1. 一段话总结 virtio-networking vhost-net
该网页于 2019 年 9 月 9 日发布，围绕virtio-networking 和vhost-net 展开介绍，首先阐述 virtio 是虚拟机访问简化设备的标准化开放接口，virtio-net是其支持的复杂虚拟以太网卡；
接着介绍了KVM （使 Linux 成为 hypervisor）、QEMU （提供硬件模型）、Libvirt （转换配置并管理进程）等基础构建块；然后讲解了virtio 规范 （定义控制面与数据面）和vhost 协议 （卸载数据面以提升性能），以及vhost-net/virtio-net 架构 （vhost-net 为宿主内核后端，virtio-net 为客户机内核前端，通过共享内存和队列实现数据传输）；还提及Open vSwitch（OVS） 用于连接不同虚拟机及外部网络，最后指出后续将有深入探讨该架构及其他 virtio-networking 实现的文章。
二、virtio 基础构建块
- 核心概念区分
| 概念 | 定义 |
|---|---|
| 客户机（Guest VM/Guest） | 安装、执行并托管在物理机上的 VM，拥有独立操作系统，通过 hypervisor 运行在宿主操作系统之上 |
| 宿主（Host） | 托管客户机 VM 的物理机，为客户机提供资源（如虚拟 NIC） |
- 三大构建块详情
| 构建块 | 定位 | 核心功能 | 关键特点 |
|---|---|---|---|
| KVM | 基于内核的虚拟机 | 1. 使 Linux 具备 hypervisor 能力，hypervisor 组件（内存管理器、调度器、网络栈等）集成于 Linux 内核；2. 虚拟机以普通 Linux 进程形式存在，由标准 Linux 调度器调度，拥有专用虚拟硬件（如网络适配器） | 依托 Linux 内核实现 hypervisor 功能，无需额外独立 hypervisor 软件 |
| QEMU | 托管虚拟机监视器 | 1. 通过仿真为客户机提供多种硬件和设备模型；2. 可与 KVM 结合，借助硬件扩展使 VM 运行速度接近原生；3. 通过命令行界面（CLI）执行客户机，CLI 支持指定所有必要配置选项 | 需与 KVM 配合以实现高性能，配置和执行依赖 CLI |
| Libvirt | 接口工具 | 1. 将 XML 格式配置转换为 QEMU CLI 调用；2. 提供管理守护进程，用于配置 QEMU 等子进程，使 QEMU 无需 root 权限；3. 如 Openstack Nova 创建 VM 时，通过 Libvirt 为每个 VM 启动一个 QEMU 进程 | 简化 VM 创建流程，降低 QEMU 运行权限要求，是上层应用（如 Openstack Nova）与 QEMU 交互的桥梁 |
- 构建块运行空间分布
- 宿主空间：
- 内核空间：运行KVM。
- 用户空间：运行Libvirt和QEMU 进程（每个客户机对应一个 QEMU 进程，若创建 N 个 VM，则有 N 个 QEMU 进程，Libvirt 与每个进程通信）。
- 客户机空间：运行于 QEMU 进程内部，包含独立的内核空间和用户空间。
三、virtio 规范与 vhost 协议
- virtio-networking 的两层划分
| 层级 | 用途 | 核心要求 |
|---|---|---|
| 控制面（Control plane） | 用于宿主与客户机间的能力交换协商，包括数据面的建立与终止 | 灵活性，以支持未来不同设备和厂商的架构 |
| 数据面（Data plane） | 传输宿主与客户机间的实际数据（数据包） | 高效性，以实现数据包的快速移动 |
- virtio 规范与 vhost 协议详情
| 名称 | 维护方 / 特性 | 核心内容 |
|---|---|---|
| virtio 规范 | 由 OASIS 维护 | 1. 定义客户机与宿主间控制面和数据面的实现标准；2. 明确数据面的缓冲区和环形布局等细节 |
| vhost 协议 | 可在 kernel 或用户空间实现 | 1. 功能：将 virtio 数据面实现卸载到其他元素（用户进程或内核模块），从而提升性能；2. 局限：仅描述数据面的建立方式，实现者需额外实现描述数据缓冲区（宿主和客户机）的环形布局，以及实际的数据包收发逻辑 |
- 数据面未在 QEMU 进程实现的原因
若在 QEMU 进程中基于 virtio 规范实现数据面，每个数据包在 kernel 与客户机间传输时都会发生上下文切换（QEMU 为 Linux 进程），该操作开销大，会增加延迟并消耗更多处理时间，因此需借助 vhost 协议避免此问题，实现数据面从宿主 kernel 直接到客户机的传输，绕过 QEMU 进程。
四、vhost-net/virtio-net 架构
- 前后端组件定位
| 组件 | 运行空间 | 角色 | 别称 |
|---|---|---|---|
| vhost-net | 宿主内核空间 | virtio 接口的后端（Host side） | vhost-net 驱动 |
| virtio-net | 客户机内核空间 | virtio 接口的前端（Guest side） | virtio-net 驱动 |
- 控制面与数据面机制
- 控制面：基于 virtio 规范实现，在 vhost-net 内核模块、QEMU 进程间通信，最终将信息传递到客户机的 virtio-net。
- 数据面：
- 建立基础：vhost 协议构建框架。
- 传输方式：通过共享内存区域，直接在宿主与客户机内核间转发数据包。
- 实现载体：借助专用队列完成接收（RX）和传输（TX），队列按虚拟 CPU（vCPU）创建，例如 4 个 vCPU 的场景下，会对应 4 个 RX 队列和 4 个 TX 队列（每个 vCPU 对应 1 组 RX/TX 队列）。
五、virtio-networking 与 OVS
- OVS 定位与作用
Open vSwitch（OVS） 是一款软件交换机，能够在 kernel 内部实现数据包转发，用于将客户机通过 virtio-networking 接口传递到宿主 kernel 的数据包，转发给同一宿主上的其他客户机或外部网络（如互联网）。
- OVS 组成结构
| 组成部分 | 运行空间 | 核心组件与功能 |
|---|---|---|
| OVS 用户空间 | 宿主用户空间 | 1. ovsdb-server：数据库，用于存储 OVS 相关配置等数据；2. ovs-vswitchd：守护进程，负责管理和控制交换机 |
| OVS 内核空间 | 宿主内核空间 | ovs 内核模块：负责数据面或转发面的功能，处理数据包的实际转发 |
- OVS 连接方式
- 借助 Linux 端口实现连接：
- 一个端口：连接 OVS 内核转发面与物理 NIC。
- 另一个端口：连接 OVS 与 vhost-net 后端，进而连接到 virtio-net 和 VM 中运行的应用。
- 实际场景：通常存在多个 NIC 通过多个端口连接到 OVS，同时运行多个 VM，因此会有多个端口连接到多个 vhost-net 后端。
- 关键问题
问题 1：在 virtio-networking 中，控制面与数据面的核心区别是什么？各自的核心需求和实现基础分别是什么？
答案
- 核心区别：控制面用于宿主与客户机间能力交换协商（含数据面的建立与终止），传输的是协商类信息；数据面用于传输宿主与客户机间的实际数据包，传输的是业务数据。
- 控制面：
- 核心需求：灵活性，以支持未来不同设备和厂商的架构。
- 实现基础：基于virtio 规范，在 vhost-net/virtio-net 架构中，由 QEMU 进程基于 virtio 规范实现，负责在 vhost-net 内核模块、QEMU 进程与 virtio-net 间传递协商信息。
- 数据面：
- 核心需求：高效性，以实现数据包的快速移动，避免不必要的性能损耗。
- 实现基础：依托vhost 协议构建框架，在 vhost-net/virtio-net 架构中，通过共享内存区域直接在宿主与客户机内核间转发数据包，借助按 vCPU 创建的专用 RX/TX 队列实现数据包收发，且可卸载到 kernel（vhost-net）或用户空间（vhost-user）实现。
问题 2：vhost-net/virtio-net 架构中，前后端组件的具体定位、运行空间是什么？该架构如何通过关键机制实现高效的数据传输？
答案
- 前后端组件详情：
- 后端组件：vhost-net，运行于宿主内核空间，也被称为 vhost-net 驱动，是 virtio 接口的宿主侧实现。
- 前端组件：virtio-net，运行于客户机内核空间，也被称为 virtio-net 驱动，是 virtio 接口的客户机侧实现。
- 高效数据传输机制：
- 数据面绕过 QEMU 进程：借助 vhost 协议，数据面可直接从宿主内核传输到客户机，无需经过运行在宿主用户空间的 QEMU 进程，避免了因 QEMU 进程带来的上下文切换开销（上下文切换会增加延迟并消耗更多处理时间）。
- 共享内存区域：vhost-net 与 virtio-net 通过共享内存区域实现数据交换，无需额外的数据拷贝操作，减少数据传输过程中的性能损耗。
- 专用 RX/TX 队列：数据的接收（RX）和传输（TX）通过专用队列完成，且队列按虚拟 CPU（vCPU）创建（如 4 个 vCPU 对应 4 组 RX/TX 队列），实现数据传输的并行处理，提升整体传输效率。
问题 3：Open vSwitch（OVS）在 virtio-networking 体系中的作用是什么？其组成结构如何？在实际场景中，OVS 如何与物理 NIC、vhost-net 后端实现连接以完成数据包转发？
答案
- OVS 的作用：作为软件交换机，OVS 负责在宿主内核内部实现数据包转发，将客户机通过 virtio-networking 接口传递到宿主内核的数据包，转发给同一宿主上的其他客户机，或转发到外部网络（如互联网），是 virtio-networking 体系中实现跨 VM、VM 与外部网络通信的关键组件。
- OVS 组成结构：
- 用户空间：包含 ovsdb-server（数据库，存储 OVS 配置数据）和 ovs-vswitchd（守护进程，管理和控制交换机）。
- 内核空间：包含 ovs 内核模块，负责数据面或转发面功能，是处理数据包实际转发的核心部分。
- 实际连接方式：
- OVS 通过 Linux 端口实现连接，一个端口专门用于连接 OVS 内核转发面与物理 NIC，确保 OVS 能与外部网络进行数据交互。
- 另一个端口用于连接 OVS 与 vhost-net 后端，进而通过 vhost-net 与客户机的 virtio-net 建立关联，实现 OVS 与 VM 内部应用的数据包传递。
- 实际场景中，因存在多个物理 NIC 和多个运行的 VM，会对应创建多个 Linux 端口，分别连接多个物理 NIC 与 OVS、多个 vhost-net 后端与 OVS，以满足多设备、多 VM 的通信需求。