Virtio-networking: 2019 总结 2020展望

该文档是 Red Hat 关于 Virtio-networking 首个系列博客的总结及 2020 年计划，先回顾了此前系列涵盖的核心内容，包括 vhost-net/virtio-net、vhost-user/virtio-pmd、vDPA 等多种 Virtio-networking 架构，以及 Virtio-networking 在虚拟机（VM）、容器（含混合云和云原生环境）中的应用，还提及 SRIOV、DPDK、VFIO 等相关技术；

接着明确 Virtio-networking 社区的目标是借助 Virtio 技术为混合虚拟 / 云原生环境及混合云中的 VM 和容器提供网络加速，长远目标是成为裸机通用标准网卡解决方案，且主张通过开放标准化方案实现，避免重复造轮子；最后列出 2020 年第二个 Virtio-networking 系列博客的计划主题，如深入解析 virtio 规范、Kubernetes vDPA 集成细节、AF_VIRTIO、Scalable IOV 以及 Virtio 作为裸机驱动的发展方向。

二、Virtio-networking 首个系列（2019）博客核心内容回顾

（一）核心架构与技术解析

1. vhost-net/virtio-net 架构

   • 涵盖组件：KVM、QEMU、libvirt
   • 相关技术点：简要涉及 virtio 规范（含设备 / 驱动）、vhost 协议
   • 外部通信：介绍 Open vSwitch（OVS），用于实现与外部网络的通信

2. vhost-user/virtio-pmd 架构

   • 核心工具与技术：DPDK（Data Plane Development Kit）、OVS-DPDK、DPDK 中的 vhost-user 库
   • 设备访问支持：讲解 virtual function I/O（VFIO）、virtio-pmd 驱动、I/O memory management unit（IOMMU）和 vIOMMU，这些技术共同支持用户空间网络应用直接访问 NIC 设备

3. vDPA 与高性能网络实现

   • 对比基础：先解释 SRIOV 的工作原理及其优势

   • 核心技术：介绍 virtio 全硬件卸载和 virtual data path acceleration（vDPA），说明二者相较于 SR-IOV 的价值

   • 构建块：探讨 mediator devices（MDEV），包括其与 VFIO 的连接，以及作为 vDPA 构建块的使用方式（如 virtio-mdev 和 vhost-mdev）

   • 架构对比：通过表格形式对比不同 Virtio-networking 架构的特点

架构类型	关键特点	涉及核心技术
vhost-net/virtio-net	基础 Virtio 网络架构	KVM、QEMU、libvirt、virtio 规范、vhost 协议、OVS
vhost-user/virtio-pmd	用户空间优化架构	DPDK、OVS-DPDK、vhost-user 库、VFIO、virtio-pmd 驱动、IOMMU、vIOMMU
virtio 全硬件卸载	硬件加速卸载	virtio 技术、硬件卸载能力
vDPA	数据路径加速	SRIOV（对比基础）、MDEV（virtio-mdev、vhost-mdev）、VFIO

（二）应用场景拓展：从虚拟机到容器

1. 容器网络性能突破

   • 技术路径：从虚拟机领域拓展至容器领域，探讨 vDPA 如何基于 Kubernetes 编排和 Multus CNI，为容器提供线速（wirespeed）/ 线延迟（wirelatency）的 L2 接口
   • 实际演示：计划在 2019 年 11 月的 Kubecon NA 上展示相关演示

2. 混合云环境下的加速容器

   • 核心实现：关注在多云上运行的加速容器，展示单个带有次级加速接口（使用 Multus）的容器镜像，无需修改即可在多个云上运行
   • 技术支撑：这一实现依赖多种 Virtio-networking 技术，包括 vDPA 和 virtio 全硬件卸载
   • 实际演示：同样计划在 2019 年 11 月的 Kubecon NA 上展示相关演示

三、Virtio-networking 的发展方向与理念

（一）社区目标

• 短期目标：在混合虚拟 / 云原生环境以及混合云中，利用 virtio 技术为虚拟机（VM）和容器提供网络加速
• 长远愿景：virtio 技术可成为裸机的通用标准网卡解决方案

（二）核心理念

1. 不重复造轮子，仅在能带来实际价值的领域进行创新
2. 依托坚实基础：以负责规范的 virtio Oasis 社区，以及 virtio 所涉及的开源实现（如内核、QEMU、DPDK 等项目）为基础
3. 避免厂商锁定：通过利用标准构建块进行创新，为用户带来切实价值，同时防止厂商锁定问题

四、2020 年 Virtio-networking 系列博客计划

（一）virtio 规范深入解析

• 现有不足：此前系列仅简要讨论 virtio 规范及不同的环形布局
• 计划内容：进一步探索规范，包括特性位与协商、通知机制、虚拟队列（拆分环和打包环布局）、设备初始化、传输选项，以及各类设备类型
• 目标价值：帮助读者快速掌握规范核心，无需阅读约 158 页的完整规范

（二）Kubernetes vDPA 集成细节

• 现有不足：此前仅从高层级解释 Kubernetes vDPA 集成，缺乏实际实现相关细节
• 计划内容：涵盖 vDPA 设备插件、vDPA CNI（可能是 SR-IOV 插件和 CNI 的配置附加组件）、初始化过程，以及与多个 Kubernetes 内部模型的连接
• 发展阶段：该架构和实现处于高级开发阶段，将在后续系列中详细描述

（三）AF_VIRTIO 技术探索

• 核心目标：简化 vDPA 接口的使用
• 技术路径：无需使用 DPDK 库来调用加速接口，而是采用 Linux 风格的套接字
• 优势平衡：在保持高速 / 低延迟特性的同时，大幅简化用户体验
• 当前阶段：处于初始概念化和设计阶段

（四）Scalable IOV 技术介绍

• 技术来源：由 Intel 开发的新技术

• 核心机制：为每个 PCI 事务添加名为 PASID（Process Address Space ID）的标识，实现资源与进程的细粒度关联（替代或补充 VF），并结合 IOMMU

• 关键优势：

  • 突破限制：不再受 VF 数量对虚拟设备 / 连接数量的限制，支持的数量可提升一个数量级甚至更多
  • 功能支持：支持 PRI（Page Request Interface），实现 CPU 与设备间的灵活协作
  • 兼容扩展：vDPA 和 AF_VIRTIO 可利用该接口
  • 高级特性：无需像当前那样固定内存页，支持 KSM（内核同页合并）、NUMA 平衡和透明大页；通过硬件实现 vIOMMU，支持客户机用户空间的 DPDK 应用和嵌套功能

• 后续计划：在未来博客中详细阐述该技术

（五）Virtio 作为裸机驱动的探索

• 目标愿景：打造一种单一网络驱动，可在任意硬件、任意 NIC 以及任意 OS 上使用（以存储领域的 NVMe 为示例参考）
• 当前进展：仍有较长的路要走，但目前已实现的 vDPA 驱动正为这一宏大方向奠定基础

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4. 关键问题

问题 1：Virtio-networking 首个系列博客主要涵盖了哪些核心架构，各架构涉及哪些关键技术，且这些架构之间有何差异？

• 答案：首个系列博客主要涵盖 vhost-net/virtio-net、vhost-user/virtio-pmd、vDPA 及 virtio 全硬件卸载四大核心架构。

  • vhost-net/virtio-net 架构：涉及 KVM、QEMU、libvirt 等组件，简要提及 virtio 规范（设备 / 驱动）、vhost 协议，还包括用于外部通信的 Open vSwitch（OVS），是基础的 Virtio 网络架构。
  • vhost-user/virtio-pmd 架构：以 DPDK、OVS-DPDK、DPDK 中的 vhost-user 库为核心，搭配 VFIO、virtio-pmd 驱动、IOMMU 和 vIOMMU，支持用户空间网络应用直接访问 NIC 设备，属于用户空间优化架构。
  • vDPA 架构：以 SRIOV 为对比基础，依托 MDEV（含 virtio-mdev、vhost-mdev）及 VFIO，结合 virtio 全硬件卸载技术，专注于为 VM 提供线速性能，属于数据路径加速架构。
  • virtio 全硬件卸载架构：核心是借助硬件实现卸载能力，与 vDPA 一同相较于 SR-IOV 更具价值，侧重硬件加速卸载。
  • 差异方面：从技术侧重看，vhost-net/virtio-net 偏向基础虚拟化组件协同，vhost-user/virtio-pmd 聚焦用户空间直接访问优化，vDPA 和 virtio 全硬件卸载则强调高性能与硬件加速；从应用场景看，前两者是基础架构，后两者更针对高性能需求场景（如 VM 线速性能）。

问题 2：Virtio-networking 社区的目标是什么，为实现该目标秉持怎样的理念，且 2020 年计划通过哪些技术方向推进目标达成？

• 答案：

  • 社区目标：短期目标是在混合虚拟 / 云原生环境及混合云中，利用 virtio 技术为 VM 和容器提供网络加速；长远愿景是让 virtio 技术成为裸机的通用标准网卡解决方案。

  • 秉持理念：一是不重复造轮子，仅在能带来实际价值的领域创新；二是以 virtio Oasis 社区（负责规范）和 virtio 相关开源实现（如内核、QEMU、DPDK 等）为坚实基础；三是通过利用标准构建块创新，为用户创造价值，避免厂商锁定。

  • 2020 年推进方向：

    1. 深入解析 virtio 规范，涵盖特性位与协商、虚拟队列布局等核心内容，帮助用户快速掌握规范核心，无需阅读约 158 页完整规范。
    2. 详解 Kubernetes vDPA 集成细节，包括 vDPA 设备插件、vDPA CNI 等，该架构和实现处于高级开发阶段。
    3. 探索 AF_VIRTIO 技术，以 Linux 风格套接字替代 DPDK 库简化 vDPA 接口使用，平衡性能与用户体验，目前处于初始概念化和设计阶段。
    4. 介绍 Intel 的 Scalable IOV 技术，借助 PASID 突破 VF 数量限制，支持 PRI 及多种高级特性，且 vDPA 和 AF_VIRTIO 可利用该接口。
    5. 探索 Virtio 作为裸机驱动的方向，目标实现跨硬件、NIC、OS 的统一驱动，当前 vDPA 驱动已奠定基础。

问题 3：在容器应用场景中，Virtio-networking 技术如何发挥作用，有哪些实际应用案例支撑，且这些应用体现了该技术的哪些优势？

• 答案：

  • 技术作用：在容器场景中，Virtio-networking 通过 vDPA 技术，结合 Kubernetes 编排和 Multus CNI，为容器提供线速（wirespeed）/ 线延迟（wirelatency）的 L2 接口，突破容器网络性能壁垒；同时，借助 Multus 实现的次级加速接口，结合 vDPA、virtio 全硬件卸载等技术，支持容器在混合云环境中灵活部署。

  • 实际应用案例：在 2019 年 11 月的 Kubecon NA 上，有两个相关演示案例：一是基于 vDPA、Kubernetes 和 Multus CNI 为容器提供高性能 L2 接口的演示；二是展示单个带有次级加速接口的容器镜像，无需修改即可在多个云上运行的演示。

  • 体现优势：

    1. 高性能：vDPA 技术为容器带来线速 / 线延迟的网络性能，满足高性能网络应用需求。
    2. 灵活性与兼容性：混合云场景下，容器镜像无需修改即可跨云运行，降低了部署复杂度，提升了应用在不同云环境中的兼容性和灵活性。
    3. 标准化与无锁定：基于 Virtio 开放标准技术，避免依赖特定厂商解决方案，防止厂商锁定，为用户提供更多选择空间。

参考

1. www.redhat.com/en/blog/vir...