【重识云原生】第四章云网络4.7.5节vDPA方案——virtio的半硬件虚拟化实现

5 virtio的半硬件卸载方案

Virtio作为一种半虚拟化的解决方案，其性能一直不如设备的pass-through，即将物理设备（通常是网卡的VF）直接分配给虚拟机，其优点在于数据平面是在虚拟机与硬件之间直通的，几乎不需要主机的干预。而virtio的发展，虽然带来了性能的提升，可终究无法达到pass-through的I/O性能，始终需要主机（主要是软件交换机）的干预。vDPA(vhost Data Path Acceleration)即是让virtio数据平面不需主机干预的解决方案。该框架由Redhat提出，实现了virtio数据平面的硬件卸载。控制平面仍然采用原来的控制平面协议，当控制信息被传递到硬件中，硬件完成数据平面的配置之后，数据通信过程由硬件设备（智能网卡）完成，虚拟机与网卡之间直通。中断信息也由网卡直接发送至虚拟机不需要主机的干预。这种方式，控制面比较复杂，硬件难以实现。

在硬件vDPA架构中，通过OVS转发的流量首包依然由主机上的OVS转发平面处理，对应数据流的后续报文由硬件网卡直接转发。

从下图中可以看到virtio的控制平面仍需要vDPA driver进行传递，也就是说QEMU，或者虚拟机仍然使用原先的控制平面协议作为接口，而这些控制信息被传递到硬件中，硬件会通过这些信息配置好数据平面。而数据平面上，经过配置后的数据平面可以在虚拟机和网卡之间直通。

鉴于现在后端的数据处理其实完全在硬件中，原先的前后端通知方式也可以几乎完全规避主机的干预，以中断为例，原先中断必须由主机处理，主机通过软件交换机得知中断的目的地之后，将虚拟中断注入到虚拟机中，而在vDPA中，网卡可以直接将中断发送到虚拟机中。总体来看，vDPA的数据平面与SR-IOV设备直通的数据平面非常接近，并且在性能数据上也能达到后者的水准。更重要的是vDPA框架保有virtio这套标准的接口，使云服务提供商在不改变virtio接口的前提下，得到更高的性能。

需要注意的是，vDPA框架中利用到的硬件必须至少支持virtio ring的标准，否则可想而知，硬件是无法与前端进行正确通信的。另外，原先软件交换机提供的交换功能，也转而在硬件中实现。

为了解决高性能SRIOV网络的热迁移问题，出现了很多做法和尝试，尚未形成统一的标准。在Redhat提出硬件vDPA架构之前，Mellanox实现了软件vDPA（即VF Relay）。理论上讲，Mellanox的软件vDPA并不能算是vDPA，其实就是将数据在用户空间的virtio队列和VF的接收队列做了一次数据Relay。Redhat提出的硬件vDPA架构，目前在DPDK和内核程序中均有实现，基本是未来的标准架构。Qemu支持两种方式的vDPA，一种是vhost-user，配合DPDK中的vDPA运行，DPDK再调用厂商用户态vDPA驱动；另一种方式是vhost-vdpa，通过ioctl调用到内核通用vDPA模块，通用vDPA模块再调用厂商硬件专有的vDPA驱动。

1) 软件vDPA: 软件vDPA也叫VF relay，由于需要软件把VF上接收的数据通过virtio转发给虚拟机（VM），如Mellanox在OVS-DPDK实现了这个relay，OVS流表由硬件卸载加速，性能上与SR-IOV VF直通（passthrough）方式比略有降低，不过实现了虚拟机（VM）的热迁移特性。

2) 硬件vDPA: 硬件vDPA实际上是借助virtio硬件加速，以实现更高性能的通信。由于控制面复杂，所以用硬件难以实现。厂商自己开发驱动，对接到用户空间DPDK的vDPA和内核vDPA架构上，可以实现硬件vDPA。目前Mellanox mlx5和Intel IFC对应的vDPA适配程序都已经合入到DPDK和kernel社区源码。