kvm虚拟化技术实战与原理解析（kvm虚拟化技术是什么）



virtio 是一种 I/O 半虚拟化解决方案，是对半虚拟化 Hypervisor 中的一组通用 I/O 设备的抽象，提供了一套上层应用与各 Hypervisor 虚拟化设备之间的通信框架和编程接口，减少跨平台所带来的兼容性问题，大大提高驱动程序开发效率。在完全虚拟化的解决方案中，性能开销较大，而半虚拟化通过底层硬件辅助，将部分指令通过硬件完成，guest 完成不同设备的前端驱动程序，Hypervisor 配合完成相应的后端驱动程序，virtio 就是这样一套标准，极大地解决了不通用的问题。

Open vSwitch（OVS）是一个开源的多层虚拟交换机，支持多种 linux 虚拟化技术，包括 Xen/XenServer、KVM 和 VirtualBox 等。在虚拟化平台上，OVS 可以为动态变化的端点提供 2 层交换功能，很好地控制虚拟网络中的访问策略、网络隔离、流量监控等。OVS 网络虚拟化可以将物理网络资源划分成多个逻辑网络，使得多个虚拟机可以共享同一个物理网络资源，实现网络资源的灵活分配和管理。

Intel® DPDK 全称 Intel Data Plane Development Kit，是 intel 提供的数据平面开发工具集，为 Intel architecture（IA）处理器架构下用户空间高效的数据包处理提供支持。DPDK 使用了轮询而不是中断来处理数据包，节省了大量的 CPU 中断时间和内存拷贝时间。DPDK 支持半虚拟化的前端 virtio 和后端 vhost，并且对前后端都有性能加速的设计。

SPDK（Storage Performance Development Kit）是高效磁盘 io 读写的技术框架。

NVMe（Non-Volatile Memory Express）是一种高速存储技术，虽然在虚拟化方面也有应用，但在本次讨论的几种技术中，与 virtio、OVS 和 DPDK 的虚拟化方向有所不同。

这些虚拟化技术在不同的场景下发挥着重要作用，为云计算、虚拟化等领域提供了强大的支持，提高了网络和存储资源的利用率和性能。

virtio 的半虚拟化原理是什么

virtio 是当前主流的 IO 设备半虚拟化解决方案，旨在为虚拟机和各种 Hypervisor 虚拟设备之间提供统一的通信框架和编程接口。virtio 由前端驱动、后端设备以及中间的传输层构成。前端驱动是虚拟机内部的 virtio 模拟设备对应的驱动程序，能够发现 virtio 设备、接受虚拟机内部请求，并依据 virtio 协议与设备通信。例如，Linux 内核已实现了一系列 virtio 前端驱动程序，包括 virtio-ballon、virtio-net、virtio-blk 和 virtio-scsi 等。后端设备承担模拟 virtio 后端设备以及依据 virtio 协议处理来自虚拟机端发送的请求两大主体功能。在 QEMU 的实现中，virtio 设备是 QEMU 为虚拟机模拟的 PCI 设备，遵循 PCI-SIG 定义的 PCI 规范，具有配置空间、中断配置等功能。中间的传输层主要是 virtio 虚拟队列接口和 virtio-ring。virtio 虚拟队列接口在概念上将前端驱动程序附加到后端处理程序，一个前端驱动程序可以使用多个队列，如 virtio-net 网络驱动程序使用两个虚拟队列（一个用于接收，另一个用于发送），而 virtio-blk 块驱动程序仅使用一个虚拟队列。virtio-ring 实现了环形缓冲区，用于保存前端驱动和后端处理程序执行的信息，可以一次性保存前端驱动的多次 I/O 请求，交由后端去批量处理，最后实际调用宿主机中设备驱动实现物理上的 I/O 操作，提高了客户机与 hypervisor 信息交换的效率。virtio 半虚拟化方案通过底层硬件辅助虚拟化的方式，将部分没必要虚拟化的指令通过硬件来完成，Hypervisor 只负责完成部分指令的虚拟化，以此提高 IO 性能。纯软件模拟的设备和 Virtio 设备的区别在于，virtio 省去了纯模拟模式下的异常捕获环节，Guest OS 可以和 QEMU 的 I/O 模块直接通信。

Intel DPDK 的优势

Intel DPDK 具有多方面的优势。首先，高吞吐量方面，DPDK 通过优化数据包的处理，可以在单核上达到高于 Linux 内核数倍的吞吐量。其次，低延迟，DPDK 绕过了操作系统的内核，直接在用户空间处理数据包，从而大大降低了延迟。再者，多核并行处理，DPDK 充分利用多核处理器的能力，通过并行处理技术，提高了数据包处理的并发性能。此外，定制性强，DPDK 提供了丰富的配置选项，可以根据实际需求进行定制，满足各种不同的应用场景。易于使用，DPDK 提供了丰富的 API 和工具，使得开发者可以更加方便地进行数据包处理应用的开发。最后，社区支持，DPDK 有活跃的社区和大量的成功案例，使得开发者可以得到及时的技术支持。DPDK 应用程序是运行在用户空间上利用自身提供的数据平面库来收发数据包，绕过了 Linux 内核协议栈对数据包处理过程。在实际运行过程中，DPDK 利用 DMA（直接内存访问）技术，实现数据在网卡和应用程序之间的零拷贝传输，提高了数据传输的效率。与此同时，利用多核处理器的并行计算能力处理多个数据包，提高吞吐量，释放大量 CPU 资源。

SPDK 的技术框架特点

SPDK（Storage Performance Development Kit）是一款面向磁盘存储的高性能开发工具集。SPDK 架构整体分为三层：存储协议层，支持的存储应用类型众多，如 NVMe-oF target 实现了 NVMe-oF 规范，对外提供基于 NVMe 协议的存储服务端，支持 RDMA 和 TCP 网络；iSCSI Target 等。SPDK 框架优点显著，具有轻量级特点，框架简洁高效，无需额外的资源消耗，降低了应用开发的复杂性。高性能方面，通过轮询模式和用户空间 I/O 处理，SPDK 实现了低延迟、高吞吐量的存储访问，大幅提升存储性能。易于集成，提供了丰富的 API 接口，方便开发者将其集成到现有的存储解决方案中。广泛应用于各种存储应用场景，如数据库、文件系统、对象存储等。SPDK 加速框架可以对支持内存操作卸载的硬件进行抽象和封装，使得上层软件层可以简便的使用，从而卸载 CPU 的一些工作量。主要支持多种内存加速操作，如内存拷贝、内存填充、内存比较、内存双播、内存 CRC32C 的计算、内存的 DIF 操作以及内存的拷贝加 CRC32C 操作等，提供统一的 API 接口。

NVMe 的高速存储技术原理

NVMe（Non-Volatile Memory Express）是一种高速存储技术。支持 NVMe 传输协议的 SSD 直接走 PCIe，并且 NVMe 的队列数量达到了惊人的五位数，它让电脑和固态硬盘之间的通路大大增加，因此能够充分利用这个优势，大大降低了延迟，进而实现了数倍于 SATA SSD 的性能。前端高速相机通过光纤把传感器采集的数据输入系统，系统将光纤数据解码后存入 DDR，NVME host IP 将 DDR 中的数据存入 SSD 硬盘。二者的工作原理我们可以看到，走 SATA 的 SSD 会被连接到南桥的 SATA port 上，因为其仅支持传统的 AHCI 协议，AHCI 只有 1 个命令队列，如果此时有大量的文件操作需求，便会出现拥堵的现象。NVMe 和 NVMe Over Fabric 的出现，打破了传统 SCSI 协议对性能的限制，多队列模型能更好的发挥高性能存储介质的性能。

virtio、ovs、dpdk、spdk、nvme 等虚拟化技术在当今的计算机领域中发挥着重要作用。virtio 通过半虚拟化的方式提高了虚拟机的 IO 性能；Intel DPDK 则在数据包处理方面具有高吞吐量、低延迟、多核并行处理等优势；SPDK 专注于磁盘存储的高性能开发，提供了丰富的 API 接口和高效的存储访问方式；NVMe 以其高速存储技术原理，为计算机存储带来了巨大的性能提升。这些技术的不断发展和创新，将进一步推动计算机虚拟化技术的进步，为各种应用场景提供更高效、更可靠的解决方案。

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