virtio,vhost 和vhost-user

virtio

在虚拟机中，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。

图中描述了virtio的io路径: guest发出中断信号退出kvm，从kvm退出到用户空间的qemu进程。然后由qemu开始对tap设备进行读写。 可以看到这里从用户态进入内核，再从内核切换到用户态，进行了2次切换。

virtio的io路径：

1. guest设置好tx;
2. kick host;
3. guest陷出到kvm；
4. kvm从内核切换到用户态的qemu进程；
5. qemu将tx数据投递到tap设备；

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：

1. guest设置好tx;
2. kick host;
3. guest陷出到kvm；
4. vhost-net将tx数据投递到tap设备;

vhost将部分virio驱动的操作从用户态移到内核态，减少了用户态/内核态切换时间和包的拷贝次数，从而更进一步的提升了性能。

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。

图中描述了的io路径:guest发出中断信号退出kvm，kvm直接和vhost-backend通信，然后网络数据将交由vhost-backend 进行处理。

vhost-user的io路径

1. guest设置好tx;
2. kick host;
3. guest陷出到kvm；
4. kvm将通知vhost-backend；
5. 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: vhost-backend从原来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。

DPDK便是一个在用户态可以直接操作物理网卡的库函数，它和vhost-user结合便可以实现类似于snabb switch一样性能强劲的用户态交换机了。

vhost-user数据面：基于virtqueue，由三部分组成：descriptor table、available ring、used ring。详见：
virtqueue：数据结构以及通信机制

vhost-user控制面：前后端协商基于vhost-user协议。详见：
dpdk vhost-user协议