仮想化: Virtio-Net の基礎

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Virtio の基本

1. virtioの提案

システム仮想化技術は、クラウドコンピューティングの最も重要なコア技術の 1 つです。クラウドコンピューティングプラットフォームのリソースプーリング、統合リソース管理、およびそれに続く動的割り当てはすべて、システム仮想化テクノロジに基づいて可能になります。コンピュータシステムには、主にコンピューティングリソース、ストレージリソース、ネットワークリソースがあります。したがって、システム仮想化テクノロジは、コンピューティング仮想化、ストレージ仮想化、ネットワーク仮想化にさらに分類できます。ストレージデバイスやネットワークデバイスは、一般的に周辺機器の形で I/O バスを介して CPU に接続されるため、ストレージ仮想化とネットワーク仮想化は総称して I/O 仮想化技術として分類できます。ここで紹介する virtio は、最も人気のある I/O 仮想化テクノロジーです。

I/O 仮想化テクノロジーは、完全仮想化と準仮想化の 2 つのタイプに分けられます。

完全仮想化: ゲスト OS は仮想マシンであることを認識しないため、ゲスト OS ドライバーを変更する必要はありません。これにより、ゲスト OS の移植性は高まりますが、仮想マシンの I/O パフォーマンスは高くありません。
準仮想化: ゲスト OS は仮想マシンであることを認識し、フロントエンドドライバーとバックエンドのシミュレートされたデバイスの連携を通じて IO 仮想化を実装します。完全仮想化と比較して、準仮想化テクノロジは仮想マシンの I/O パフォーマンスを大幅に向上させるのに役立ちます。現在、Linux 上の virtio の特定の実装はクラウドコンピューティングシナリオで広く使用されており、virtio は、Linux 以外のシステムにも適用できる仮想化 I/O テクノロジの抽象インターフェイス仕様および事実上の標準となっています。

2. Virtioの全体設計コンセプト

virtio の全体的な設計コンセプトは、直感的、効率的、標準化、拡張可能という 4 つのポイントに要約できます。

1) 直感的: Virtio デバイスは、以前のハードウェアデバイスと同じように設計されており、割り込みや DMA などの一般的なバスメカニズムをサポートしています。この設計により、ドライバー開発者は virtio デバイスドライバーの開発をすぐに開始して完了することができます。

2) 効率性: Virtio デバイスは個別の入力チャネルと出力チャネルをサポートし、大量のデータを送信しても高い効率を維持できます。

3) 標準化: ハードウェアアーキテクチャやオペレーティングシステム環境に依存せず、複数の異なるバスの伝送メカニズムをサポートします(virtio仕様1.1では、PCI、MMIO、チャネルI/Oバスをサポートします。例えば、PCIをサポートしていない組み込み機器でも、MMIOを使用してvirtioを使用できます)。

4) スケーラビリティ: virtio デバイスの検出とデバイスの初期化中に、機能ビット識別子を導入することで動的適応ネゴシエーションメカニズムが実装され、virtio フロントエンドドライバーとバックエンドのシミュレートされたデバイス間の互換性が確保されます。

3. virtioの基本原則

次に、最も広く使用されている QEMU/KVM シナリオを例にして、virtio の基本原理をさらに説明します。仮想マシンは物理ホスト上の QEMU プロセスであり、ユーザーモードで実行されます。仮想マシン内の virtio フロントエンドドライバーによって要求されたキャッシュは、デバイス空間と QEMU のアドレス空間にマップされるため、QEMU は共有メモリを介してこれらのキャッシュを読み書きできます。これにより、virtio フロントエンドドライバー (仮想マシン Linux カーネルのドライバー) とバックエンドシミュレートデバイス (QEMU バックエンドデバイスシミュレーションプログラム) 間のデータ転送のゼロコピーが実現され、仮想マシンの I/O パフォーマンスが大幅に向上します。

QEMU/KVM での virtio フロントエンドとバックエンドの実装

Virtio は、仮想マシンカーネルにフロントエンドドライバーを実装し、QEMU にバックエンドシミュレーションデバイスを実装します。フロントエンドとバックエンドは、仮想キュー (Virtqueue) を介して通信し、データを交換します。 Virtio デバイスには、さまざまなバスメカニズムに対してさまざまな実装方法があります。 PCI デバイスは最も広く使用されているデバイスであるため、virtio の PCI ネットワークカードを例にして説明します。 virtio-net フロントエンドとバックエンドの実装を図 2 に示します。

図[1] QEMU/KVM での virtio-net フロントエンドとバックエンドの実装

Virtio デバイスの検出と初期化

仮想マシンが起動すると、virtio フロントエンドドライバーは、PCI 製造元識別子と PCI デバイス識別子を含めて、自身を PCI デバイスとして識別します。仮想マシンのカーネルは、この識別子に基づいてどのドライバーを使用するかを決定できます。仮想マシンの Linux カーネルにはすでに virtio ドライバーが含まれているため、virtio デバイスを初期化するために virtio ドライバーが呼び出されます。 virtio フロントエンドドライバーは、PCI デバイスの通常の初期化操作を完了するだけでなく、初期化プロセス中にバックエンドデバイスエミュレーションプログラムと機能ビットをネゴシエートし、最終結果をデバイスステータスに記録します。具体的な実装コードについては、図 2 に示すように、カーネルコード linux-3.10.0-957.1.3.el7/drivers/virtio/virtio.c の virtio_dev_probe() 関数を参照してください。

図2. Virtioデバイスの初期化、機能のネゴシエーション、デバイスステータスビットの最終設定

ここで紹介する必要がある重要なデータ構造が 2 つあります。

機能ビットは、デバイスがサポートできる機能を示すために使用されます。 virtio デバイスが初期化されると、ドライバーは機能ビットを読み取り、デバイスが受け入れ可能な機能を通知します。バックエンドシミュレーションデバイスがアップグレードされ、新しい機能が有効になっていても、仮想マシンのドライバーがそれを認識できない場合、両者はその機能を通じてネゴシエートします。
デバイスステータス: デバイスの現在のステータスを示すために使用されます。 virtio デバイスの検出、初期化、および機能ネゴシエーションのプロセス中に、デバイスステータスビットを表示することで、virtio デバイスのステータスを確認できます。たとえば、virtio_CONFIG_S_FEATURES_OK は機能ネゴシエーションが成功したことを示し、virtio_CONFIG_S_DRIVER_OK はドライバーが正常に構成されたことを示します。
Virtio ネットワークカード送信データ処理プロセス

仮想キュー (Virtqueue) は、virtio フロントエンドドライバーと virtio バックエンドシミュレートデバイス間の双方向データ転送に使用されるデータ構造です。各 virtio デバイスは 1 つ以上の仮想キューを維持します。 virtio ネットワークデバイスを例にとると、少なくとも 2 つの仮想キューが維持されます。1 つは送信するデータを格納するためのもので、もう 1 つは受信した受信確認を格納するためのものです。各仮想キューデータ構造は、記述子テーブル、使用可能なリング、使用済みリングの 3 つの部分で構成されます。

記述子テーブルはキャッシュのセットを記述するために使用され、virtio フロントエンドドライバーによって作成されます。キャッシュに関連する情報は主に物理アドレスと長さです。キャッシュ配列の数はキューのサイズによって決まります。
使用可能なリングは、virtio フロントエンドドライバーによって、virtio バックエンドのシミュレートされたデバイスにデータを送信するために使われます。たとえば、仮想マシンが virtio-net デバイスを使用してデータを送信する場合、送信されたデータは最初にここにキャッシュされ、次に virtio バックエンドのシミュレートされたデバイスにそのデータを読み取るように通知されます。つまり、使用可能なリングのキャッシュは、フロントエンドによってのみ書き込まれ、バックエンドによってのみ読み取られます。
使用されるリングは、virtio バックエンドシミュレーションデバイスによって、virtio フロントエンドドライバーにデータを送信するために使用されます。たとえば、virtio バックエンドシミュレーションデバイスは、tap ネットワークインターフェイスからデータを受信すると、受信したデータをここでキャッシュし、virtio フロントエンドドライバーに通知します。つまり、使用されているリングのキャッシュは、バックエンドによってのみ書き込まれ、フロントエンドによってのみ読み取られます。

図3. Virtio仕様における仮想キューの定義

図4. virtio仕様における使用済みリングと使用可能リングの定義

次に、仮想マシンによるデータ送信を例に、Linux 3.10 と QEMU1.5 のコード実装を組み合わせて、QEMU/KVM シナリオにおける具体的な実装プロセスを詳しく説明します。

virtioフロントエンドドライバはデータパケットを埋めて通知を発行する

QEMU 仮想マシンの virtio ネットワークカードドライバーが初期化されると、他のネットワークドライバーと同様に送信関数 xmit_skb() が登録されます。具体的な実装は図 5 と 6 に示されています。したがって、仮想マシンの virtio ネットワークカードがデータを送信すると、事前に登録された関数 xmit_skb() が呼び出されます。送信されるデータは、virtqueue_add_outbuf() を呼び出すことによって使用可能なリングに配置されます。最後に、virtqueue_add_outbuf() 関数内で、virtqueue_kick() 関数が呼び出され、さらに virtqueue_notify() 関数が呼び出されます。 virtqueue_notify() 関数では、図に示すように、virtio フロントエンドが実行されます。 7 は、I/O レジスタに書き込むことによって、virtio バックエンドシミュレーションデバイスに通知します。フロントエンドドライバーのこの部分のコードは、drivers/virtio/virtio_ring.c にあります。

図5. Virtioデバイスがデータパケットを送信する

図6. virtioフロントエンドドライバがQEMUに通知する

図7. virtio通知関数は最終的にレジスタに書き込みます

KVMはI/Oをインターセプトし、バックエンドに通知します

仮想マシン virtio フロントエンドドライバーが通知を送信する関数は、最終的に I/O 書き込み命令を実行します。 QEMU/KVM 環境では、仮想マシンが I/O 命令を実行すると、VMExit がトリガーされます。終了の理由は、KVM の VMExit コードで決定されます。 I/O操作に対応する処理関数はhandle_io()です。具体的なコードは、図 8 に示すように、linux-3.10.0-957.1.3.el7/arch/x86/kvm/vmx.c にあります。最後に、KVM は QEMU の virtio-net バックエンドシミュレーションデバイスに通知します。これには、KVM や eventfd などの通信メカニズムも含まれますが、スペースの制限により、ここでは詳細には説明しません。

図 8. KVM での I/O 操作の処理によって発生する VMExit コード

Virtio バックエンドシミュレーションデバイス処理通知

図に示すように、 8、KVMからの通知を受信した後、QEMUバックエンドデバイスエミュレーションプログラムはvirtio_queue_host_notifier_read()関数を呼び出し、次に事前登録された関数virtio_ioprt_write()を呼び出して、フロントエンドドライバーからのI/O書き込み操作を処理します。フロントエンドから通知を受信すると、処理のために virtio_queue_notify() 関数が呼び出されます。ネットワークデータパケットを受信すると、virtio_queue_notify() は、virtio-net ネットワークデバイスによって登録されたデータパケット受信関数 virtio_net_handle_rx() をさらに呼び出します。図 9 に示すように、qemu_flush_queued_packets() では、QEMU はデータを対応するキューにコピーし (QEMU のバックエンドに対応する異なるタップは異なるキューを維持します)、次に qemu_notify_event() を呼び出して virtio フロントエンドに通知し、最後に kvm_set_irq() を呼び出して vCPU 割り込みをトリガーし、virtio フロントエンドに通知します。

図9. virtioバックエンドデバイスによる通知受信後の処理

図10. Virtio-net事前登録データグラム受信機能

図11. virtioバックエンドデバイスはフロントエンドから送信されたデータパケットを処理する

参考リンク:

【1】Virtio ネットワークと vhost-net の詳細 (https://www.redhat.com/en/blog/deep-dive-virtio-networking-and-vhost-net)

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孫磊氏は、レノボ研究所およびNEC研究所で上級研究員および研究開発マネージャーとして10年間勤務しました。

ソフトウェア定義ネットワーク（SDN）、クラウドネットワーキング（OpenStack）など、クラウドコンピューティングの基盤技術を担当。

データプレーンの高速化など

彼は2020年に起業し、北京寿志科技有限公司の創設者です。

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