|
|
|
|
公众号矩阵

Linux虚拟化KVM-Qemu分析之Virtio设备

本文先从Qemu侧的virtio device入手,我会选择从一个实际的设备来阐述,没错,还是上篇文章中提到的网络设备。

作者:LoyenWang来源:LoyenWang|2021-02-14 16:49

 

本文转载自微信公众号「LoyenWang」,作者LoyenWang。转载本文请联系LoyenWang公众号。   

背景

  • Read the fucking source code! --By 鲁迅
  • A picture is worth a thousand words. --By 高尔基

说明:

  1. KVM版本:5.9.1
  2. QEMU版本:5.0.0
  3. 工具:Source Insight 3.5, Visio
  4. 文章同步在博客园:https://www.cnblogs.com/LoyenWang/

新的一年, 大家牛起来!

祝小姐姐们:

落雁沉鱼 兰质蕙心 明眸皓齿 螓首蛾眉 天生丽质 天香国色 杏脸桃腮 煦色韶光 涎玉沫珠 宜嗔宜喜 远山芙蓉 艳色绝世 余霞成绮 阿娇金屋 逞娇呈美 国色天香 花颜月貌 绝色佳人 暗香盈袖 闭月羞花 倾国倾城 温婉娴淑 千娇百媚 仪态万千...

祝男的:

新年好。

1. 概述

先来张图:

  • 图中罗列了四个关键模块:Virtio Device、Virtio Driver、Virtqueue、Notification(eventfd/irqfd);
  • Virtio Driver:前端部分,处理用户请求,并将I/O请求转移到后端;
  • Virtio Device:后端部分,由Qemu来实现,接收前端的I/O请求,并通过物理设备进行I/O操作;
  • Virtqueue:中间层部分,用于数据的传输;
  • Notification:交互方式,用于异步事件的通知;

想在一篇文章中写完这四个模块,有点too yong too simple,所以,看起来又是一个系列文章了。

本文先从Qemu侧的virtio device入手,我会选择从一个实际的设备来阐述,没错,还是上篇文章中提到的网络设备。

2. 流程分析

在Qemu的网卡虚拟化时,通常会创建一个虚拟网卡前端和虚拟网卡后端,如下图:

  • 在虚拟机创建的时候指定参数:-netdev tap, id = tap0, -device virtio-net-pci, netdev=tap0;
  • 创建一个Tap网卡后端设备;
  • 创建一个Virtio-Net网卡前端设备;
  • 网卡前端设备和后端设备进行交互,最终与Host的驱动完成数据的收发;

全文围绕着Tap设备的创建和Virtio-Net设备的创建展开。

入口流程如下:

  • Qemu的代码阅读起来还是比较费劲的,各种盘根错节,里边充斥着面向对象的思想,先给自己挖个坑,后续会专题研究的,this is for you, you have my words.;
  • 图中与本文相关的有三个模块:1)模块初始化;2)网络设备初始化;3)设备初始化;
  1. Qemu中设备模拟通过type_init先编译进系统,在module_call_init时进行回调,比如图中的xxx_register_types,在这些函数中都是根据TypeInfo类型信息来创建具体的实现;
  2. net_init_client用来创建网络设备,比如Tap设备;
  3. device_init_func根据Qemu命令的传入参数创建虚拟设备,比如Virtio-Net;

下边进入细节,the devil is in the details。

3. tap创建

从上文中,我们知道,Tap与Virtio-Net属于前后端的关系,最终是通过结构体分别指向对方,如下图:

  • NetClientState是网卡模拟的核心结构,表示网络设备中的几个端点,两个端点通过peer指向对方;

创建Tap设备的主要工作就是创建一个NetClientState结构,并添加到net_clients链表中:

函数的调用细节如下图:

  • 处理流程只关注了核心的处理流程,整个过程有很多关于传入参数的处理,选择性忽略了;
  • net_tap_init:与Host的tun驱动进行交互,其实质就是打开该设备文件,并进行相应的配置等;
  • net_tap_fd_init:根据net_tap_info结构,创建NetClientState,并进行相关设置,这里边net_tap_info结构体中的接收函数指针用于实际的数据传输处理;
  • tap_read_poll用于将fd添加到Qemu的AioContext中,用于异步响应,当有数据来临时,捕获事件并进行处理;

以上就是Tap后端的创建过程,下文将针对前端创建了。

4. virtio-net创建

这是一个复杂的流程。

4.1 数据结构

Qemu中用C语言实现了面向对象的模型,用于对设备进行抽象,精妙!

针对Virtio-Net设备,结构体及拓扑组织关系如下图:

  • DeviceState作为所有设备的父类,其中派生了VirtIODevice和PCIDevice,而本文研究的Virtio-Net派生自VirtIODevice;
  • Qemu中会虚拟一个PCI总线,同时创建virtio-net-pci,virtio-balloon-pci,virtio-scsi-pci等PCI代理设备,这些代理设备挂载在PCI总线上,同时会创建Virtio总线,用于挂载最终的设备,比如VirtIONet;
  • PCI代理设备就是一个纽带;

4.2 流程分析

与设备创建相关的三个函数,可以从device_init_func入口跟踪得知:

  • 当Qemu命令通过-device传入参数时,device_init_func会根据参数去查找设备,并最终调用到该设备对应的类初始化函数、对象初始化函数、以及realize函数;
  • 所以,我们的分析就是这三个入口;

4.2.1 class_init

  • 在网卡虚拟化过程中,参数只需要指定PCI代理设备即可,也就是-device virtio-net-pci, netdev=tap0,从而会调用到virtio_net_pci_class_init函数;
  • 由于实现了类的继承关系,在子类初始化之前,需要先调用父类的实现,图中也表明了继承关系以及调用函数顺序;
  • C语言实现继承,也就是将父对象放置在自己结构体的开始位置,图中的颜色能看出来;

4.2.2 instance_init

类初始化结束后,开始对象的创建:

  • 针对Virtio-Net-PCI的实例化比较简单,作为代理,负责将它的后继对象初始化,也就是本文的前端设备Virtio-Net;

4.2.3 realize

  • realize的调用,比较绕,简单来说,它的类继承关系中存在多个realize的函数指针,最终会从父类开始执行,一直调用到子类,而这些函数指针的初始化在什么时候做的呢?没错,就是在class_init类初始化的时候,进行了赋值,细节不表,结论可靠;
  • 最终的调用关系就如图了;

到目前为止,我们似乎都还没有看到Virtio-Net设备的相关操作,不用着急,已经很接近真相了:

  • virtio_net_pci_realize函数,会触发virtio_device_realize的调用,该函数是一个通用的virtio设备实现函数,所有的virtio设备都会调用,而我们的前端设备Virtio-Net也是virtio设备;
  • virtio_net_device_realize就到了我们的主角了,它进行了virtio通用的设置(后续在数据通信中再分析),还创建了一个NetClientState端点,与Tap设备对应,分别指向了对方,惺惺相惜,各自安好;
  • virtio_bus_device_plugged表示设备插入总线时的处理,完成的工作就是按照PCI总线规划,配置各类信息,以便与Guest OS中的virtio驱动交互,后续的文章再分析了;

本文基本捋清了虚拟网卡前端设备和后端设备的创建过程,完成的工作只是绑定了彼此,数据交互以及通知机制,留给后续吧。

参考

《 Virtual I/O Device (VIRTIO) Version 1.1》

https://www.redhat.com/en/blog/virtio-devices-and-drivers-overview-headjack-and-phone

【编辑推荐】

  1. 适用于软件工程师的很棒的Linux发行版
  2. 【张彬Linux】Openstack实战部署、运维和管理实战视频课程
  3. 嵌入式Linux shell核心命令
  4. 超简洁的Linux运维入门视频课程第一部分(2019全新)
  5. Linux平台MariaDB安装配置与管理入门_MySQL数据库基础与项目实战04
【责任编辑:武晓燕 TEL:(010)68476606】

点赞 0
分享:
大家都在看
猜你喜欢

订阅专栏+更多

数据湖与数据仓库的分析实践攻略

数据湖与数据仓库的分析实践攻略

助力现代化数据管理:数据湖与数据仓库的分析实践攻略
共3章 | 创世达人

5人订阅学习

云原生架构实践

云原生架构实践

新技术引领移动互联网进入急速赛道
共3章 | KaliArch

32人订阅学习

数据中心和VPDN网络建设案例

数据中心和VPDN网络建设案例

漫画+案例
共20章 | 捷哥CCIE

219人订阅学习

订阅51CTO邮刊

点击这里查看样刊

订阅51CTO邮刊

51CTO服务号

51CTO官微