vhost技术：加速虚拟化I/O的利器在虚拟化环境中，虚拟机（VM）的I/O性能一直是影响系统性能的关键因素之一。传统的I/O虚拟化方案往往存在性能瓶颈，尤其是在处理高负载的存储I/O时。为了突破这些限制，vhost技术应运而生。

1. vhost技术的背景与动机

在虚拟化环境中，虚拟机通过虚拟设备与宿主机的物理设备进行通信。传统的I/O虚拟化方案主要有以下几种：

• 纯软件模拟：通过软件完全模拟设备，性能较差，但兼容性好。
• 半虚拟化（Para-Virtualization）：通过在虚拟机中安装特定的驱动程序（如virtio驱动），与宿主机的后端进行通信，性能优于纯软件模拟。
• 硬件虚拟化：如SR-IOV和VT-D，直接将物理设备或其虚拟功能（VF）分配给虚拟机，性能最高，但对硬件和操作系统支持要求较高。

然而，即使是半虚拟化的virtio方案，也存在一些性能瓶颈。例如，当虚拟机向宿主机提交I/O请求时，需要通过PCI配置空间通知宿主机，这会导致VM_EXIT事件，增加CPU上下文切换的开销。此外，数据在用户态和内核态之间的复制也会降低性能。

Virtio 介绍

Virtio 基于 Vring 的 I/O 通讯机制，相比 QEMU 的纯软件模拟，有效降低了 I/O 延迟，具有性能优势。
Virtio的引入，也开始让不同厂商的半虚拟化IO设备的实现方式趋于统一。

Virtio 由三部分组成：

• 前端是驱动层，位于 Guest 系统内部
• 中间是虚拟队列（virtqueue），负责数据传输和命令交互
• 后端设备层，用于具体处理 Guest 发送的请求。

virtio-blk数据路径为例

1. Guest 发起 I/O 操作，Guest 内核 Virtio 驱动写 PCI 配置空间，触发 VM EXIT，返回到 Host KVM 中（通知 KVM）；
2. QEMU 的 vCPU 线程从 KVM 内核态回到 QEMU，让 QEMU Device 来处理 Virtio Vring 请求；
3. QEMU 通过 iSCSI Drive 发起存储连接（iscsi over tcp to localhost）；
4. 通过 Socket 将请求连接到存储进程提供的 iSCSI Target；
5. 存储引擎接收请求并进行 I/O 处理；
6. 存储引擎发起对本地存储介质的 I/O；
7. I/O 操作结束，通过上述逆过程返回至 Virtio 后端 Device，QEMU 会向模拟的 PCI 发送中断通知，从而 Guest 基于该中断完成整个 I/O 流程。

下图的讲解更加详细（基于SmartX ZBS），但内容是一致的：

数据流从用户态到内核态再到用户态。

2. vhost技术的核心原理

如前所述，Virtio 后端 Device 用于具体处理 Guest 的请求，负责 I/O 的响应，把 I/O 处理模块放在 QEMU 进程之外，并将其放到用户态或内核态的后端进程中，从而减少了上下文切换和数据拷贝的开销。
这种实现的方案称为 vhost。

vhost技术的核心在于优化虚拟机与宿主机之间的I/O通信路径。它通过以下几种方式实现性能提升：

2.1 vhost-kernel

vhost-kernel是vhost技术的早期实现，将I/O处理逻辑放到Linux内核中。它通过内核模块直接处理虚拟机的I/O请求，减少了用户态到内核态的上下文切换。然而，尽管vhost-kernel优化了数据处理路径，但虚拟机仍然需要通过PCI配置空间通知宿主机，这仍然会导致VM_EXIT事件。

2.2 vhost-user

vhost-user是vhost技术的另一种实现方式，将I/O处理逻辑完全放到用户态进程中。与vhost-kernel相比，vhost-user通过轮询机制检测I/O请求，避免了虚拟机更新PCI配置空间的需要，从而消除了VM_EXIT事件。此外，vhost-user还支持零拷贝技术，进一步减少了数据拷贝的开销。

举例

1. 当 Guest 发起 I/O 操作后，存储软件通过 Polling 机制感知新的请求动作，从 virtqueue 获取数据；
2. 存储引擎接收请求并进行 I/O 处理；
3. 存储引擎发起对本地存储介质的 I/O；
4. I/O 操作完成后，由 vhost device 发送 irqfd（eventfd）通知到 KVM；
5. KVM 注入中断通知 Guest OS 完成 I/O。

下图的讲解更加详细（基于SmartX ZBS），但内容是一致的：

整个过程，绕开QEMU，存储可以直接处理IO请求。

2.3 SPDK vhost

SPDK是一个高性能的存储开发工具包，它通过用户态编程和轮询机制实现了高效的I/O处理。SPDK vhost是基于vhost-user技术的进一步优化，它结合了SPDK的高性能存储后端（如NVMe、malloc ramdisk等），提供了极致的I/O性能。

vhost的优势

IO请求处理

开启vhost之前的IO：Guest OS -> QEMU -> Storage -> QEMU -> KVM -> Guest OS
开启vhost之后的IO：Guest OS -> Storage -> KVM -> Guest OS

通过 vhost-user target 来直接处理 IO 请求，不再需要 QEMU 的参与，绕开了由 QEMU 处理 IO 请求的线程资源有限所造成的瓶颈

数据传输

未启用vhost。在原有的 IO 路径下，数据需要经过 iSCSI 协议的封装而后通过 TCP 完成 QEMU 和 Chunk 之间的传输，在这个过程中，有两个方面造成了数据写入的性能损耗：

• iSCSI over TCP 模式在本地网络协议栈传输存在性能衰减
• 使用 iSCSI 协议造成的封装开销

启用vhost，由于其共享内存，Storage和Guest OS直接共享数据，不依靠iSCSI传输数据。

控制链路调整

3. SPDK vhost的实现与配置

SPDK vhost支持多种虚拟化设备，包括vhost-scsi和vhost-blk。以下是一个典型的SPDK vhost配置和使用流程：

3.1 环境准备

安装SPDK：根据SPDK的官方文档，编译并安装SPDK。
配置hugepages：SPDK需要使用hugepages来分配大页内存，以减少内存碎片和提高性能。例如，可以使用以下命令分配4GiB的hugepages：

HUGEMEM=4096 scripts/setup.sh

3.2 启动SPDK vhost服务

启动SPDK vhost服务时，需要指定CPU核心和socket路径。例如，以下命令在CPU核心0和1上启动vhost服务，并将socket文件放在/var/tmp目录下：

build/bin/vhost -S /var/tmp -m 0x3

3.3 创建虚拟块设备

SPDK支持多种存储后端，包括NVMe、malloc ramdisk和Linux AIO等。以下命令创建一个64MB的malloc ramdisk块设备：

scripts/rpc.py bdev_malloc_create 64 512 -b Malloc0

3.4 创建vhost设备

接下来，创建一个vhost-scsi控制器，并将其与malloc块设备绑定：

scripts/rpc.py vhost_create_scsi_controller --cpumask 0x1 vhost.0
scripts/rpc.py vhost_scsi_controller_add_target vhost.0 0 Malloc0

3.5 配置QEMU

最后，启动虚拟机并连接到SPDK vhost设备。以下是一个示例QEMU命令：

qemu-system-x86_64 \
  --enable-kvm \
  -cpu host -smp 2 \
  -m 1G -object memory-backend-file,id=mem0,size=1G,mem-path=/dev/hugepages,share=on -numa node,memdev=mem0 \
  -drive file=guest_os_image.qcow2,if=none,id=disk \
  -device ide-hd,drive=disk,bootindex=0 \
  -chardev socket,id=spdk_vhost_scsi0,path=/var/tmp/vhost.0 \
  -device vhost-user-scsi-pci,id=scsi0,chardev=spdk_vhost_scsi0,num_queues=2

4. SPDK vhost的优势

SPDK vhost通过以下方式显著提升了虚拟化环境中的I/O性能：
零拷贝技术：通过内存共享和轮询机制，消除了数据在用户态和内核态之间的拷贝。
减少上下文切换：通过轮询机制避免了虚拟机更新PCI配置空间的需要，减少了VM_EXIT事件。
高性能存储后端：结合SPDK的高性能存储后端（如NVMe），提供了极致的I/O性能。
灵活的配置：支持多种存储后端和虚拟化设备，适用于不同的应用场景。

vhost的限制

虚拟机内存

vhost-user 的共享内存机制对 VM 的运行有两个要求：

• Huge page（大页内存），提供给 VM 的内存不再是普通的内存，而是 Huge page 模式；
• 完全预留，VM 使用的内存在运行时需要全部分配并始终独占，不支持 VM 内存超分。

磁盘限速

一开始的QOS基于QEMU，由于启用后不再经过qemu，所以仅支持存储端的磁盘限速

迁移

不支持 开启与没开启的集群之间 热迁移

参考

SPDK: vhost Target

SPDK Vhost-user 如何帮助超融合架构实现 I/O 存储性能提升