I/O 虚拟化

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I/O 虚拟化在虚拟化技术中算是比较复杂，也是最重要的一部分。从整体上看，I/O 虚拟化也包括基于软件的虚拟化和硬件辅助的虚拟化，软件虚拟化部分又可以分为全虚拟化和半虚拟化，如果根据设备类型再细分的话，又可以分为字符设备 I/O 虚拟化（键盘、鼠标、显示器）、块设备 I/O 虚拟化（磁盘、光盘）和网络设备 I/O 虚拟化（网卡）等。

我们先看下在没有虚拟机存在的情况下，I/O 设备请求是怎样的。某个应用或进程发出 I/O 请求，通过系统调用等方式进入内核，调用相应的驱动程序，请求到具体的 I/O 设备，然后再将结果返回到调用者进行回显。

那么存在虚拟机的情况下，又是怎样的呢。按理说，虚拟机是宿主机上的一个进程，应该可以以类似的 I/O 请求方式访问到宿主机上的 I/O 设备，但别忘了，虚拟机处在非 Root 的虚拟化模式下，请求无法直接下发到宿主机，必须借助于 VMM 来截获并模拟虚拟机的 I/O 请求。

至于怎么截获并模拟，每一种 VMM 的实现方案都不一样，像 qemu-kvm ，截获操作是由内核态的 kvm 来完成，模拟操作是由用户态的 qemu 来完成的，这也是 kvm 不同于其他 VMM 实现方案的地方。kvm 这样做也是为了提升性能和保持内核的纯净性，关于这块的知识不清楚的可以查阅前文。

从层次上看，虚拟机发出 I/O 请求到完成相应的 I/O 操作，中间要经过虚拟机的设备驱动，到 VMM 的设备模型，再到宿主机的设备驱动，最终才到真正的 I/O 设备。

那什么是设备模型，设备模型就是 VMM 中进行设备模拟，并处理所有设备请求和响应的逻辑模块，对于 qemu-kvm，qemu 其实就可以看做是一个设备模型。

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上图显示的就是设备模型的逻辑层次关系，对于不同构造的虚拟机，其逻辑层次是类似的：VMM 截获虚拟机的 I/O 操作，将这些操作传递给设备模型进行处理，设备模型运行在一个特定的环境下，这可以是宿主机，可以是 VMM 本身，也可以是另一个虚拟机。

下图显示的就是在宿主机中设备模型的实现，也就是 qemu-kvm 的实现方案，在这个例子中，VMM 主要部分实现为内核模块，设备模型实现为一个用户态进程，当虚拟机发生 I/O 之后，VMM 作为内核模块将其截获后，会通过内核态-用户态接口传递给用户态的设备模型处理，设备模型运行与宿主机操作系统之上，可以使用相应的系统调用和所有运行时库，宿主机操作系统就是设备模型的运行环境。

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所以，设备模型在这里起着一个桥梁的作用，由虚拟机设备驱动发出的 I/O 请求先通过设备模型转化为物理 I/O 设备的请求，再通过调用物理设备驱动来完成相应的 I/O 操作。反过来，设备驱动将 I/O 操作结果通过设备模型，返回给虚拟机的虚拟设备驱动程序。

上面说的这种方式是纯软件模拟的，或者说得再专业一点就是全虚拟化，全虚拟化就是 VMM 完全虚拟出一套宿主机的设备模型，宿主机有什么就虚拟出什么，这样，虚拟机发出的任何 I/O 请求都是无感知的，也是说虚拟机认为自己在“直接”使用物理的 I/O 设备，其实不是，全是虚拟出来的。

有了全虚拟化，自然就有半虚拟化，半虚拟化的提出就是解决全虚拟化的性能问题的。通过上面的分析，不难看出，这种截获再模拟的方式导致一次 I/O 请求要经过多次的内核态和用户态的切换，性能肯定不理想。半虚拟化就是尽量避免这种情况发生。

半虚拟化中，虚拟机能够感知到自己是处于虚拟化状态，虚拟机和宿主机之间通过某种机制来达成这种感知，也就是两者之间需要建立一套通信接口，虚拟机的 I/O 请求走这套接口，而不是走截获模拟那种方式，这样就可以提升性能。这套接口一个比较好的实现就是 virtio，Linux 2.6.30 版本之后就被集成到了 Linux 内核模块中。

半虚拟化虽然提升了性能，但是还是基于软件模拟的方式，性能上还是无法与直接访问物理 I/O 设备相抗衡，那能不能做到呢，答案是一定的，那就是从硬件上去入手了。

以 Intel VT-d 为首的技术就是硬件辅助的 I/O 虚拟化技术，但是业界一般不是直接使用硬件，而是配合相应的软件技术来完成，比较常用的两门技术是 PCI Pass-Through 和 SR-IOV。

本文仅是简单总结下 I/O 虚拟化的方式，分类，以及存在的技术问题。后面会针对具体的类别或问题进行展开。

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