Virtio：针对 Linux 的 I/O 虚拟化框架

概而言之，virtio
是半虚拟化 hypervisor 中位于设备之上的抽象层。virtio
由 Rusty Russell 开发，他当时的目的是支持自己的虚拟化解决方案 lguest
。本文在开篇时介绍半虚拟化和模拟设备，然后探索 virtio
的细节。本文的重点是来自 2.6.30 内核发行版的 virtio
框架。
Linux 是 hypervisor 展台。如我的 剖析 Linux hypervisor
所述，Linux 提供各种 hypervisor 解决方案，这些解决方案都有自己的特点和优点。这些解决方案包括 Kernel-based Virtual Machine (KVM)、lguest
和 User-mode Linux 等。在 Linux 上配备这些不同的 hypervisor 解决方案会给操作系统带来负担，负担的大小取决于各个解决方案的需求。其中的一项开销为设备的虚拟化。virtio
并没有提供多种设备模拟机制（针对网络、块和其他驱动程序），而是为这些设备模拟提供一个通用的前端，从而标准化接口和增加代码的跨平台重用。
完全虚拟化和半虚拟化
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让我们快速讨论一下两种类型完全不同的虚拟化模式：完全虚拟化和半虚拟化。在完全虚拟化
中，来宾操作系统运行在位于物理机器上的 hypervisor 之上。来宾操作系统并不知道它已被虚拟化，并且不需要任何更改就可以在该配置下工作。相反，在半虚拟化
中，来宾操作系统不仅知道它运行在 hypervisor 之上，还包含让来宾操作系统更高效地过渡到 hypervisor 的代码（见 图 1
）。
在
完全虚拟化模式中，hypervisor
必须模拟设备硬件，它是在会话的最低级别进行模拟的（例如，网络驱动程序）。尽管在该抽象中模拟很干净，但它同时也是最低效、最复杂的。在半虚拟化模式
中，来宾操作系统和 hypervisor 能够共同合作，让模拟更加高效。半虚拟化方法的缺点是操作系统知道它被虚拟化，并且需要修改才能工作。


图 1. 在完全虚拟化和半虚拟化环境下的设备模拟

硬件随着虚拟化技术而不断改变。新的处理器通过纳入高级指令来让来宾操作系统到 hypervisor 的过渡更加高效。此外，硬件也随着输入/输出（I/O）虚拟化而不断改变（参见 参考资料
了解 Peripheral Controller Interconnect [PCI] passthrough 和 single- and
multi-root I/O 虚拟化）。
virtio 的替换者
virtio
并不是该领域中的唯一霸主。Xen 提供半