vhost protocol
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发布时间：2024-10-23 01:22
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时间：2024-11-05 03:57
virtio网络设备是虚拟以太网卡，支持TX/RX多队列。接收数据包时，空缓冲区放置在RX virtqueue中，输出数据包则在TX virtqueue中进行传输。管理通信通过另一个队列完成，例如设置MAC地址或调整队列数量。此设备支持卸载功能，如计算校验和、GSO/GRO，让真实物理网络设备执行。
发送数据包时，驱动程序填充描述符，包括卸载信息和数据帧缓冲区。数据帧可以以SG形式串联成多个描述符。这些数据结构由guest中的驱动程序分配和管理，但由于设备实际在QEMU内，QEMU可以访问所有guest内存，因此设备能够定位缓冲区并读写它们。
接收数据包流程类似，唯一的区别是空缓冲区由guest预先分配，以便将接收到的数据写入这些缓冲区。
然而，QEMU实现virtio-net设备存在一些缺点，包括高昂的上下文切换成本、需要额外的任务/线程同步机制、每个报文收发需要系统调用和数据拷贝、使用ioctl发送通知以及需要额外系统调用来恢复vCPU执行。
为了解决这些问题，设计了vhost协议，它是一种基于消息的协议，允许hypervisor将数据平面卸载到更高效的组件。使用vhost API，hypervisor向handler发送内存布局、文件描述符等配置信息，卸载设备完全由handler处理，它直接访问virtqueues内存区域并直接向guest发送/接收通知。
vhost消息可以在主机本地传输协议中交换，如Unix套接字或字符设备，hypervisor和handler可以作为服务器或客户端进行通信。在这种情况下，vhost-net内核驱动程序作为handler实现vhost协议，与QEMU交互并处理数据包转发。
加载vhost-net内核驱动程序后，创建/dev/vhost-net字符设备，qemu使用ioctl调用初始化vhost-net实例，包括将hypervisor与实例关联、准备功能协商并传递guest物理内存映射。初始化期间创建名为vhost-$pid的内核线程，用于处理I/O事件，如轮询guest驱动的通知或tap事件。
使用eventfd实现通知绕过机制，vhost工作线程轮询它，当guest写入特定PCI MMIO地址触发vm-exit进入KVM时，KVM检测到关联的ioeventfd并写入fd。这避免了昂贵的QEMU进程唤醒，同时实现异步处理，无需立即上下文切换。
另外，使用irqfd实现直接vCPU中断注入机制，允许主机进程通过写入irqfd向guest注入中断，同样具备异步处理和无需立即上下文切换的优点。
值得注意的是，尽管此类更改发生在后端数据包处理中，但对仍然使用标准virtio接口的guest来说，这一变化是透明的。
