文章目录Virtio 是作为虚拟机 (VM)访问简化device(如块设备和网络适配器)的 标准化开放接口而开发的。Virtio-net是一种虚拟以太网卡,是virtio迄今为止支持的最复杂的device。 在这篇文章中,我们将基于在host内核和 VM guest内核之间建立接口,提供 virtio 网络架构的高级解决方案概述。我们将介绍基本的构建块,包括KVM,qemu和libvirt。我们将介绍virtio规范和vhost协议,以及用于连接不同VM和连接外部世界的Open vSwitch(OVS)。本文中描述的基于vhost-net/virtio-net的架构是许多virtio-networking架构中的第一个,这些架构将在一系列帖子中介绍,这些架构因其性能,应用程序的易用性和实际部署而有所不同。 在阅读完这篇文章后,你应该对所提到的术语有一个清晰的了解,以及在虚拟机中运行的应用程序如何将数据包传输到在其他虚拟机上运行的应用程序和外部世界。这些术语将是下一篇文章的基础。 Virtio 基本构建块guest VM 或guest是在物理计算机上安装、执行和托管的 VM。托管guest VM 的计算机称为host,它为guest提供资源。客户机具有通过虚拟机管理程序在host操作系统上运行的单独操作系统。例如,host将为guest提供虚拟 NIC,以便guest计算机感觉好像它使用的是真正的 NIC,而实际上它使用的是虚拟 NIC。 以下构建基块创建了 virtio 稍后连接到的环境:
下图显示了这三个构建基块如何组合在一起: Host和Guest都包含内核空间和用户空间。如图所示,KVM在Host内核空间中运行,而libvirt在Host用户空间中运行。 Guest虚拟机在 qemu 进程内部运行,qemu 进程只是在host用户空间上运行的进程,并与 libvirt(用户空间应用程序)和 KVM(host内核)进行通信。 将为每个guest VM 创建一个 qemu 进程,因此,如果创建 N 个 VM,则将具有 N 个 qemu 进程,libvirt 将与每个进程进行通信。 Virtio spec 和 vhost 协议在谈论 virtio-networking 时,我们可以将讨论分为两层:
区分这些层很重要,因为它们具有不同的要求(例如性能)和不同的实现,如本文和后续帖子所示。 从根本上说,数据平面需要尽可能高效地快速移动数据包,而控制平面需要尽可能灵活地支持未来架构中的不同device和vendor。 如引言中所述,virtio被开发为guest访问host上device的接口。我们可以将 virito 分为两部分:
virtio 的控制平面是在基于 virtio 规范的 qemu 进程中实现的,但数据平面不是。因此,问题是为什么数据平面没有在qemu进程中以基于virtio规范的类似方式实现? 如果我们简单地在qemu中实现virtio规范数据平面,我们将为从内核到guest的每个数据包提供一个上下文切换,反之亦然。这是一个代价高昂的操作,会增加延迟并需要更多的处理时间(请记住,qemu是另一个Linux进程),因此如果可能的话,我们希望避免它。 但是,vhost协议本身仅描述如何建立数据平面。无论谁实现它,还需要实现用于描述数据缓冲区(host和guest)和实际发送/接收数据包的环形布局。 如后面各节所述,vhost协议可以在内核(vhost-net)或用户空间(vhost-user)中实现。本文中描述的 vhost-net/virtio-net 体系结构侧重于内核实现,也称为 vhost-net。 Vhost-net/virtio-net architecture当我们谈论virtio接口时,我们有一个后端组件和一个前端组件:
在 vhost-net/virtio-net 体系结构中,组件如下所示:
下图显示了如何将virtio后端和前端映射到大图: 需要澄清的几点:
实际上,数据平面通信,即接收(RX)和传输(TX),是通过专用队列完成的。 Virtio-networking and OVS到目前为止,我们已经描述了guest如何使用 virtio 网络接口将数据包传递到host内核。为了将这些数据包转发给在同一host上或host外部(例如 Internet)上运行的其他guest,我们使用 OVS。 OVS 是一种软件交换机,可在内核内部启用数据包转发。它由一个用户空间部分和一个内核部分组成:
OVS 控制器与数据库服务器和内核转发平面进行通信。要将数据包推入和推送出 OVS,我们使用 Linux 端口。在我们的例子中,我们有一个端口将OVS内核转发平面连接到物理NIC,而另一个端口连接到vhost-net后端。 请注意所提到的用于将host外部的 OVS 连接到 vhost-net 以及从那里连接到 virtio-net 和 VM 中运行的应用的端口。 vhost-net/virtio-net 架构概述到此结束,该架构基于host内核、guest内核和内核中运行的 OVS。 总结在这篇文章中,我们触及了virtio网络生态系统的表面,向您介绍了virtio网络使用的虚拟化和网络的基本构建块。我们已经简要介绍了 virtio 规范和 vhost 协议,回顾了用于实现 virtio 接口的前端和后端架构,并带您了解了 vhost-net(host内核)与 virtio-net(guest内核)通信的 vhost-net/virtio-net 架构。 在试图解释事物时,我们遇到的一个根本性挑战是历史上术语的超载。例如,virtio-net 既指 virtio 规范中的 virtio 网络device实现,也指 vhost-net/virtio-net 体系结构中描述的guest内核前端。我们试图通过解释术语的上下文并使用virtio-net仅描述guest内核前端来解决这个问题。 正如将在后面的文章中解释的那样,virtio规范网络device还有其他基于DPDK和不同硬件卸载技术的实现,这些技术都在virtio网络的涵盖范围下。 接下来的两篇文章旨在更深入地了解 vhost-net/virtio-net 体系结构。一篇文章将面向架构师,提供对vhost-net/virtio-net的技术深入研究,并解释如何在实践中实现数据平面和控制平面。另一篇面向开发人员的帖子将是一个实践会话,包括Ansible脚本,以便能够尝试vhost-net/virtio-net架构。 如果您更喜欢高级概述,我们建议您留意即将在未来几周内发布的virtio网络和DPDK介绍。 为了跟上virtio网络社区的步伐,我们邀请您注册virtio网络邮件列表。这是一个公共邮件列表,您可以通过Mailman页面注册。 参考链接https://www.redhat.com/en/blog/introduction-virtio-networking-and-vhost-net |
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