoconf automake libtool
yum install -y glib*yum install zlib*

（3）. 从 http://wiki.qemu.org/Download 下载代码，上传到我的编译环境 RedHat 6.5.

tar -jzvf qemu-2.3.0.tar.bz2
cd qemu-2.3.0./configure
make -j 4make install

（4）. 安装完成

[root@rh65 qemu-2.3.0]# /usr/local/bin/qemu-x86_64 -version
qemu-x86_64 version 2.3.0, Copyright (c) 2003-2008 Fabrice Bellard

（5）. 为方便起见，创建一个link

ln -s /usr/bin/qemu-system-x86_64 /usr/bin/qemu-kvm

4.3.3 安装 libvirt

可以从 libvirt 官网下载安装包。最新的版本是 0.10.2. 

5. 创建 KVM 虚机的几种方式

5.1 使用 virt-install 命令

virt-install \--name=guest1-rhel5-64 \--file=/var/lib/libvirt/p_w_picpaths/guest1-rhel5-64.dsk \--file-size=8 \--nonsparse --graphics spice \--vcpus=2 --ram=2048 \--location=http://example1.com/installation_tree/RHEL5.6-Serverx86_64/os \--network bridge=br0 \--os-type=linux \--os-variant=rhel5.4

5.2 使用 virt-manager 工具

使用 VMM GUI 创建的虚机的xml 定义文件在 /etc/libvirt/qemu/ 目录中。

5.3 使用 qemu-img 和 qemu-kvm 命令行方式安装

（1）创建一个空的qcow2格式的镜像文件

qemu-img create -f qcow2 windows-master.qcow2 10G

（2）启动一个虚机，将系统安装盘挂到 cdrom，安装操作系统

qemu-kvm  -hda  windows-master.qcow2  -m  512  -boot d  -cdrom /home/user/isos/en_winxp_pro_with_sp2.iso

（3）现在你就拥有了一个带操作系统的镜像文件。你可以以它为模板创建新的镜像文件。使用模板的好处是，它会被设置为只读所以可以免于破坏。

qemu-img create -b windows-master.qcow2 -f  qcow2   windows-clone.qcow2

（4）你可以在新的镜像文件上启动虚机了

qemu-kvm  -hda  windows-clone.qcow2  -m 400

5.4 通过 OpenStack Nova 使用 libvirt API 通过编程方式来创建虚机 （后面会介绍）

KVM 介绍（2）：CPU 和内存虚拟化

学习 KVM 的系列文章： 

• （1）介绍和安装

• （2）CPU 和 内存虚拟化

• （3）I/O QEMU 全虚拟化和准虚拟化（Para-virtulizaiton）

• （4）I/O PCI/PCIe设备直接分配和 SR-IOV

• （5）libvirt 介绍

• （6）Nova 通过 libvirt 管理 QEMU/KVM 虚机

• （7）快照 （snapshot）

• （8）迁移 （migration）

1. 为什么需要 CPU 虚拟化

X86 操作系统是设计在直接运行在裸硬件设备上的，因此它们自动认为它们完全占有计算机硬件。x86 架构提供四个特权级别给操作系统和应用程序来访问硬件。 Ring 是指 CPU 的运行级别，Ring 0是最高级别，Ring1次之，Ring2更次之…… 就 Linux+x86 来说， 

• 操作系统（内核）需要直接访问硬件和内存，因此它的代码需要运行在最高运行级别  Ring0上，这样它可以使用特权指令，控制中断、修改页表、访问设备等等。 

• 应用程序的代码运行在最低运行级别上ring3上，不能做受控操作。如果要做，比如要访问磁盘，写文件，那就要通过执行系统调用（函数），执行系统调用的时候，CPU的运行级别会发生从ring3到ring0的切换，并跳转到系统调用对应的内核代码位置执行，这样内核就为你完成了设备访问，完成之后再从ring0返回ring3。这个过程也称作用户态和内核态的切换。

 

 

那么，虚拟化在这里就遇到了一个难题，因为宿主操作系统是工作在 ring0 的，客户操作系统就不能也在 ring0 了，但是它不知道这一点，以前执行什么指令，现在还是执行什么指令，但是没有执行权限是会出错的。所以这时候虚拟机管理程序（VMM）需要避免这件事情发生。 虚机怎么通过 VMM 实现 Guest CPU 对硬件的访问，根据其原理不同有三种实现技术：

1. 全虚拟化

2. 半虚拟化

3. 硬件辅助的虚拟化 

 

1.1 基于二进制翻译的全虚拟化（Full Virtualization with Binary Translation）

 

客户操作系统运行在 Ring 1，它在执行特权指令时，会触发异常（CPU的机制，没权限的指令会触发异常），然后 VMM 捕获这个异常，在异常里面做翻译，模拟，最后返回到客户操作系统内，客户操作系统认为自己的特权指令工作正常，继续运行。但是这个性能损耗，就非常的大，简单的一条指令，执行完，了事，现在却要通过复杂的异常处理过程。

 

异常 “捕获（trap）-翻译（handle）-模拟（emulate）” 过程：

 

1.2. 超虚拟化（或者半虚拟化/操作系统辅助虚拟化 Paravirtualization） 

  半虚拟化的思想就是，修改操作系统内核，替换掉不能虚拟化的指令，通过超级调用（hypercall）直接和底层的虚拟化层hypervisor来通讯，hypervisor 同时也提供了超级调用接口来满足其他关键内核操作，比如内存管理、中断和时间保持。

  这种做法省去了全虚拟化中的捕获和模拟，大大提高了效率。所以像XEN这种半虚拟化技术，客户机操作系统都是有一个专门的定制内核版本，和x86、mips、arm这些内核版本等价。这样以来，就不会有捕获异常、翻译、模拟的过程了，性能损耗非常低。这就是XEN这种半虚拟化架构的优势。这也是为什么XEN只支持虚拟化Linux，无法虚拟化windows原因，微软不改代码啊。

 

1.3. 硬件辅助的全虚拟化 

    2005年后，CPU厂商Intel 和 AMD 开始支持虚拟化了。 Intel 引入了 Intel-VT （Virtualization Technology）技术。 这种 CPU，有 VMX root operation 和 VMX non-root operation两种模式，两种模式都支持Ring 0 ~ Ring 3 共 4 个运行级别。这样，VMM 可以运行在 VMX root operation模式下，客户 OS 运行在VMX non-root operation模式下。

 

 

 

  而且两种操作模式可以互相转换。运行在 VMX root operation 模式下的 VMM 通过显式调用 VMLAUNCH 或 VMRESUME 指令切换到 VMX non-root operation 模式，硬件自动加载 Guest OS 的上下文，于是 Guest OS 获得运行，这种转换称为 VM entry。Guest OS 运行过程中遇到需要 VMM 处理的事件，例如外部中断或缺页异常，或者主动调用 VMCALL 指令调用 VMM 的服务的时候（与系统调用类似），硬件自动挂起 Guest OS，切换到 VMX root operation 模式，恢复 VMM 的运行，这种转换称为 VM exit。VMX root operation 模式下软件的行为与在没有 VT-x 技术的处理器上的行为基本一致；而VMX non-root operation 模式则有很大不同，最主要的区别是此时运行某些指令或遇到某些事件时，发生 VM exit。

 

也就说，硬件这层就做了些区分，这样全虚拟化下，那些靠“捕获异常-翻译-模拟”的实现就不需要了。而且CPU厂商，支持虚拟化的力度越来越大，靠硬件辅助的全虚拟化技术的性能逐渐逼近半虚拟化，再加上全虚拟化不需要修改客户操作系统这一优势，全虚拟化技术应该是未来的发展趋势。

 

	利用二进制翻译的全虚拟化	硬件辅助虚拟化	操作系统协助/半虚拟化
实现技术	BT和直接执行	遇到特权指令转到root模式执行	Hypercall
客户操作系统修改/兼容性	无需修改客户操作系统，最佳兼容性	无需修改客户操作系统，最佳兼容性	客户操作系统需要修改来支持hypercall，因此它不能运行在物理硬件本身或其他的hypervisor上，兼容性差，不支持Windows
性能	差	全虚拟化下，CPU需要在两种模式之间切换，带来性能开销；但是，其性能在逐渐逼近半虚拟化。	好。半虚拟化下CPU性能开销几乎为0，虚机的性能接近于物理机。
应用厂商	VMware Workstation/QEMU/Virtual PC	VMware ESXi/Microsoft Hyper-V/Xen 3.0/KVM	Xen

2. KVM CPU 虚拟化

KVM 是基于CPU 辅助的全虚拟化方案，它需要CPU虚拟化特性的支持。

2.1. CPU 物理特性

这个命令查看主机上的CPU 物理情况：

[s1@rh65 ~]$ numactl --hardware
available: 2 nodes (0-1) //2颗CPUnode 0 cpus: 0 1 2 3 4 5 12 13 14 15 16 17 //这颗 CPU 有8个内核node 0 size: 12276 MB
node 0 free: 7060 MB
node 1 cpus: 6 7 8 9 10 11 18 19 20 21 22 23node 1 size: 8192 MB
node 1 free: 6773 MB
node distances:
node   0   1 
  0:  10  21 
  1:  21  10

要支持 KVM， Intel CPU 的 vmx 或者 AMD CPU 的 svm 扩展必须生效了：

[root@rh65 s1]# egrep "(vmx|svm)" /proc/cpuinfo
flags        : fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush dts acpi mmx fxsr sse sse2 ss ht tm pbe syscall nx pdpe1gb rdtscp lm constant_tsc arch_perfmon pebs bts rep_good xtopology nonstop_tsc aperfmperf pni pclmulqdq dtes64 monitor ds_cpl vmx smx est tm2 ssse3 cx16 xtpr pdcm pcid dca sse4_1 sse4_2 popcnt aes lahf_lm arat epb dts tpr_shadow vnmi flexpriority ept vpid

2.2 多 CPU 服务器架构：SMP，NMP，NUMA

从系统架构来看，目前的商用服务器大体可以分为三类：

• 多处理器结构 (SMP ： Symmetric Multi-Processor)：所有的CPU共享全部资源，如总线，内存和I/O系统等，操作系统或管理数据库的复本只有一个，这种系统有一个最大的特点就是共享所有资源。多个CPU之间没有区别，平等地访问内存、外设、一个操作系统。SMP 服务器的主要问题，那就是它的扩展能力非常有限。实验证明， SMP 服务器 CPU 利用率最好的情况是 2 至 4 个 CPU 。

• 海量并行处理结构 (MPP ： Massive Parallel Processing) ：NUMA 服务器的基本特征是具有多个 CPU 模块，每个 CPU 模块由多个 CPU( 如 4 个 ) 组成，并且具有独立的本地内存、 I/O 槽口等。在一个物理服务器内可以支持上百个 CPU 。但 NUMA 技术同样有一定缺陷，由于访问远地内存的延时远远超过本地内存，因此当 CPU 数量增加时，系统性能无法线性增加。

• MPP 模式则是一种分布式存储器模式，能够将更多的处理器纳入一个系统的存储器。一个分布式存储器模式具有多个节点，每个节点都有自己的存储器，可以配置为SMP模式，也可以配置为非SMP模式。单个的节点相互连接起来就形成了一个总系统。MPP可以近似理解成一个SMP的横向扩展集群，MPP一般要依靠软件实现。

• 非一致存储访问结构 (NUMA ： Non-Uniform Memory Access)：它由多个 SMP 服务器通过一定的节点互联网络进行连接，协同工作，完成相同的任务，从用户的角度来看是一个服务器系统。其基本特征是由多个 SMP 服务器 ( 每个 SMP 服务器称节点 ) 通过节点互联网络连接而成，每个节点只访问自己的本地资源 ( 内存、存储等 ) ，是一种完全无共享 (Share Nothing) 结构。

详细描述可以参考 SMP、NUMA、MPP体系结构介绍。

查看你的服务器的 CPU 架构：

[root@rh65 s1]# uname -a
Linux rh65 2.6.32-431.el6.x86_64 #1 SMP Sun Nov 10 22:19:54 EST 2013 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux #这服务器是 SMP 架构

2.2 KVM CPU 虚拟化

2.2.1 KVM 虚机的创建过程

可见：

（1）qemu-kvm 通过对 /dev/kvm 的 一系列 ICOTL 命令控制虚机，比如

open("/dev/kvm", O_RDWR|O_LARGEFILE)    = 3ioctl(3, KVM_GET_API_VERSION, 0)        = 12ioctl(3, KVM_CHECK_EXTENSION, 0x19)     = 0ioctl(3, KVM_CREATE_VM, 0)              = 4ioctl(3, KVM_CHECK_EXTENSION, 0x4)      = 1ioctl(3, KVM_CHECK_EXTENSION, 0x4)      = 1ioctl(4, KVM_SET_TSS_ADDR, 0xfffbd000)  = 0ioctl(3, KVM_CHECK_EXTENSION, 0x25)     = 0ioctl(3, KVM_CHECK_EXTENSION, 0xb)      = 1ioctl(4, KVM_CREATE_PIT, 0xb)           = 0ioctl(3, KVM_CHECK_EXTENSION, 0xf)      = 2ioctl(3, KVM_CHECK_EXTENSION, 0x3)      = 1ioctl(3, KVM_CHECK_EXTENSION, 0)        = 1ioctl(4, KVM_CREATE_IRQCHIP, 0)         = 0ioctl(3, KVM_CHECK_EXTENSION, 0x1a)     = 0

（2）一个 KVM 虚机即一个 Linux qemu-kvm 进程，与其他 Linux 进程一样被Linux 进程调度器调度。

（3）KVM 虚机包括虚拟内存、虚拟CPU和虚机 I/O设备，其中，内存和 CPU 的虚拟化由 KVM 内核模块负责实现，I/O 设备的虚拟化由 QEMU 负责实现。

（3）KVM户机系统的内存是 qumu-kvm 进程的地址空间的一部分。

（4）KVM 虚机的 vCPU 作为 线程运行在 qemu-kvm 进程的上下文中。

vCPU、QEMU 进程、LInux 进程调度和物理CPU之间的逻辑关系：

2.2.2 因为 CPU 中的虚拟化功能的支持，并不存在虚拟的 CPU，KVM Guest 代码是运行在物理 CPU 之上

    根据上面的 1.3 章节，支持虚拟化的 CPU 中都增加了新的功能。以 Intel VT 技术为例，它增加了两种运行模式：VMX root 模式和 VMX nonroot 模式。通常来讲，主机操作系统和 VMM 运行在 VMX root 模式中，客户机操作系统及其应用运行在 VMX nonroot 模式中。因为两个模式都支持所有的 ring，因此，客户机可以运行在它所需要的 ring 中（OS 运行在 ring 0 中，应用运行在 ring 3 中），VMM 也运行在其需要的 ring 中 （对 KVM 来说，QEMU 运行在 ring 3，KVM 运行在 ring 0）。CPU 在两种模式之间的切换称为 VMX 切换。从 root mode 进入 nonroot mode，称为 VM entry；从 nonroot mode 进入 root mode，称为 VM exit。可见，CPU 受控制地在两种模式之间切换，轮流执行 VMM 代码和 Guest OS 代码。

  对 KVM 虚机来说，运行在 VMX Root Mode 下的 VMM 在需要执行 Guest OS 指令时执行 VMLAUNCH 指令将 CPU 转换到 VMX non-root mode，开始执行客户机代码，即 VM entry 过程；在 Guest OS 需要退出该 mode 时，CPU 自动切换到 VMX Root mode，即 VM exit 过程。可见，KVM 客户机代码是受 VMM 控制直接运行在物理 CPU 上的。QEMU 只是通过 KVM 控制虚机的代码被 CPU 执行，但是它们本身并不执行其代码。也就是说，CPU 并没有真正的被虚级化成虚拟的 CPU 给客户机使用。

 这篇文章 是关于 vSphere 中 CPU 虚拟化的，我觉得它和 KVM CPU 虚拟化存在很大的一致。下图是使用 2 socket 2 core 共 4 个 vCPU 的情形：

   几个概念：socket （颗，CPU 的物理单位），core （核，每个 CPU 中的物理内核），thread （超线程，通常来说，一个 CPU core 只提供一个 thread，这时客户机就只看到一个 CPU；但是，超线程技术实现了 CPU 核的虚拟化，一个核被虚拟化出多个逻辑 CPU，可以同时运行多个线程）。 

  上图分三层，他们分别是是VM层，VMKernel层和物理层。对于物理服务器而言，所有的CPU资源都分配给单独的操作系统和上面运行的应用。应用将请求先发送给操作系统，然后操作系统调度物理的CPU资源。在虚拟化平台比如 KVM 中，在VM层和物理层之间加入了VMkernel层，从而允许所有的VM共享物理层的资源。VM上的应用将请求发送给VM上的操作系统，然后操纵系统调度Virtual CPU资源（操作系统认为Virtual CPU和物理 CPU是一样的），然后VMkernel层对多个物理CPU Core进行资源调度，从而满足Virtual CPU的需要。在虚拟化平台中OS CPU Scheduler和Hyperviisor CPU Scheduler都在各自的领域内进行资源调度。 

   KVM 中，可以指定 socket，core 和 thread 的数目，比如 设置 “-smp 5,sockets=5,cores=1,threads=1”，则 vCPU 的数目为 5*1*1 = 5。客户机看到的是基于 KVM vCPU 的 CPU 核，而 vCPU 作为 QEMU 线程被 Linux 作为普通的线程/轻量级进程调度到物理的 CPU 核上。至于你是该使用多 socket 和 多core，这篇文章 有仔细的分析，其结论是在 VMware ESXi 上，性能没什么区别，只是某些客户机操作系统会限制物理 CPU 的数目，这种情况下，可以使用少 socket 多 core。

2.2.3 客户机系统的代码是如何运行的

 一个普通的 Linux 内核有两种执行模式：内核模式（Kenerl）和用户模式 （User）。为了支持带有虚拟化功能的 CPU，KVM 向 Linux 内核增加了第三种模式即客户机模式（Guest），该模式对应于 CPU 的 VMX non-root mode。

KVM 内核模块作为 User mode 和 Guest mode 之间的桥梁：

• User mode 中的 QEMU-KVM 会通过 ICOTL 命令来运行虚拟机

• KVM 内核模块收到该请求后，它先做一些准备工作，比如将 VCPU 上下文加载到 VMCS （virtual machine control structure）等，然后驱动 CPU 进入 VMX non-root 模式，开始执行客户机代码

三种模式的分工为：

• Guest 模式：执行客户机系统非 I/O 代码，并在需要的时候驱动 CPU 退出该模式

• Kernel 模式：负责将 CPU 切换到 Guest mode 执行 Guest OS 代码，并在 CPU 退出  Guest mode 时回到 Kenerl 模式

• User 模式：代表客户机系统执行 I/O 操作

(来源)

QEMU-KVM 相比原生 QEMU 的改动：

• 原生的 QEMU 通过指令翻译实现 CPU 的完全虚拟化，但是修改后的 QEMU-KVM 会调用 ICOTL 命令来调用 KVM 模块。

• 原生的 QEMU 是单线程实现，QEMU-KVM 是多线程实现。

主机 Linux 将一个虚拟视作一个 QEMU 进程，该进程包括下面几种线程：

• I/O 线程用于管理模拟设备

• vCPU 线程用于运行 Guest 代码

• 其它线程，比如处理 event loop，offloaded tasks 等的线程

在我的测试环境中（RedHata Linux 作 Hypervisor）：

smp 设置的值	线程数	线程
4	8	1 个主线程（I/O 线程）、4 个 vCPU 线程、3 个其它线程
6	10	1 个主线程（I/O 线程）、6 个 vCPU 线程、3 个其它线程

这篇文章 谈谈了这些线程的情况。

(来源)

客户机代码执行（客户机线程）	I/O 线程	非 I/O 线程
虚拟CPU（主机 QEMU 线程）	QEMU I/O 线程	QEMU vCPU 线程
物理 CPU	物理 CPU 的 VMX non-root 模式中	物理 CPU 的 VMX non-root 模式中

2.2.4 从客户机线程到物理 CPU 的两次调度

要将客户机内的线程调度到某个物理 CPU，需要经历两个过程：

1. 客户机线程调度到客户机物理CPU 即 KVM vCPU，该调度由客户机操作系统负责，每个客户机操作系统的实现方式不同。在 KVM 上，vCPU 在客户机系统看起来就像是物理 CPU，因此其调度方法也没有什么不同。

2. vCPU 线程调度到物理 CPU 即主机物理 CPU，该调度由 Hypervisor 即 Linux 负责。

    KVM 使用标准的 Linux 进程调度方法来调度 vCPU 进程。Linux 系统中，线程和进程的区别是 进程有独立的内核空间，线程是代码的执行单位，也就是调度的基本单位。Linux 中，线程是就是轻量级的进程，也就是共享了部分资源(地址空间、文件句柄、信号量等等)的进程，所以线程也按照进程的调度方式来进行调度。

（1）Linux 进程调度原理可以参考 这篇文章 和 这篇文章。通常情况下，在SMP系统中，Linux内核的进程调度器根据自有的调度策略将系统中的一个可运行（runable）进程调度到某个CPU上执行。下面是 Linux 进程的状态机：

（2）处理器亲和性：可以设置 vCPU 在指定的物理 CPU 上运行，具体可以参考这篇文章 和 这篇文章。

    根据 Linux 进程调度策略，可以看出，在 Linux 主机上运行的 KVM 客户机 的总 vCPU 数目最好是不要超过物理 CPU 内核数，否则，会出现线程间的 CPU 内核资源竞争，导致有虚机因为 vCPU 进程等待而导致速度很慢。

关于这两次调度，业界有很多的研究，比如上海交大的论文 Schedule Processes, not VCPUs 提出动态地减少 vCPU 的数目即减少第二次调度。

另外，这篇文章 谈到的是 vSphere CPU 的调度方式，有空的时候可以研究下并和 KVM vCPU 的调度方式进行比较。

2.3 客户机CPU结构和模型

KVM 支持 SMP 和 NUMA 多CPU架构的主机和客户机。对 SMP 类型的客户机，使用 “-smp”参数：

-smp [,cores=][,threads=][,sockets=][,maxcpus=]

对 NUMA 类型的客户机，使用 “-numa”参数：

-numa [,mem=][,cpus=]][,nodeid=]

 

CPU 模型 （models）定义了哪些主机的 CPU 功能 （features）会被暴露给客户机操作系统。为了在具有不同 CPU 功能的主机之间做安全的迁移，qemu-kvm 往往不会将主机CPU的所有功能都暴露给客户机。其原理如下：

 

你可以运行 qemu-kvm -cpu ? 命令来获取主机所支持的 CPU 模型列表。

[root@rh65 s1]# kvm -cpu ?x86       Opteron_G5  AMD Opteron 63xx class CPU                      
x86       Opteron_G4  AMD Opteron 62xx class CPU                      
x86       Opteron_G3  AMD Opteron 23xx (Gen 3 Class Opteron)          
x86       Opteron_G2  AMD Opteron 22xx (Gen 2 Class Opteron)          
x86       Opteron_G1  AMD Opteron 240 (Gen 1 Class Opteron)           
x86          Haswell  Intel Core Processor (Haswell)                  
x86      SandyBridge  Intel Xeon E312xx (Sandy Bridge)                
x86         Westmere  Westmere E56xx/L56xx/X56xx (Nehalem-C)          
x86          Nehalem  Intel Core i7 9xx (Nehalem Class Core i7)       
x86           Penryn  Intel Core 2 Duo P9xxx (Penryn Class Core 2)    
x86           Conroe  Intel Celeron_4x0 (Conroe/Merom Class Core 2)   
x86      cpu64-rhel5  QEMU Virtual CPU version (cpu64-rhel5)          
x86      cpu64-rhel6  QEMU Virtual CPU version (cpu64-rhel6)          
x86             n270  Intel(R) Atom(TM) CPU N270   @ 1.60GHz          
x86           athlon  QEMU Virtual CPU version 0.12.1                 x86         pentium3                                                  
x86         pentium2                                                  
x86          pentium                                                  
x86              486                                                  x86          coreduo  Genuine Intel(R) CPU           T2600  @ 2.16GHz 
x86           qemu32  QEMU Virtual CPU version 0.12.1                 x86            kvm64  Common KVM processor                            
x86         core2duo  Intel(R) Core(TM)2 Duo CPU     T7700  @ 2.40GHz 
x86           phenom  AMD Phenom(tm) 9550 Quad-Core Processor         
x86           qemu64  QEMU Virtual CPU version 0.12.1                 Recognized CPUID flags:
  f_edx: pbe ia64 tm ht ss sse2 sse fxsr mmx acpi ds clflush pn pse36 pat cmov mca pge mtrr sep apic cx8 mce pae msr tsc pse de vme fpu
  f_ecx: hypervisor rdrand f16c avx osxsave xsave aes tsc-deadline popcnt movbe x2apic sse4.2|sse4_2 sse4.1|sse4_1 dca pcid pdcm xtpr cx16 fma cid ssse3 tm2 est smx vmx ds_cpl monitor dtes64 pclmulqdq|pclmuldq pni|sse3
  extf_edx: 3dnow 3dnowext lm|i64 rdtscp pdpe1gb fxsr_opt|ffxsr fxsr mmx mmxext nx|xd pse36 pat cmov mca pge mtrr syscall apic cx8 mce pae msr tsc pse de vme fpu
  extf_ecx: perfctr_nb perfctr_core topoext tbm nodeid_msr tce fma4 lwp wdt skinit xop ibs osvw 3dnowprefetch misalignsse sse4a abm cr8legacy extapic svm cmp_legacy lahf_lm
[root@rh65 s1]#

    每个 Hypervisor 都有自己的策略，来定义默认上哪些CPU功能会被暴露给客户机。至于哪些功能会被暴露给客户机系统，取决于客户机的配置。qemu32 和 qemu64 是基本的客户机 CPU 模型，但是还有其他的模型可以使用。你可以使用 qemu-kvm 命令的 -cpu 参数来指定客户机的 CPU 模型，还可以附加指定的 CPU 特性。"-cpu" 会将该指定 CPU 模型的所有功能全部暴露给客户机，即使某些特性在主机的物理CPU上不支持，这时候QEMU/KVM 会模拟这些特性，因此，这时候也许会出现一定的性能下降。 

RedHat Linux 6 上使用默认的 cpu64-rhe16 作为客户机 CPU model：

你可以指定特定的 CPU model 和 feature：

qemu-kvm -cpu Nehalem,+aes

 

你也可以直接使用 -cpu host，这样的话会客户机使用和主机相同的 CPU model。

2.4 客户机 vCPU 数目的分配方法

1. 不是客户机的 vCPU 越多，其性能就越好，因为线程切换会耗费大量的时间；应该根据负载需要分配最少的 vCPU。

2. 主机上的客户机的 vCPU 总数不应该超过物理 CPU 内核总数。不超过的话，就不存在 CPU 竞争，每个 vCPU 线程在一个物理 CPU 核上被执行；超过的话，会出现部分线程等待 CPU 以及一个 CPU 核上的线程之间的切换，这会有 overhead。

3. 将负载分为计算负载和 I/O 负载，对计算负载，需要分配较多的 vCPU，甚至考虑 CPU 亲和性，将指定的物理 CPU 核分给给这些客户机。

这篇文章 （http://my.oschina.net/chape/blog/173981） 介绍了一些指导性方法，摘要如下：

我们来假设一个主机有 2 个socket，每个 socket 有 4 个core。主频2.4G MHZ 那么一共可用的资源是 2*4*2.4G= 19.2G MHZ。假设主机上运行了三个VM，VM1和VM2设置为1socket*1core，VM3设置为1socket*2core。那么VM1和VM2分别有1个vCPU，而VM3有2个vCPU。假设其他设置为缺省设置。

那么三个VM获得该主机CPU资源分配如下：VM1：25%； VM2：25%； VM3:50%

 假设运行在VM3上的应用支持多线程，那么该应用可以充分利用到所非配的CPU资源。2vCPU的设置是合适的。假设运行在VM3上的应用不支持多线程，该应用根本无法同时使用利用2个vCPU. 与此同时，VMkernal层的CPU Scheduler必须等待物理层中两个空闲的pCPU，才开始资源调配来满足2个vCPU的需要。在仅有2vCPU的情况下，对该VM的性能不会有太大负面影响。但如果分配4vCPU或者更多，这种资源调度上的负担有可能会对该VM上运行的应用有很大负面影响。

确定 vCPU 数目的步骤。假如我们要创建一个VM，以下几步可以帮助确定合适的vCPU数目

1 了解应用并设置初始值

    该应用是否是关键应用，是否有Service Level Agreement。一定要对运行在虚拟机上的应用是否支持多线程深入了解。咨询应用的提供商是否支持多线程和SMP（Symmetricmulti-processing）。参考该应用在物理服务器上运行时所需要的CPU个数。如果没有参照信息，可设置1vCPU作为初始值，然后密切观测资源使用情况。

2 观测资源使用情况

    确定一个时间段，观测该虚拟机的资源使用情况。时间段取决于应用的特点和要求，可以是数天，甚至数周。不仅观测该VM的CPU使用率，而且观测在操作系统内该应用对CPU的占用率。特别要区分CPU使用率平均值和CPU使用率峰值。

     假如分配有4个vCPU，如果在该VM上的应用的CPU

• 使用峰值等于25%， 也就是仅仅能最多使用25%的全部CPU资源，说明该应用是单线程的，仅能够使用一个vCPU （4 * 25% = 1 ）

• 平均值小于38%，而峰值小于45%，考虑减少 vCPU 数目

• 平均值大于75%，而峰值大于90%，考虑增加 vCPU 数目

3 更改vCPU数目并观测结果

每次的改动尽量少，如果可能需要4vCPU，先设置2vCPU在观测性能是否可以接受。

2. KVM 内存虚拟化

2.1 内存虚拟化的概念

    除了 CPU 虚拟化，另一个关键是内存虚拟化，通过内存虚拟化共享物理系统内存，动态分配给虚拟机。虚拟机的内存虚拟化很象现在的操作系统支持的虚拟内存方式，应用程序看到邻近的内存地址空间，这个地址空间无需和下面的物理机器内存直接对应，操作系统保持着虚拟页到物理页的映射。现在所有的 x86 CPU 都包括了一个称为内存管理的模块MMU（Memory Management Unit）和 TLB(Translation Lookaside Buffer)，通过MMU和TLB来优化虚拟内存的性能。

 

   KVM 实现客户机内存的方式是，利用mmap系统调用，在QEMU主线程的虚拟地址空间中申明一段连续的大小的空间用于客户机物理内存映射。

 

（图片来源 HVA 同下面的 MA，GPA 同下面的 PA，GVA 同下面的 VA）

 

在有两个虚机的情况下，情形是这样的：

 

 

可见，KVM 为了在一台机器上运行多个虚拟机，需要增加一个新的内存虚拟化层，也就是说，必须虚拟 MMU 来支持客户操作系统，来实现 VA -> PA -> MA 的翻译。客户操作系统继续控制虚拟地址到客户内存物理地址的映射 （VA -> PA），但是客户操作系统不能直接访问实际机器内存，因此VMM 需要负责映射客户物理内存到实际机器内存 （PA -> MA）。

 

VMM 内存虚拟化的实现方式：

• 软件方式：通过软件实现内存地址的翻译，比如 Shadow page table （影子页表）技术

• 硬件实现：基于 CPU 的辅助虚拟化功能，比如 AMD 的 NPT 和 Intel 的 EPT 技术 

影子页表技术：

 

 

 

2.2 KVM 内存虚拟化

 KVM 中，虚机的物理内存即为 qemu-kvm 进程所占用的内存空间。KVM 使用 CPU 辅助的内存虚拟化方式。在 Intel 和 AMD 平台，其内存虚拟化的实现方式分别为：

• AMD 平台上的 NPT （Nested Page Tables） 技术

• Intel 平台上的 EPT （Extended Page Tables）技术

EPT 和 NPT采用类似的原理，都是作为 CPU 中新的一层，用来将客户机的物理地址翻译为主机的物理地址。关于 EPT， Intel 官方文档中的技术如下（实在看不懂...）

EPT的好处是，它的两阶段记忆体转换，特点就是将 Guest Physical Address → System Physical Address，VMM不用再保留一份 SPT (Shadow Page Table)，以及以往还得经过 SPT 这个转换过程。除了降低各部虚拟机器在切换时所造成的效能损耗外，硬体指令集也比虚拟化软体处理来得可靠与稳定。

2.3 KSM （Kernel SamePage Merging 或者 Kernel Shared Memory）

KSM 在 Linux 2.6.32 版本中被加入到内核中。

2.3.1 原理

其原理是，KSM 作为内核中的守护进程（称为 ksmd）存在，它定期执行页面扫描，识别副本页面并合并副本，释放这些页面以供它用。因此，在多个进程中，Linux将内核相似的内存页合并成一个内存页。这个特性，被KVM用来减少多个相似的虚拟机的内存占用，提高内存的使用效率。由于内存是共享的，所以多个虚拟机使用的内存减少了。这个特性，对于虚拟机使用相同镜像和操作系统时，效果更加明显。但是，事情总是有代价的，使用这个特性，都要增加内核开销，用时间换空间。所以为了提高效率，可以将这个特性关闭。

2.3.2 好处

其好处是，在运行类似的客户机操作系统时，通过 KSM，可以节约大量的内存，从而可以实现更多的内存超分，运行更多的虚机。 

2.3.3 合并过程

（1）初始状态：

（2）合并后：

（3）Guest 1 写内存后：

2.4  KVM Huge Page Backed Memory （巨页内存技术）

这是KVM虚拟机的又一个优化技术.。Intel 的 x86 CPU 通常使用4Kb内存页，当是经过配置，也能够使用巨页(huge page): (4MB on x86_32, 2MB on x86_64 and x86_32 PAE)

使用巨页，KVM的虚拟机的页表将使用更少的内存，并且将提高CPU的效率。最高情况下，可以提高20%的效率！

使用方法，需要三部：

mkdir /dev/hugepages

mount -t hugetlbfs hugetlbfs /dev/hugepages

#保留一些内存给巨页
sysctl vm.nr_hugepages=2048 （使用 x86_64 系统时，这相当于从物理内存中保留了2048 x 2M = 4GB 的空间来给虚拟机使用）

#给 kvm 传递参数 hugepages
qemu-kvm - qemu-kvm -mem-path /dev/hugepages

也可以在配置文件里加入：

验证方式，当虚拟机正常启动以后，在物理机里查看：

cat /proc/meminfo |grep -i hugepages

 老外的一篇文档，他使用的是libvirt方式，先让libvirtd进程使用hugepages空间，然后再分配给虚拟机。

 

参考资料：

http://www.cnblogs.com/xusongwei/archive/2012/07/30/2615592.html

https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-vt/

http://www.slideshare.net/HwanjuKim/3cpu-virtualization-and-scheduling

http://www.cse.iitb.ac.in/~puru/courses/autumn12/cs695/classes/kvm-overview.pdf

http://www.linux-kvm.com/content/using-ksm-kernel-samepage-merging-kvm

http://blog.csdn.net/summer_liuwei/article/details/6013255

http://blog.pchome.net/article/458429.html

http://blog.chinaunix.net/uid-20794164-id-3601787.html

虚拟化技术性能比较和分析，周斌，张莹

http://wiki.qemu.org/p_w_picpaths/c/c8/Cpu-models-and-libvirt-devconf-2014.pdf

http://frankdenneman.nl/2011/01/11/beating-a-dead-horse-using-cpu-affinity/

KVM 介绍（3）：I/O 全虚拟化和准虚拟化 [KVM I/O QEMU Full-Virtualizaiton Para-virtualization]

学习 KVM 的系列文章： 

• （1）介绍和安装

• （2）CPU 和 内存虚拟化

• （3）I/O QEMU 全虚拟化和准虚拟化（Para-virtulizaiton）

• （4）I/O PCI/PCIe设备直接分配和 SR-IOV

• （5）libvirt 介绍

• （6）Nova 通过 libvirt 管理 QEMU/KVM 虚机

• （7）快照 （snapshot）

• （8）迁移 （migration）

 

在 QEMU/KVM 中，客户机可以使用的设备大致可分为三类：

1. 模拟设备：完全由 QEMU 纯软件模拟的设备。

2. Virtio 设备：实现 VIRTIO API 的半虚拟化设备。

3. PCI 设备直接分配 （PCI device assignment） 。

1. 全虚拟化 I/O 设备

KVM 在 IO 虚拟化方面，传统或者默认的方式是使用 QEMU 纯软件的方式来模拟 I/O 设备，包括键盘、鼠标、显示器，硬盘 和 网卡 等。模拟设备可能会使用物理的设备，或者使用纯软件来模拟。模拟设备只存在于软件中。 

1.1 原理

 

过程：

1. 客户机的设备驱动程序发起 I/O 请求操作请求

2. KVM 模块中的 I/O 操作捕获代码拦截这次 I/O 请求

3. 经过处理后将本次 I/O 请求的信息放到 I/O 共享页 （sharing page），并通知用户空间的 QEMU 程序。

4. QEMU 程序获得 I/O 操作的具体信息之后，交由硬件模拟代码来模拟出本次 I/O 操作。

5. 完成之后，QEMU 将结果放回 I/O 共享页，并通知 KMV 模块中的 I/O 操作捕获代码。

6. KVM 模块的捕获代码读取 I/O 共享页中的操作结果，并把结果放回客户机。 

注意：当客户机通过DMA （Direct Memory Access）访问大块I/O时，QEMU 模拟程序将不会把结果放进共享页中，而是通过内存映射的方式将结果直接写到客户机的内存中共，然后通知KVM模块告诉客户机DMA操作已经完成。

 

这种方式的优点是可以模拟出各种各样的硬件设备；其缺点是每次 I/O 操作的路径比较长，需要多次上下文切换，也需要多次数据复制，所以性能较差。 

1.2 QEMU 模拟网卡的实现

Qemu 纯软件的方式来模拟I/O设备，其中包括经常使用的网卡设备。Guest OS启动命令中没有传入的网络配置时，QEMU默认分配 rtl8139 类型的虚拟网卡类型，使用的是默认用户配置模式，这时候由于没有具体的网络模式的配置，Guest的网络功能是有限的。 全虚拟化情况下，KVM虚机可以选择的网络模式包括：

1. 默认用户模式（User）；

2. 基于网桥(Bridge)的模式；

3. 基于NAT(Network Address Translation)的模式；

分别使用的 qemu-kvm 参数为：

• -net user[,vlan=n]：使用用户模式网络堆栈,这样就不需要管理员权限来运行.如果没有指 定-net选项,这将是默认的情况.-net tap[,vlan=n][,fd=h]

• -net nic[,vlan=n][,macaddr=addr]：创建一个新的网卡并与VLAN n(在默认的情况下n=0)进行连接。作为可选项的项目,MAC地址可以进行改变.如果 没有指定-net选项,则会创建一个单一的NIC.

• -net tap[,vlan=n][,fd=h][,ifname=name][,script=file]：将TAP网络接口 name 与 VLAN n 进行连接,并使用网络配置脚本文件进行 配置。默认的网络配置脚本为/etc/qemu-ifup。如果没有指定name,OS 将会自动指定一个。fd=h可以用来指定一个已经打开的TAP主机接口的句柄。

网桥模式是目前比较简单，也是用的比较多的模式，下图是网桥模式下的 VM的收发包的流程。

如图中所示，红色箭头表示数据报文的入方向，步骤：

1. 网络数据从 Host 上的物理网卡接收，到达网桥；

2. 由于 eth0 与 tap1 均加入网桥中，根据二层转发原则，br0 将数据从 tap1 口转发出去，即数据由 Tap设备接收；

3. Tap 设备通知对应的 fd 数据可读；

4. fd 的读动作通过 tap 设备的字符设备驱动将数据拷贝到用户空间，完成数据报文的前端接收。

（引用自 http://luoye.me/2014/07/17/netdev-virtual-1/）

 1.3 RedHat Linux 6 中提供的模拟设备

• 模拟显卡：提供2块模拟显卡。

• 系统组件：

  • ntel i440FX host PCI bridge

  • PIIX3 PCI to ISA bridge

  • PS/2 mouse and keyboard

  • EvTouch USB Graphics Tablet

  • PCI UHCI USB controller and a virtualized USB hub

  • Emulated serial ports

  • EHCI controller, virtualized USB storage and a USB mouse

• 模拟的声卡：intel-hda

• 模拟网卡：e1000，模拟 Intel E1000 网卡；rtl8139，模拟 RealTeck 8139 网卡。

• 模拟存储卡：两块模拟 PCI IDE 接口卡。KVM  限制每个虚拟机最多只能有4块虚拟存储卡。还有模拟软驱。

注意：RedHat Linux KVM 不支持 SCSI 模拟。

在不显式指定使用其它类型设备的情况下，KVM 虚机将使用这些默认的虚拟设备。比如上面描述的默认情况下 KVM 虚机默认使用rtl8139网卡。比如，在 RedHat Linxu 6.5 主机上启动KVM RedHat Linux 6.4 虚机后，登录虚机，查看 pci 设备，可以看到这些模拟设备：

 

当使用 “-net nic,model=e1000” 指定网卡model 为 e1000 时，

1.4 qemu-kvm 关于磁盘设备和网络的主要选项

类型	选项
磁盘设备（软盘、硬盘、CDROM等）	-drive option[,option[,option[,...]]]：定义一个硬盘设备；可用子选项有很多。     file=/path/to/somefile：硬件映像文件路径；     if=interface：指定硬盘设备所连接的接口类型，即控制器类型，如ide、scsi、sd、mtd、floppy、pflash及virtio等；     index=index：设定同一种控制器类型中不同设备的索引号，即标识号；     media=media：定义介质类型为硬盘(disk)还是光盘(cdrom)；         format=format：指定映像文件的格式，具体格式可参见qemu-img命令； -boot [order=drives][,once=drives][,menu=on|off]：定义启动设备的引导次序，每种设备使用一个字符表示；不同的架构所支持的设备及其表示字符不尽相同，在x86 PC架构上，a、b表示软驱、c表示第一块硬盘，d表示第一个光驱设备，n-p表示网络适配器；默认为硬盘设备(-boot order=dc,once=d)
网络	-net nic[,vlan=n][,macaddr=mac][,model=type][,name=name][,addr=addr][,vectors=v]：创建一个新的网卡设备并连接至vlan n中；PC架构上默认的NIC为e1000，macaddr用于为其指定MAC地址，name用于指定一个在监控时显示的网上设备名称；emu可以模拟多个类型的网卡设备；可以使用“qemu-kvm -net nic,model=?”来获取当前平台支持的类型； -net tap[,vlan=n][,name=name][,fd=h][,ifname=name][,script=file][,downscript=dfile]：通过物理机的TAP网络接口连接至vlan n中，使用script=file指定的脚本(默认为/etc/qemu-ifup)来配置当前网络接口，并使用downscript=file指定的脚本(默认为/etc/qemu-ifdown)来撤消接口配置；使用script=no和downscript=no可分别用来禁止执行脚本； -net user[,option][,option][,...]：在用户模式配置网络栈，其不依赖于管理权限；有效选项有： vlan=n：连接至vlan n，默认n= 0 ； name=name：指定接口的显示名称，常用于监控模式中； net=addr[/mask]：设定GuestOS可见的IP网络，掩码可选，默认为 10.0 . 2.0 / 8 ； host=addr：指定GuestOS中看到的物理机的IP地址，默认为指定网络中的第二个，即x.x.x. 2 ； dhcpstart=addr：指定DHCP服务地址池中 16 个地址的起始IP，默认为第 16 个至第 31 个，即x.x.x. 16 -x.x.x. 31 ； dns=addr：指定GuestOS可见的dns服务器地址；默认为GuestOS网络中的第三个地址，即x.x.x. 3 ； tftp=dir：激活内置的tftp服务器，并使用指定的dir作为tftp服务器的默认根目录； bootfile=file：BOOTP文件名称，用于实现网络引导GuestOS；如：qemu -hda linux.img -boot n -net user,tftp=/tftpserver/pub,bootfile=/pxelinux. 0

 对于网卡来说，你可以使用 modle 参数指定虚拟网络的类型。 RedHat Linux 6 所支持的虚拟网络类型有：

[root@rh65 isop_w_picpaths]# kvm -net nic,model=?qemu: Supported NIC models: ne2k_pci,i82551,i82557b,i82559er,rtl8139,e1000,pcnet,virtio

2. 准虚拟化 （Para-virtualizaiton） I/O 驱动 virtio

在 KVM 中可以使用准虚拟化驱动来提供客户机的I/O 性能。目前 KVM 采用的的是 virtio 这个 Linux 上的设备驱动标准框架，它提供了一种 Host 与 Guest 交互的 IO 框架。

2.1 virtio 的架构

 KVM/QEMU 的 vitio 实现采用在 Guest OS 内核中安装前端驱动 （Front-end driver）和在 QEMU 中实现后端驱动（Back-end）的方式。前后端驱动通过 vring 直接通信，这就绕过了经过 KVM 内核模块的过程，达到提高 I/O 性能的目的。

 

 

纯软件模拟的设备和 Virtio 设备的区别：virtio 省去了纯模拟模式下的异常捕获环节，Guest OS 可以和 QEMU 的 I/O 模块直接通信。

 

 

使用 Virtio 的完整虚机 I/O流程：

 

 

Host 数据发到 Guest：

1. KVM 通过中断的方式通知 QEMU 去获取数据，放到 virtio queue 中

2. KVM 再通知 Guest 去 virtio queue 中取数据。

2.2 Virtio 在 Linux 中的实现

 Virtio 是在半虚拟化管理程序中的一组通用模拟设备的抽象。这种设计允许管理程序通过一个应用编程接口 （API）对外提供一组通用模拟设备。通过使用半虚拟化管理程序，客户机实现一套通用的接口，来配合后面的一套后端设备模拟。后端驱动不必是通用的，只要它们实现了前端所需的行为。因此，Virtio 是一个在 Hypervisor 之上的抽象API接口，让客户机知道自己运行在虚拟化环境中，进而根据 virtio 标准与 Hypervisor 协作，从而客户机达到更好的性能。

• 前端驱动：客户机中安装的驱动程序模块

• 后端驱动：在 QEMU 中实现，调用主机上的物理设备，或者完全由软件实现。

• virtio 层：虚拟队列接口，从概念上连接前端驱动和后端驱动。驱动可以根据需要使用不同数目的队列。比如 virtio-net 使用两个队列，virtio-block只使用一个队列。该队列是虚拟的，实际上是使用 virtio-ring 来实现的。

• virtio-ring：实现虚拟队列的环形缓冲区

 

Linux 内核中实现的五个前端驱动程序：

• 块设备（如磁盘）

• 网络设备

• PCI 设备

• 气球驱动程序（动态管理客户机内存使用情况）

• 控制台驱动程序

Guest OS 中，在不使用 virtio 设备的时候，这些驱动不会被加载。只有在使用某个 virtio 设备的时候，对应的驱动才会被加载。每个前端驱动器具有在管理程序中的相应的后端的驱动程序。

 

以 virtio-net 为例，解释其原理：

（1）virtio-net 的原理：

它使得：

1. 多个虚机共享主机网卡 eth0

2. QEMU 使用标准的 tun/tap 将虚机的网络桥接到主机网卡上

3. 每个虚机看起来有一个直接连接到主机PCI总线上的私有 virtio 网络设备

4. 需要在虚机里面安装 virtio驱动

（2）virtio-net 的流程：

 

总结 Virtio 的优缺点：

• 优点：更高的IO性能，几乎可以和原生系统差不多。

• 缺点：客户机必须安装特定的 virtio 驱动。一些老的 Linux 还没有驱动支持，一些 Windows 需要安装特定的驱动。不过，较新的和主流的OS都有驱动可以下载了。Linux 2.6.24+ 都默认支持 virtio。可以使用 lsmod | grep virtio 查看是否已经加载。

2.3 使用 virtio 设备 （以 virtio-net 为例）

使用 virtio 类型的设备比较简单。较新的 Linux 版本上都已经安装好了 virtio 驱动，而 Windows 的驱动需要自己下载安装。

（1）检查主机上是否支持 virtio 类型的网卡设备

[root@rh65 isop_w_picpaths]# kvm -net nic,model=?qemu: Supported NIC models: ne2k_pci,i82551,i82557b,i82559er,rtl8139,e1000,pcnet,virtio

（2）指定网卡设备model 为 virtio，启动虚机

（3）通过 vncviewer 登录虚机，能看到被加载了的 virtio-net 需要的内核模块

（4）查看 pci 设备

其它 virtio 类型的设备的使用方式类似 virtio-net。

2.4 vhost-net （kernel-level virtio server）

  前面提到 virtio 在宿主机中的后端处理程序（backend）一般是由用户空间的QEMU提供的，然而如果对于网络 I/O 请求的后端处理能够在在内核空间来完成，则效率会更高，会提高网络吞吐量和减少网络延迟。在比较新的内核中有一个叫做 “vhost-net” 的驱动模块，它是作为一个内核级别的后端处理程序，将virtio-net的后端处理任务放到内核空间中执行，减少内核空间到用户空间的切换，从而提高效率。

根据 KVM 官网的这篇文章，vhost-net 能提供更低的延迟（latency）（比 e1000 虚拟网卡低 10%），和更高的吞吐量（throughput）（8倍于普通 virtio，大概  7~8 Gigabits/sec )。

vhost-net 与 virtio-net 的比较：

vhost-net 的要求：

• qemu-kvm-0.13.0 或者以上

• 主机内核中设置 CONFIG_VHOST_NET=y 和在虚机操作系统内核中设置 CONFIG_PCI_MSI=y （Red Hat Enterprise Linux 6.1 开始支持该特性）

• 在客户机内使用 virtion-net 前段驱动

• 在主机内使用网桥模式，并且启动 vhost_net

qemu-kvm 命令的 -net tap 有几个选项和 vhost-net 相关的: -net tap,[,vnet_hdr=on|off][,vhost=on|off][,vhostfd=h][,vhostforce=on|off]

• vnet_hdr =on|off：设置是否打开TAP设备的“IFF_VNET_HDR”标识。“vnet_hdr=off”表示关闭这个标识；“vnet_hdr=on”则强制开启这个标识，如果没有这个标识的支持，则会触发错误。IFF_VNET_HDR是tun/tap的一个标识，打开它则允许发送或接受大数据包时仅仅做部分的校验和检查。打开这个标识，可以提高virtio_net驱动的吞吐量。

• vhost=on|off：设置是否开启vhost-net这个内核空间的后端处理驱动，它只对使用MIS-X中断方式的virtio客户机有效。

• vhostforce=on|off：设置是否强制使用 vhost 作为非MSI-X中断方式的Virtio客户机的后端处理程序。

• vhostfs=h：设置为去连接一个已经打开的vhost网络设备。

vhost-net 的使用实例：

（1）确保主机上 vhost-net 内核模块被加载了

（2）启动一个虚拟机，在客户机中使用 -net 定义一个 virtio-net 网卡，在主机端使用 -netdev 启动 vhost

（3）在虚拟机端，看到 virtio 网卡使用的 TAP 设备为 tap0。

（4）在宿主机中看 vhost-net 被加载和使用了，以及 Linux 桥 br0，它连接物理网卡 eth1 和 客户机使用的 TAP 设备 tap0

 

一般来说，使用 vhost-net 作为后端处理驱动可以提高网络的性能。不过，对于一些网络负载类型使用 vhost-net 作为后端，却可能使其性能不升反降。特别是从宿主机到其中的客户机之间的UDP流量，如果客户机处理接受数据的速度比宿主机发送的速度要慢，这时就容易出现性能下降。在这种情况下，使用vhost-net将会是UDP socket的接受缓冲区更快地溢出，从而导致更多的数据包丢失。故这种情况下，不使用vhost-net，让传输速度稍微慢一点，反而会提高整体的性能。

使用 qemu-kvm 命令行，加上“vhost=off”（或没有vhost选项）就会不使用vhost-net，而在使用libvirt时，需要对客户机的配置的XML文件中的网络配置部分进行如下的配置，指定后端驱动的名称为“qemu”（而不是“vhost”）。

…

   

   

…

2.6 virtio-balloon

另一个比较特殊的 virtio 设备是 virtio-balloon。通常来说，要改变客户机所占用的宿主机内存，要先关闭客户机，修改启动时的内存配置，然后重启客户机才可以实现。而 内存的 ballooning （气球）技术可以在客户机运行时动态地调整它所占用的宿主机内存资源，而不需要关闭客户机。该技术能够：

• 当宿主机内存紧张时，可以请求客户机回收利用已分配给客户机的部分内存，客户机就会释放部分空闲内存。若其内存空间不足，可能还会回收部分使用中的内存，可能会将部分内存换到交换分区中。

• 当客户机内存不足时，也可以让客户机的内存气球压缩，释放出内存气球中的部分内存，让客户机使用更多的内存。

目前很多的VMM，包括 KVM, Xen，VMware 等都对 ballooning 技术提供支持。其中，KVM 中的 Ballooning 是通过宿主机和客户机协同来实现的，在宿主机中应该使用 2.6.27 及以上版本的 Linux内核（包括KVM模块），使用较新的 qemu-kvm（如0.13版本以上），在客户机中也使用 2.6.27 及以上内核且将“CONFIG_VIRTIO_BALLOON”配置为模块或编译到内核。在很多Linux发行版中都已经配置有“CONFIG_VIRTIO_BALLOON=m”，所以用较新的Linux作为客户机系统，一般不需要额外配置virtio_balloon驱动，使用默认内核配置即可。

 

原理：

1. KVM 发送请求给 VM 让其归还一定数量的内存给KVM。

2. VM 的 virtio_balloon 驱动接到该请求。

3. VM 的驱动是客户机的内存气球膨胀，气球中的内存就不能被客户机使用。

4. VM 的操作系统归还气球中的内存给VMM

5. KVM 可以将得到的内存分配到任何需要的地方。

6. KM 也可以将内存返还到客户机中。

优势和不足：

 

优势	不足
ballooning 可以被控制和监控 对内存的调节很灵活，可多可少。 KVM 可以归还内存给客户机，从而缓解其内存压力。	需要客户机安装驱动 大量内存被回收时，会降低客户机的性能。 目前没有方便的自动化的机制来管理 ballooning，一般都在 QEMU 的 monitor 中执行命令来实现。 内存的动态增加或者减少，可能是内存被过度碎片化，从而降低内存使用性能。

在QEMU monitor中，提供了两个命令查看和设置客户机内存的大小。

• (qemu) info balloon    #查看客户机内存占用量（Balloon信息）

• (qemu) balloon num   #设置客户机内存占用量为numMB

使用实例：

 （1）启动一个虚机，内存为 2048M，启用 virtio-balloon

（2）通过 vncviewer 进入虚机，查看 pci 设备

（3）看看内存情况，共 2G 内存

（4）进入 QEMU Monitor，调整 balloon 内存为 500M

（5）回到虚机，查看内存，变为 500 M

 2.7 RedHat 的 多队列 Virtio （multi-queue）

    目前的高端服务器都有多个处理器，虚拟使用的虚拟CPU数目也不断增加。默认的 virtio-net 不能并行地传送或者接收网络包，因为 virtio_net 只有一个TX 和 RX 队列。而多队列 virtio-net 提供了一个随着虚机的虚拟CPU增加而增强网络性能的方法，通过使得 virtio 可以同时使用多个 virt-queue 队列。

 

它在以下情况下具有明显优势：

1. 网络流量非常大

2. 虚机同时有非常多的网络连接，包括虚拟机之间的、虚机到主机的、虚机到外部系统的等

3. virtio 队列的数目和虚机的虚拟CPU数目相同。这是因为多队列能够使得一个队列独占一个虚拟CPU。

注意：对队列 virtio-net 对流入的网络流工作得非常好，但是对外发的数据流偶尔会降低性能。打开对队列 virtio 会增加中的吞吐量，这相应地会增加CPU的负担。 在实际的生产环境中需要做必须的测试后才确定是否使用。

 

在 RedHat 中，要使用多队列 virtio-net，在虚机的 XML 文件中增加如下配置：

然后在主机上运行下面的命令：

ethtool -L eth0 combined M ( 1 <= M <= N)

2.8 Windows 客户机的 virtio 前端驱动

Windows 客户机下的 virtio 前端驱动必须下载后手工安装。 RedHat Linux 这篇文章 说明了在 Windows 客户机内安装virtio 驱动的方法。

 

参考文档：

• http://linux.web.cern.ch/linux/centos7/docs/rhel/Red_Hat_Enterprise_Linux-7-Virtualization_Tuning_and_Optimization_Guide-en-US.pdf

• http://toast.djw.org.uk/qemu.html

• KVM 官方文档

• KVM 虚拟化技术实战与解析 任永杰、单海涛 著

• RedHat Linux 6 官方文档

• http://www.slideshare.net 中关于 KVM 的一些文档

• http://www.linux-kvm.org/page/Multiqueue

• 以及部分来自于网络，比如 http://smilejay.com/2012/11/use-ballooning-in-kvm/

KVM 介绍（4）：I/O 设备直接分配和 SR-IOV [KVM PCI/PCIe Pass-Through SR-IOV]

学习 KVM 的系列文章： 

• （1）介绍和安装

• （2）CPU 和 内存虚拟化

• （3）I/O QEMU 全虚拟化和准虚拟化（Para-virtulizaiton）

• （4）I/O PCI/PCIe设备直接分配和 SR-IOV

• （5）libvirt 介绍

• （6）Nova 通过 libvirt 管理 QEMU/KVM 虚机

• （7）快照 （snapshot）

• （8）迁移 （migration）

本文将分析 PCI/PCIe 设备直接分配（Pass-through）和 SR-IOV， 以及三种 I/O 虚拟化方式的比较。

1. PCI/PCI-E 设备直接分配给虚机 （PCI Pass-through）

设备直接分配 （Device assignment）也称为 Device Pass-Through。

 

先简单看看PCI 和 PCI-E 的区别（AMD CPU）：

（简单点看，PCI 卡的性能没有 PCI-E 高，因为 PCI-E 是直接连在 IOMMU 上，而 PCI 卡是连在一个 IO Hub 上。）

主要的 PCI 设备类型：

• Network cards (wired or wireless)

• SCSI adapters

• Bus controllers: USB, PCMCIA, I2C, FireWire, IDE

• Graphics and video cards

• Sound cards

1.1 PCI/PCIe Pass-through 原理

这种方式，允许将宿主机中的物理 PCI 设备直接分配给客户机使用。较新的x86平台已经支持这种类型，Intel 定义的 I/O 虚拟化技术成为 VT-d，AMD 的称为 AMD-V。KVM 支持客户机以独占方式访问这个宿主机的 PCI/PCI-E 设备。通过硬件支持的 VT-d 技术将设备分给客户机后，在客户机看来，设备是物理上连接在PCI或者PCI-E总线上的，客户机对该设备的I/O交互操作和实际的物理设备操作完全一样，不需要或者很少需要 KVM 的参与。运行在 VT-d 平台上的 QEMU/KVM，可以分配网卡、磁盘控制器、USB控制器、VGA 显卡等设备供客户机直接使用。

 

几乎所有的 PCI 和 PCI-E 设备都支持直接分配，除了显卡以外（显卡的特殊性在这里）。PCI Pass-through 需要硬件平台 Intel VT-d 或者 AMD IOMMU 的支持。这些特性必须在 BIOS 中被启用。Red Hat Enterprise Linux 6.0 及以上版本支持热插拔的 PCI 设备直接分配到虚拟机。

 

网卡直接分配：

 

硬盘直接分配：

• 一般 SATA 或者 SAS 等类型的硬盘的控制器都是直接接入到 PCI 或者  PCI-E 总线的，所以也可以将硬盘作为普通的PCI设备直接分配个客户机。需要注意的是，当分配硬盘时，实际上将其控制器作为一个整体分配到客户机中，因此需要在硬件平台上至少有另两个或者多个SATA或者 SAS控制器。 

1.2 在 RedHat Linux 6 上使用 virt-manger 分配一个光纤卡给虚机

准备工作：

（1）在 BIOS 中打开 Intel VT-d 

（2）在 Linux 内核中启用 PCI Pass-through

添加 intel_iommu=on 到 /boot/grub/grub.conf 文件中。（在我的 RedHat Linux 6上，该文件是 /boot/grub.conf）

（3）重启系统，使得配置生效

实际分配：

（1）使用 lspci -nn 命令找到待分配的 PCI 设备。这里以一个 FC 卡为例：

使用 lspci 命令得到的 PCI 数字的含义，以后使用 libvirt API 分配设备时会用到：

（2）使用 virsh nodedev-list 命令找到该设备的 PCI 编号

（3）将设备从主机上解除

（4）使用 virt-manager 将设备直接分配给一个启动了的虚拟机

 

（5）添加好了后的效果

（6）在虚机中查看该PCI设备

（7）不再使用的话，需要在 virt-manager 中首先将该设备移除，然后在主机上重新挂载该设备

  

1.3 在 RedHat Linux 6 上使用 qemu-kvm 分配一个光纤卡给虚机

除了步骤（4），其他步骤同上面。

 

1.4 设备直接分配让客户机的优势和不足

• 好处：在执行 I/O 操作时大量减少甚至避免 VM-Exit 陷入到 Hypervisor 中，极大地提高了性能，可以达到几乎和原生系统一样的性能。VT-d 克服了 virtio 兼容性不好和 CPU 使用频率较高的问题。

• 不足：（1）一台服务器主板上的空间比较有限，因此允许添加的 PCI 和 PCI-E 设备是有限的。大量使用 VT-d 独立分配设备给客户机，让硬件设备数量增加，这会增加硬件投资成本。（2）对于使用 VT-d 直接分配了设备的客户机，其动态迁移功能将受限，不过也可以使用热插拔或者libvirt 工具等方式来缓解这个问题。

• 不足的解决方案：（1）在一台物理宿主机上，仅少数 I/O 如网络性能要求较高的客户机使用 VT-d直接分配设备，其他的使用纯模拟或者 virtio 已达到多个客户机共享同一个设备的目的 （2）对于网络I/O的解决办法，可以选择 SR-IOV 是一个网卡产生多个独立的虚拟网卡，将每个虚拟网卡分配个一个客户机使用。

2. SR-IOV 设备分配

2.1 原理

    VT-d 的性能非常好，但是它的物理设备只能分配给一个客户机使用。为了实现多个虚机共享一个物理设备，并且达到直接分配的目的，PCI-SIG 组织发布了 SR-IOV （Single Root I/O Virtualization and sharing） 规范，它定义了一个标准化的机制用以原生地支持实现多个客户机共享一个设备。不过，目前 SR-IOV （单根 I/O 虚拟化）最广泛地应用还是网卡上。 

 

SR-IOV 使得一个单一的功能单元（比如，一个以太网端口）能看起来像多个独立的物理设备。一个带有 SR-IOV 功能的物理设备能被配置为多个功能单元。SR-IOV 使用两种功能（function）：

• 物理功能（Physical Functions，PF）：这是完整的带有 SR-IOV 能力的PCIe 设备。PF 能像普通 PCI 设备那样被发现、管理和配置。

• 虚拟功能（Virtual Functions，VF）：简单的 PCIe 功能，它只能处理I/O。每个 VF 都是从 PF 中分离出来的。每个物理硬件都有一个 VF 数目的限制。一个 PF，能被虚拟成多个 VF 用于分配给多个虚拟机。

 

Hypervisor 能将一个或者多个 VF 分配给一个虚机。在某一时刻，一个 VF 只能被分配给一个虚机。一个虚机可以拥有多个 VF。在虚机的操作系统看来，一个 VF 网卡看起来和一个普通网卡没有区别。SR-IOV 驱动是在内核中实现的。

 

网卡 SR-IOV 的例子：

 

光纤卡 SR-IOV 的例子：

2.2 SR-IOV 的条件

1. 需要 CPU 支持 Intel VT-x 和 VT-D （或者 AMD 的 SVM 和 IOMMU） 

2. 需要有支持 SR-IOV 规范的设备：目前这种设备较多，比如Intel的很多中高端网卡等。

3. 需要 QEMU/KAM 的支持。

 RedHat Linux 6.0 官方只完整测试了下面的几款 SR-IOV 网卡：

• Intel 82576NS Gigabit Ethernet Controller ( igb 驱动)

• Intel 82576EB Gigabit Ethernet Controller ( igb 驱动)

• Intel 82599ES 10 Gigabit Ethernet Controller ( ixgbe 驱动)

• Intel 82599EB 10 Gigabit Ethernet Controller ( ixgbe 驱动)

2.3 分配 SR-IOV 设备的步骤

手头没有支持SR-IOV的设备。这是 RedHat 上 SR-IOV 的配置步骤： Using SR-IOV。

简单来说，SR-IOV 分配步骤和设备直接分配相比基本类似，除了要使 PF 虚拟化成多个 VF 以外。

2.4 优势和不足

优势	不足
真正实现设备共享 （多个客户机共享一个 SR-IOV 设备的物理端口） 接近原生性能 相比 VT-d， SR-IOV 可以使用更少的设备来支持更多的客户机，可以提高数据中心的空间利用率。	对设备有依赖，目前只有部分设备支持 SR-IOV。RedHat Linux 只是测试了 Intel 的几款高端网卡。 使用 SR-IOV 时不方便动态迁移客户机。 这是因为这时候虚机直接使用主机上的物理设备，因此虚机的迁移（migiration）和保存（save）目前都不支持。这个在将来有可能被改变。

3. 各种设备虚拟化方式的比较

3.1 架构上的比较（以网卡为例）

3.2 性能上的比较 （以网卡为例）

纯模拟网卡和物理网卡的比较：

（来源：Evaluating and Optimizing I/O Virtualization in Kernel-based Virtual Machine (KVM), Binbin Zhang, Xiaolin Wang, Rongfeng Lai, Liang Yang, Zhenlin Wang,Yingwei Luo, Xiaoming Li）

（测试环境：两台物理服务器 HostA 和 HostB，都使用GB以太网。HostA 使用 82566DC 网卡，HostB 使用 82567LM-2 网卡，一台虚机运行在 HostB 上，使用 KVM-76.）

结论：

• 纯模拟网卡的性能只有物理网卡的四成到六成

• 纯模拟网卡的 UDP 性能比 TCP 性能高 50% 到 100%

• 在虚拟网卡上使用 NAPI，不但不会提高性能，反而会是性能下降

• e1000 的性能比 rt18139 的性能高不少（为什么 RedHat Linux KVM 上默认的网卡是 rt18139 呢？）

Virtio 和 vhost_net 的吞吐量比较：

• 来源：CANONICAL, KVM Performance Optimization, Paul Sim,Cloud Consultant, [email protected]

• 结论： vhost_net 比 virtio 的 UDP 和 TCP 性能高 20% 左右。

RedHat Linux 6 上 virtio，vhost_net，SR-IOV 和物理设备网络延迟的比较：

（来源：RedHat 官网）

RedHat Linux 6 上 virtio 和 vhost_net 所消耗的主机CPU资源的比较：

（来源同上）

使用 virtio 的 KVM 与物理机的 TCP 吞吐量对比：

（数据来源：RedHat 官网）

物理机与使用 SR-IOV 的 KVM 的网络性能对比：

（来源：同上）

物理机与使用 Pass-through 的KVM 的 TCP 性能对比：

 

（资料来源：Open Source Virtualization: KVM and Linux, Chris Wright, Principal Software Engineer, Red Hat,September 4, 2009）

3.3  Virtio 和 Pass-Through 的详细比较

（来源：Reconnaissance of Virtio: What’s new and how it’s all connected? by Mario Smarduch）

 4. 综合结论

KVM 依赖的Intel/AMD 处理器的各种虚拟化扩展：

处理器	CPU 虚拟化	内存虚拟化	PCI Pass-through
Intel	VT-x	VPID，EPT	VT-d
AMD	AMD-V	ASID，NPT	IOMMU

 

I/O 虚拟化方案的选择：

• I/O设备尽量使用准虚拟化（virtio 和 vhost_net）

• 如果需要实时迁移，不能使用 SR-IOV

• 对更高I/O要求又不需要实时迁移的，可以使用 SR-IOV

• 每种方案都有优势和不足，在特定环境下其性能有可能反而下降，因此在生产环境中使用各种虚拟化方式前需要经过完整测试

 

其它参考资料：

• RedHat Linux 6 官方文档

• KVM 官方文档

• KVM 虚拟化技术实战与解析 任永杰、单海涛 著

• KVM 虚拟化技术在 AMD 平台上的实现