虚拟化 PCI 相关特性

pci passthrough

• 概念
  • 允许guest排他使用host上的某个PCI设备，就像将该设备物理连接到guest上一样。
• 使用场景
  • 提升性能（如直通网卡和显卡）
  • 降低延迟（避免数据丢失或丢祯）
  • 直接利用bare-metal上设备的驱动
• 用法1
  需要CPU支持VT-d。主板也支持该技术。 
  • 预先配置：
  • 打开bios中的VT-d设置。
  • 激活kernel中参数配置 kernel /vmlinuz-2.6.18-190.el5 ro root=/dev/VolGroup00/LogVol00 rhgb quiet intel_iommu=on
  • 直通配置方法
  • libvirt `
  1. 识别设备
     # virsh nodedev-list –tree |grep pci
  2. 获取设备xml
     # virsh nodedev-dumpxml pci_8086_3a6c
  3. detach设备
     # virsh nodedev-dettach pci_8086_3a6c
  4. 修改虚拟机xml文件(将dumpxml查询到的bus,slot,function填入） ……
     
     ……
  5. 启动虚拟机
     `
  • qemu `
  1. unbind pci设备
     modprobe pci_stub lspci -D -nn查询pci设备(domain,slot,bus,function)和(vendor id, device id ) 以设备(01:00.0, vendor & device ID 8086:10b9)为例： echo “8086 10b9″ > /sys/bus/pci/drivers/pci-stub/new_id echo 0000:01:00.0 > /sys/bus/pci/devices/0000:01:00.0/driver/unbind echo 0000:01:00.0 > /sys/bus/pci/drivers/pci-stub/bind
  2. 启动虚拟机 -device pci-assign,host=01:00.0 `
• 如何将直通设备对应
  host上直通设备与虚拟机中设备对应关系确定方法。
  可以通过hostdev中增加address(不是source中的address)确定设备在虚拟机中的挂载路径。
  虚拟机种通过lspci查看即可对应起来。

http://www.linux-kvm.org/page/How_to_assign_devices_with_VT-d_in_KVM

pci passthrough(VFIO)2

VFIO在kernel3.6/qemu1.4以后支持,目前只支持PCI设备。
VFIO是一套用户态驱动框架，提供两种基本服务：
+ 向用户态提供设备访问接口
+ 向用户态提供配置IOMMU接口

VFIO可以用于实现高效的用户态驱动。在虚拟化场景可以用于device passthrough。
通过用户态配置IOMMU接口，可以将DMA地址空间映射限制在进程虚拟空间中。
这对高性能驱动和虚拟化场景device passthrough尤其重要。

相对于传统方式，VFIO对UEFI支持更好。
VFIO技术实现了用户空间直接访问设备。无须root特权，更安全，功能更多。
http://lwn.net/Articles/509153/ http://lwn.net/Articles/474088/ https://www.ibm.com/developerworks/community/blogs/5144904d-5d75-45ed-9d2b-cf1754ee936a/entry/vfio?lang=en

• 操作方法
  • 安装kernel module
    sudo modprobe vfio
    sudo modprobe vfio-pci
  • 设备unbind `
  1. 查看iommu_group及其下所有设备 cd /sys/bus/pci/devices/0000:0d:00.0/ readlink iommu_group #查看iommu_group名字 ll iommu_group/devices #查看iommu_group下设备
  2. 需要将iommu_group下所有设备unbind并添加到iommu_group中
     echo 0000:0d:00.0 > /sys/bus/pci/devices/0000:0d:00.0/driver/unbind
     echo 1180 e823 > /sys/bus/pci/drivers/vfio-pci/new_id
     `
  • 启动虚拟机 -device vfio-pci,host=0000:03:00.0 参考http://blog.csdn.net/richardysteven/article/details/9008971

pci hotplug

• 应用场景
  1. 可服务性：移除、替换已经故障的硬件。
  2. 能力管理：增加更多的硬件、或者在多个虚拟机之间平衡硬件资源。
  3. 增添资源来在硬件之间迁移虚拟化层。
  4. 虚拟机上虚拟设备的热拔插。
• 问题
  1. 如何查看vm中的pci设备与host的pic设备的关系？
  2. pci hotplug对flavor的影响？对计费的影响？rebuild/evalute时如何处理丢失？
• test

IOMMU

IOMMU：input/output memory management unit。
连接DMA io bus和主存，完成从设备虚拟地址到物理地址的映射。以及提供对故障设备的内存保护的功能。
+ 优点 – 由于IOMMU的映射，可以将多个不连续的物理地址映射为大块连续的地址供设备使用，便于简化驱动设计
– 使旧设备（32bit设备）可以使用高位地址。（可以改善内存使用，提高性能）
– 内存保护，避免设备使用不属于它的地址
– 提供硬件中断remapping功能
+ 缺点 – 地址转换和管理开销带来的性能降级
– 消耗物理内存
+ 虚拟化中的应用
一般来说，由于内存地址不同，虚拟机中的操作系统无法直接访问host上的设备。
通过IOMMU，可以将设备地址在虚拟机中和host中映射为相同的支持，供虚拟机使用。这种做法也可以缓解IO delay。

VMDQ3

Virtual Machine Device Queues4。
根据图示可以看出VMDQ将原来VMM中L2 virtual switch实现的功能通过硬件实现。
VMM只需要进行数据复制即可使用。降低了VMM的开销，提供了吞吐能力。
VMware的NetQueue同样也利用了VMDq技术，实现了两倍以上的吞吐量提升

SR-IOV则更加彻底，绕过了virtual switch。通过DMA将数据直接给虚拟机使用。性能更高。

pci SR-IOV

Single Root I/O Virtualization
SR-IOV解决软件模拟PCI设备效率低，直接将PCI设备直通又有扩展性问题（一个server上可以插的PCI卡数有限）。
通过硬件方式实现了PCI设备的虚拟化。

SR-IOV 中的两种新功能类型是：

• 物理功能 (Physical Function, PF)
  用于支持 SR-IOV 功能的 PCI 功能，如 SR-IOV 规范中定义。PF 包含 SR-IOV 功能结构，用于管理 SR-IOV 功能。PF 是全功能的 PCIe 功能，可以像其他任何 PCIe 设备一样进行发现、管理和处理。PF 拥有完全配置资源，可以用于配置或控制 PCIe 设备。
• 虚拟功能 (Virtual Function, VF)
  与物理功能关联的一种功能。VF 是一种轻量级 PCIe 功能，可以与物理功能以及与同一物理功能关联的其他 VF 共享一个或多个物理资源。VF 仅允许拥有用于其自身行为的配置资源。

优点

• 性能－从虚拟机环境直接访问硬件。
• 成本降低－节省的资本和运营开销包括：
  • 节能
  • 减少了适配器数量
  • 简化了布线
  • 减少了交换机端口

缺点

• 需要硬件支持（CPU，主板，网卡，OS）
• 影响虚拟机迁移功能

使用(以intel 82576网卡为例）

• bios打开vt-d
• kernel启动参数(仅intel cpu需要)增加”intel_iommu=on”
• 删除igb模块（modprobe -r igb)
• 设置VF个数(modprobe igb max_vfs=2)
• 可以看到有VF设备产生
  02:10.0 Ethernet controller: Intel Corporation 82576 Virtual Function (rev 01)
• 使用VF设备进行PCI直通或者虚拟网卡