KVM网络虚拟化（一）

KVM与QEMU

网络虚拟化属于IO虚拟化，KVM模块本身不提供任何设备模拟，模块在初始化的时候会创建特殊设备文件/dev/kvm，并提供KVM API供用户态调用。KVM API是一些列ioctl集合。下面是一个调用KVM API的例子：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
 
#define KVM_FILE "/dev/kvm"
 
int main()
{
    int dev;
    int ret;
 
    dev = open(KVM_FILE,O_RDWR|O_NDELAY);
    ret = ioctl(dev,KVM_GET_API_VERSION,0);
    printf("----KVM API version is--%d---\n",ret);
    ret = ioctl(dev,KVM_CHECK_EXTENSION,KVM_CAP_MAX_VCPUS);
    printf("----KVM supports MAX_VCPUS per guest(VM) is %d---\n",ret);
    ret = ioctl(dev,KVM_CHECK_EXTENSION,KVM_CAP_IOMMU);
    if(ret != 0)
        printf("----KVM supports IOMMU (i.e. Intel VT-d or AMD IOMMU).----\n");
    else
        printf("----KVM doesn't support IOMMU (i.e. Intel VT-d or AMD IOMMU).----\n");
 
    return 0;
}

~]gcc kvm-api-test.c -o kvm-api-test
~]./kvm-api-test
----KVM API version is--12---
----KVM supports MAX_VCPUS per guest(VM) is 255---
----KVM doesn't support IOMMU (i.e. Intel VT-d or AMD IOMMU).----

QEMU出现比KVM要早，本身是一套完整的虚拟化方案。由于是纯软件实现，性能低下。KVM使用了QEMU的IO设备虚拟化技术（包括网卡、磁盘、鼠标、光驱等），从QEMU的角度看，KVM 模块提升了QEMU虚拟机的性能。二者的关系可以参考：

用户态的QEMU通过KVM的ioctl接口创建vcpu，并负责虚拟机的IO操作模拟。

全虚拟化

全虚拟化简单的说就是虚拟机不知道自己是虚拟机。全虚拟化的网卡，虚机内部不需要做任何改动。

全虚拟化虚机IO操作的过程是：

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。
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。

QEMU的默认网卡为rtl8139，目前常见的生产环境是网桥模式，数据的转发过程为：

半虚拟化Virtio

虚拟机操作系统不仅知道它运行在 hypervisor 之上，还包含让虚机操作系统更高效地过渡到 hypervisor 的代码。

图片来自IBM中国文档库，左图是全虚拟化，右图半虚拟化。对比可以发现，全虚拟化下虚机操作系统不需要改动，虚拟化层需要捕捉IO，模拟硬件行为，因此效率较低；版虚拟化下虚拟机操作系统驱动做了修改，通过标准化接口直接将数据写入QEMU设备，减少内核Traps，提高了效率，同时接口标准化也方便跨平台。

virtio

数据转发过程：

Vhost_net

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。
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 )。

MacVTap

虚拟化中一般使用TAP和bridge来组建虚拟网络，但这样组网结构会稍显复杂。Linux上的MACTAP设备可以简化这种结构。MACVTAP设备集成了MACVLAN和TAP设备二者的特性。每一台MacVTap设备拥有一台对应的Linux字符设备，并拥有和TAP设备一样的IOCTL接口供QEMU调用。它也可以基于一个物理网卡创建多个MAC地址不同的虚拟网卡，同时虚拟网卡收到的包不再交给内核协议栈，而是通过TAP设备的文件描述符传递到用户态进程。

总结

在硬件支持的前提下，linux虚机MacVTap+vhost_net性能较好，windows虚机由于兼容性问题，选择全虚拟化比较方便。

http://www.cnblogs.com/sammyliu/p/4543657.html
http://smilejay.com/2013/03/use-kvm-api/
https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-virtio/
《KVM虚拟化技术实战与原理解析》
《深度实践KVM》