vhost-user 的诞生：Virtio 网络和 DPDK

virtio net 用户态实现： virtio-user

1. 一段话总结

该博客围绕vhost-user/virtio-pmd 架构 展开，先回顾了已广泛部署但存在性能开销的vhost-net/virtio-net 架构 ，随后介绍了为解决性能问题所依赖的DPDK（Data Plane Development Kit） （通过轮询模式驱动 PMD 绕开内核网络栈提升 packet 处理速度）与OVS-DPDK （将 OVS 内核转发表移至用户空间，结合 PMD 进一步优化），详细阐述了 vhost-user（主机用户空间，作为 OVS-DPDK 一部分）与 virtio-pmd（客户机用户空间，轮询模式驱动）组成的新架构，其能使整体性能提升2 至 4 倍 ，但需应用链接 DPDK 库、依赖专业配置，在虚拟网络功能（VNFs） 等对性能要求极高的场景适用，后续还将推出该架构内部细节的深度解析内容。

一、概述与前期架构

定位：从宏观层面介绍基于 DPDK 的 virtio 架构，后续将推出面向架构师 / 开发者的技术深度解析博客及实操博客。
前期架构回顾：vhost-net/virtio-net 架构
- 组成：主机端内核中的 vhost-net（后端）、客户机端内核中的 virtio-net（前端）。
- 现状：已广泛部署，具备一定实用性，客户机中开发的应用可通过标准 Linux 套接字（借助主机）连接网络，对用户友好。
- 缺陷：存在性能开销，并非最优解决方案，需后续架构优化。

二、性能优化核心技术解析

（1）DPDK（Data Plane Development Kit）

目标：为数据平面应用提供简单且完整的快速 packet 处理框架。
核心机制：
- 采用 "运行至完成" 的 packet 处理模式，需在调用数据平面应用前预分配所有资源，且这些专用资源在专用逻辑处理核心上执行。
- 与 Linux 内核对比：Linux 内核依赖调度器和中断实现进程切换，而 DPDK 通过持续轮询访问设备，避免了上下文切换和中断处理的开销，但代价是需将部分 CPU 核心 100% 用于 packet 处理。
关键组件：轮询模式驱动（PMD）
- 功能：实现用户空间与物理接口之间的直接 packet 传输，完全绕开内核网络栈。
- 优势：消除中断处理环节、绕开内核栈，相比内核转发显著提升性能。
使用方式：DPDK 是一组库，需应用层链接这些库并调用相关 API 才能使用。

（2）OVS-DPDK

传统 OVS 局限：传统 Open vSwitch（OVS）通常依赖内核空间数据路径转发，内核模块含简单流表；但 "例外包"（OpenFlow 流中的第一个包）因不匹配内核流表，需发送至用户空间 OVS 守护进程（ovs-vswitchd）处理，且受 Linux 网络栈限制，无法满足高 packet 速率需求。
OVS-DPDK 优化：
- 整合 OVS 与 DPDK，借助 PMD 驱动，将传统 OVS 的内核模块转发表移至用户空间。
- 架构特点：所有 OVS 组件运行在用户空间，通过 PMD 驱动与物理 NIC 通信。
扩展能力：不仅主机用户空间可运行 DPDK 应用，客户机用户空间也能运行带 PMD 驱动的 DPDK 应用。

三、vhost-user/virtio-pmd 架构详解

（1）架构组成

组件	运行空间	核心特点	功能作用
vhost-user（后端）	主机用户空间	属 OVS-DPDK 用户空间应用的一部分，基于 DPDK 库（含额外 API）	主机上每创建一个客户机 VM，就实例化一个 vhost-user 后端，与客户机的 virtio 前端通信
virtio-pmd（前端）	客户机用户空间	轮询模式驱动，占用专用核心，无中断处理	客户机用户空间应用需链接 DPDK 库，才能使用 virtio-pmd 优化数据平面

（2）与前期架构对比

替换关系：vhost-user/virtio-pmd 架构中，vhost-net 被vhost-user 替换，virtio-net 被virtio-pmd替换。
性能提升：主机用户空间通过共享内存直接访问物理 NIC（绕开内核），客户机用户空间使用 virtio-pmd（同样绕开内核），整体性能可提升2 至 4 倍。

（3） usability 权衡

前期架构优势：vhost-net/virtio-net 架构中，客户机 OS 视角下数据平面通信简单，仅需在客户机内核中添加 virtio 驱动，客户机用户空间应用即可自动获得标准 Linux 网络接口。
新架构局限：vhost-user/virtio-pmd 架构中，客户机用户空间应用需使用 DPDK 库中的 virtio-pmd 驱动，配置和优化 DPDK 需专业知识，操作难度较大。

四、架构应用场景与后续计划

适用场景：适用于虚拟网络功能（VNFs） 等对性能要求极高的场景，此类场景中性能是关键因素，基于 DPDK 的 virtio 架构可帮助达成预期性能目标。
开发要求：开发基于该架构的应用需专业知识，且需深入理解 DPDK API 及其各类优化方式。
后续内容：下一篇博客将深入解析 vhost-user/virtio-pmd 架构的内部结构，以及其不同的控制平面和数据平面组件。

4. 关键问题

问题 1：vhost-user/virtio-pmd 架构相比传统的 vhost-net/virtio-net 架构，在性能和 usability 上分别有怎样的差异？

答案：性能方面

vhost-user/virtio-pmd 架构通过主机用户空间借助共享内存直接访问物理 NIC（绕开内核）、客户机用户空间使用 virtio-pmd（绕开内核），整体性能相比 vhost-net/virtio-net 架构提升2 至 4 倍；
usability 方面，vhost-net/virtio-net 架构中客户机 OS 仅需添加 virtio 驱动，应用即可自动获得标准 Linux 网络接口，操作简单；
而 vhost-user/virtio-pmd 架构要求客户机应用链接 DPDK 库并使用 virtio-pmd 驱动，配置和优化需专业知识，难度更高。

问题 2：DPDK（Data Plane Development Kit）通过哪些核心机制实现对 packet 处理性能的提升？这些机制又带来了哪些代价？

答案：核心机制包括：

1. 采用 "运行至完成" 的 packet 处理模式，调用数据平面应用前预分配所有资源，并在专用逻辑核心上执行；
1. 通过持续轮询访问设备，而非依赖 Linux 内核的调度器和中断，避免上下文切换和中断处理开销；
1. 提供轮询模式驱动（PMD），实现用户空间与物理接口直接传包，绕开内核网络栈。带来的代价是需将部分 CPU 核心100% 专用于 packet 处理，无法用于其他任务。

问题 3：OVS-DPDK 相比传统的 Open vSwitch（OVS），在架构上做了哪些关键调整？这些调整如何适配 vhost-user/virtio-pmd 架构的需求？

答案：关键调整：传统 OVS 依赖内核空间数据路径转发，"例外包" 需交用户空间处理，且受 Linux 网络栈限制；

OVS-DPDK 整合 OVS 与 DPDK，将传统 OVS 的内核模块转发表移至用户空间，并借助 DPDK 的 PMD 驱动与物理 NIC 通信，所有 OVS 组件均运行在用户空间。

适配需求：vhost-user/virtio-pmd 架构的核心是在用户空间实现高性能数据传输（绕开内核），OVS-DPDK 将转发逻辑移至用户空间并结合 PMD 的设计，与该架构 "主机用户空间运行 vhost-user、依赖高效硬件交互" 的需求契合，为 vhost-user 提供了高效的转发平面支持，保障了整体架构的性能优势。