学习 KVM 的系列文章：
- （1）介绍和安装
- （2）CPU 和 内存虚拟化
- （3）I/O QEMU 全虚拟化和准虚拟化（Para-virtulizaiton）
- （4）I/O PCI/PCIe设备直接分配和 SR-IOV
- （5）libvirt 介绍
- （6）Nova 通过 libvirt 管理 QEMU/KVM 虚机
- （7）快照 （snapshot）
- （8）迁移 （migration）
本文将分析 PCI/PCIe 设备直接分配（Pass-through）和 SR-IOV， 以及三种 I/O 虚拟化方式的比较。
1. PCI/PCI-E 设备直接分配给虚机 （PCI Pass-through）
设备直接分配 （Device assignment）也称为 Device Pass-Through。
先简单看看PCI 和 PCI-E 的区别（AMD CPU）：
（简单点看，PCI 卡的性能没有 PCI-E 高，因为 PCI-E 是直接连在 IOMMU 上，而 PCI 卡是连在一个 IO Hub 上。）
主要的 PCI 设备类型：
- Network cards (wired or wireless)
- SCSI adapters
- Bus controllers: USB, PCMCIA, I2C, FireWire, IDE
- Graphics and video cards
- Sound cards
1.1 PCI/PCIe Pass-through 原理
硬盘直接分配：
- 一般 SATA 或者 SAS 等类型的硬盘的控制器都是直接接入到 PCI 或者 PCI-E 总线的，所以也可以将硬盘作为普通的PCI设备直接分配个客户机。需要注意的是，当分配硬盘时，实际上将其控制器作为一个整体分配到客户机中，因此需要在硬件平台上至少有另两个或者多个SATA或者 SAS控制器。
1.2 在 RedHat Linux 6 上使用 virt-manger 分配一个光纤卡给虚机
准备工作：
（1）在 BIOS 中打开 Intel VT-d
（2）在 Linux 内核中启用 PCI Pass-through
添加 intel_iommu=on 到 /boot/grub/grub.conf 文件中。（在我的 RedHat Linux 6上，该文件是 /boot/grub.conf）
（3）重启系统，使得配置生效
实际分配：
（1）使用 lspci -nn 命令找到待分配的 PCI 设备。这里以一个 FC 卡为例：
使用 lspci 命令得到的 PCI 数字的含义，以后使用 libvirt API 分配设备时会用到：
（2）使用 virsh nodedev-list 命令找到该设备的 PCI 编号
（3）将设备从主机上解除
（4）使用 virt-manager 将设备直接分配给一个启动了的虚拟机
（5）添加好了后的效果
（6）在虚机中查看该PCI设备
（7）不再使用的话，需要在 virt-manager 中首先将该设备移除，然后在主机上重新挂载该设备
1.3 在 RedHat Linux 6 上使用 qemu-kvm 分配一个光纤卡给虚机
除了步骤（4），其他步骤同上面。
1.4 设备直接分配让客户机的优势和不足
- 好处：在执行 I/O 操作时大量减少甚至避免 VM-Exit 陷入到 Hypervisor 中，极大地提高了性能，可以达到几乎和原生系统一样的性能。VT-d 克服了 virtio 兼容性不好和 CPU 使用频率较高的问题。
- 不足：（1）一台服务器主板上的空间比较有限，因此允许添加的 PCI 和 PCI-E 设备是有限的。大量使用 VT-d 独立分配设备给客户机，让硬件设备数量增加，这会增加硬件投资成本。（2）对于使用 VT-d 直接分配了设备的客户机，其动态迁移功能将受限，不过也可以使用热插拔或者libvirt 工具等方式来缓解这个问题。
- 不足的解决方案：（1）在一台物理宿主机上，仅少数 I/O 如网络性能要求较高的客户机使用 VT-d直接分配设备，其他的使用纯模拟或者 virtio 已达到多个客户机共享同一个设备的目的 （2）对于网络I/O的解决办法，可以选择 SR-IOV 是一个网卡产生多个独立的虚拟网卡，将每个虚拟网卡分配个一个客户机使用。
2. SR-IOV 设备分配
2.1 原理
- 物理功能（Physical Functions，PF）：这是完整的带有 SR-IOV 能力的PCIe 设备。PF 能像普通 PCI 设备那样被发现、管理和配置。
- 虚拟功能（Virtual Functions，VF）：简单的 PCIe 功能，它只能处理I/O。每个 VF 都是从 PF 中分离出来的。每个物理硬件都有一个 VF 数目的限制。一个 PF，能被虚拟成多个 VF 用于分配给多个虚拟机。
光纤卡 SR-IOV 的例子：
2.2 SR-IOV 的条件
- 需要 CPU 支持 Intel VT-x 和 VT-D （或者 AMD 的 SVM 和 IOMMU）
- 需要有支持 SR-IOV 规范的设备：目前这种设备较多，比如Intel的很多中高端网卡等。
- 需要 QEMU/KAM 的支持。
- Intel® 82576NS Gigabit Ethernet Controller ( igb 驱动)
- Intel® 82576EB Gigabit Ethernet Controller ( igb 驱动)
- Intel® 82599ES 10 Gigabit Ethernet Controller ( ixgbe 驱动)
- Intel® 82599EB 10 Gigabit Ethernet Controller ( ixgbe 驱动)
2.3 分配 SR-IOV 设备的步骤
手头没有支持SR-IOV的设备。这是 RedHat 上 SR-IOV 的配置步骤：Using SR-IOV。
简单来说，SR-IOV 分配步骤和设备直接分配相比基本类似，除了要使 PF 虚拟化成多个 VF 以外。
2.4 优势和不足
| 优势 | 不足 |
|
|
3. 各种设备虚拟化方式的比较
3.1 架构上的比较（以网卡为例）
3.2 性能上的比较 （以网卡为例）
纯模拟网卡和物理网卡的比较：
（来源：Evaluating and Optimizing I/O Virtualization in Kernel-based Virtual Machine (KVM), Binbin Zhang, Xiaolin Wang, Rongfeng Lai, Liang Yang, Zhenlin Wang,Yingwei Luo, Xiaoming Li）
（测试环境：两台物理服务器 HostA 和 HostB，都使用GB以太网。HostA 使用 82566DC 网卡，HostB 使用 82567LM-2 网卡，一台虚机运行在 HostB 上，使用 KVM-76.）
结论：
- 纯模拟网卡的性能只有物理网卡的四成到六成
- 纯模拟网卡的 UDP 性能比 TCP 性能高 50% 到 100%
- 在虚拟网卡上使用 NAPI，不但不会提高性能，反而会是性能下降
- e1000 的性能比 rt18139 的性能高不少（为什么 RedHat Linux KVM 上默认的网卡是 rt18139 呢？）
Virtio 和 vhost_net 的吞吐量比较：
- 来源：CANONICAL, KVM Performance Optimization, Paul Sim,Cloud Consultant, paul.sim@canonical.com
- 结论： vhost_net 比 virtio 的 UDP 和 TCP 性能高 20% 左右。
RedHat Linux 6 上 virtio，vhost_net，SR-IOV 和物理设备网络延迟的比较：
（来源：RedHat 官网）
RedHat Linux 6 上 virtio 和 vhost_net 所消耗的主机CPU资源的比较：
（来源同上）
使用 virtio 的 KVM 与物理机的 TCP 吞吐量对比：
（数据来源：RedHat 官网）
物理机与使用 SR-IOV 的 KVM 的网络性能对比：
（来源：同上）
物理机与使用 Pass-through 的KVM 的 TCP 性能对比：
（资料来源：Open Source Virtualization: KVM and Linux, Chris Wright, Principal Software Engineer, Red Hat,September 4, 2009）
3.3 Virtio 和 Pass-Through 的详细比较
（来源：Reconnaissance of Virtio: What’s new and how it’s all connected? by Mario Smarduch）
4. 综合结论
KVM 依赖的Intel/AMD 处理器的各种虚拟化扩展：
| 处理器 | CPU 虚拟化 | 内存虚拟化 | PCI Pass-through |
| Intel | VT-x | VPID，EPT | VT-d |
| AMD | AMD-V | ASID，NPT | IOMMU |
I/O 虚拟化方案的选择：
- I/O设备尽量使用准虚拟化（virtio 和 vhost_net）
- 如果需要实时迁移，不能使用 SR-IOV
- 对更高I/O要求又不需要实时迁移的，可以使用 SR-IOV
- 每种方案都有优势和不足，在特定环境下其性能有可能反而下降，因此在生产环境中使用各种虚拟化方式前需要经过完整测试
其它参考资料：
- RedHat Linux 6 官方文档
- KVM 官方文档
- KVM 虚拟化技术实战与解析 任永杰、单海涛 著
- KVM 虚拟化技术在 AMD 平台上的实现