2024年3月29日发(作者：)

I/O虚拟化

1.I/O虚拟化三种方式：全虚拟化、半虚拟化和硬件辅助虚拟化

1.1全虚拟化：通过VMM模拟I/O设备（磁盘和网卡等）实现虚拟化。Guest OS所

能看到就是一组统一的I/O设备。VMM截获Guest OS对I/O设备的访问请求，然后通

过软件模拟真实的硬件。这种方式对Guest而言非常透明，无需考虑底层硬件的情况。

1.2半虚拟化：通过前端（Front-End）/后端（Back-End）模拟实现虚拟化。Guest OS

中的驱动程序为前端，VMM提供的与Guest通信的驱动程序为后端。前端驱动将

Guest OS的请求通过与VMM间的特殊通信机制发送给VMM的后端驱动，后端驱动在

处理完请求后再发送给物理驱动。

1.3硬件辅助虚拟化：主要有三种网卡：VT-d、VMDq直通和SR-IOV。

1）VT-d：由于基于软件的I/O虚拟化要求非常高的设备模拟开销，硬件辅助的I/O

虚拟化很关键。Intel的VT-d支持I/O DMA传输的重映射和设备产生的中断。VT-d结构

提供了支持多用途模型的灵活性，可以运行未修改的、特殊目的的、虚拟化感知的客户操

作系统。

2）VMDq：VMM在服务器的物理网卡中为每个虚机分配一个独立的队列，虚机出

来的流量可直接经过软件交换机发送到指定队列上，软件交换机无需进行排序和路由操作。

VMM和虚拟交换机仍然需要将网络流量在VMDq和虚机之间进行复制。

3）SR-IOV：通过创建不同虚拟功能（VF）的方式，给虚拟机的就是独立网卡，实

现虚拟机直接跟硬件网卡通信，不再经过软件交换机，减少了Hypervisor层的地址转换。

2.I/O虚拟化的实现：全设备模拟、半虚拟化和直接I/O

2.1全设备模拟：实现I/O虚拟化的第一种方式，该方法可以模拟一些知名的真实设

备。一个设备的所有功能或总线结构（如设备枚举、识别、中断和DMA）都可以在软件

中复制。该软件作为虚拟设备处于VMM中，客户操作系统的I/O访问请求会陷入到VMM

中，与I/O设备交互。体系结构如图：

1）客户设备驱动

2）虚拟设备：①实际设备建模②简单虚拟友好设备建模

3）虚拟设备和虚拟栈之间的通讯机制

4）虚拟化I/O栈：

①客户I/O地址翻译到主机地址

②处理虚拟机之间的通讯

③复用从或到物理设备的I/O请求

④提供企业级I/O特性

5）物理设备驱动