virtio勉強会 #1でしゃべった内容。 未完成版。pdfで上げたのが見えないので上げ直し。

1. 1
2013/06/09
virtio の基本的なところ (DRAFT)
@n_kane

2. 2
参考資料
✤ というかこのスライドよりむしろ以下の資料を読みましょう ...
✤ Virtio PCI Card Specification
✤ http://github.com/rustyrussell/virtio-spec
✤ とある virtio ドライバの接続部分〜インタフェース〜 by @hasegaw
✤ http://www.slideshare.net/TakeshiHasegawa1/osc2011-
tokyofall-virtio

3. 3
ここでするお話について
✤ virtio の基本的なところのお話
✤ どううごいているか
✤ どうシステムソフトウェアから使えるか
✤ ( つまり )virtio pci card specification のサブセット的な内容
✤ 主に plan9 の virtio 実装をメインにお話を進めます

4. 4
ここでしないお話について
✤ 仮想化周りの歴史的背景、実現方法、実装、構造 e.t.c.
✤ virtio での通信が VMM 内でどうハンドリングされているか
✤ indirect モード , MSI-X の活用など

5. 5
お題目
✤ virtio で何ができるの？
✤ virtio デバイスとその見え方
✤ virtio を使った通信

6. 6
virtio で何ができるの？

7. 7
virtio でホスト・ゲスト間通信！
✤ 何か不思議な力により
✤ ホスト＆ゲスト OS 間で共有できるリングバッファができます
✤ しかもメモリ空間が許すかぎり何本でも
✤ ここに適切に情報を詰めてやることで
✤ ゲストからホストへ、あるいはホストからゲストへデータの転送
ができます

8. 8
データの転送ができるなら ....
✤ 準仮想化ドライバ作るときに使えるよね！
✤ たとえば
✤ コントロール用 , TX 用 , RX 用のリングバッファがあれば
✤ NIC っぽい動作をさせられるのでは！ ( ホスト側ががんばれば )

9. 9
“virtio デバイス”というもの

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virtio device
✤ virtio デバイス
✤ なんらかのまとまった機能を持った仮想的な対象物 = デバイス
✤ たとえば NIC, ブロックデバイス , ファイルシステム e.t.c
✤ いくつかのリングバッファを用いて操作してやることで一定の役
割を果たしてくれる人のこと

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virtio device as a PCI device
✤ virtio デバイスはゲストから、 PCI デバイスとして認識されます
✤ ベンダ ID : 0x1AF4
✤ プロダクト ID : 0x1000 - 0x1040
✤ これだとどの virtio デバイスだか区別がつかない ....
✤ Subsystem Device ID でデバイスのタイプを判断

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http://marsee101.blog19.fc2.com/blog-entry-84.html より拝借
0x1000 〜 0x1040 0x1AF4
IDID TYPETYPE
1 NIC
2 BLOCK
3 CONSOLE
5
MEMORY
BALLOON
9 9P
Subsytem Device ID の例

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認識できたら初期化 ... の前に
✤ PCI I/O Space に何が入っているかを抑えておきましょう
デバイス ( ホスト ) からゲストに
対して提示される利用可能な機能
(feature) 一覧 ( 各ビット )
ゲストが利用する機能 (feature) を
書き込みデバイス ( ホスト ) に伝え
るフィールド
Virtio Header

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認識できたら初期化 ... の前に
✤ PCI I/O Space に何が入っているかを抑えておきましょう
Qselect に示される番号のリングバ
ッファのアドレス ÷ 4096
(guest physical)
操作中のリングバッファの番号
Qselect に示される番号のリング
バッファ長 ( デスクリプタの数 )
Virtio Header

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認識できたら初期化 ... の前に
✤ PCI I/O Space に何が入っているかを抑えておきましょう
デバイスの初期化状態や利用状況
についてゲストが告知するために
利用
割り込み状態の通知
リングバッファを操作した際に
ゲストがその番号を書き込む
Virtio Header

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virtio デバイスの初期化 ( 共通 )
1 各 OS ごとの PCI デバイス認識フェー
ズ
2 ベースアドレスレジスタから map( 左
の構造がみえるようになる )
3 Status の ACKNOWLEDGE(0x1) ビッ
トを立ててデバイスを発見できたこと
、 virtio デバイスだと分かっているこ
とを通知
Virtio Header
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17. 17
virtio デバイスの初期化 ( 共通 )
4 Status の DRIVER(0x2) ビットを立てて
、ゲストがこのデバイスをサポート ==
ドライバを実装していることを通知
5 デバイス固有の初期化
6 リングバッファの用意 ( 後述 )
7 Devfeat の内、利用する物を Drvfeat に
書き込み ( 後述 )
Virtio Header
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18. 18
virtio デバイスの初期化 ( 共通 )
8 すべて正常に成功したら , Status の
DRIVER_OK(0x4) ビットを立てる
8 失敗したら , Status の FAILED(0x80)
ビットを立てる
以上で attach の部分は終了！
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19. 19
リングバッファの構造

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リングバッファとは
✤ 実態はメモリ上のこんなかんじのデータ

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リングバッファとは
✤ 実態はメモリ上のこんなかんじのデータ
デスクリプタテーブル
available リング
used リング

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デスクリプタ
✤ 一つの転送を扱うエンティティ

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デスクリプタ
✤ 一つの転送を扱うエンティティ
転送対象のデータのアドレス
(guest physical)
データ長
このデスクリプタの扱いについての
フラグ
後続して転送するデスクリプタの番号

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デスクリプタ
✤ 一つの転送を扱うエンティティ
フラグフラグ (( 値値 )) 意味意味
VRING_DESC_F_NEXT
(0x01)
next フィールドに示される
後続要素がある ( デスクリプ
タチェーンによる転送 )
VRING_DESC_F_WRITE
(0x02)
このデスクリプタは ( ホスト
から見て )Write Only である
. ホスト→ゲスト方向の転送
VRING_DESC_F_INDIRECT
(0x04)
Indirect モードによる転送

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デスクリプタテーブル
✤ ( そのまま ) デスクリプタの配列
✤ 長さは Virtio Header の Qsize( 個 )
✤ 転送の度に動的に alloc するのではなく、このテーブルからフリーな
デスクリプタを見つけてきて使うという方式
✤ 基本的には”インデックス値”でアクセスされる

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available リング
このリング用のフラグ
( 割り込み抑制など※ ) デスクリプタテーブル
used リング
avail リング中の
先頭インデックス値 (availidx)
デスクリプタ番号を書き込む
リング本体
ここに指定された番号のデスクリ
プタが処理されるまでは割り込み
抑制

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used リング
このリング用のフラグ
( 割り込み抑制など※ ) デスクリプタテーブル
available リング
used リング中の
先頭インデックス値 (usedidx)
デスクリプタ番号が書き込まれる
リング本体
ここに指定された番号のデスクリ
プタが処理されるまでは割り込み
抑制

28. 28
available リングと used リング
✤ 基本的には前述のデスクリプタの番号を入れておく配列 ( 長さ Qsize)
✤ available リング
✤ ゲストがデスクリプタの番号を書き込んでリング上のインデックス値 (availidx) を
進めると、それが ( ホストにより ) 処理される
✤ used リング
✤ ホストにより処理されたデスクリプタの番号が書き込まれ、リング上のインデックス値
(usedidx) が更新される
✤ 正確には”デスクリプタの番号”と”デスクリプタチェーンの長さ”が入る
✤ このオペレーション周りは後述

29. 29
リングバッファの扱い方 - 初期
化 -

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先ほど飛ばしたお話
✤ リングバッファを用意するのはゲストの責任。以下の流れで行う。
1 . 触りたいリングの番号 (i) を Qselect にセット
2. Qsize をみる
3. 0 ならこのデバイスで Qselect 番目のリングは使えないので終わり
4. > 0 ならその長さのリングが使える
5. 前述のリングバッファを Qsize を元に作る
6. Qaddr にリングバッファの物理アドレスをセット
7. i++; goto 1;
Virtio Header

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初期化周りの細い話
✤ virtio の本筋とはあまり関係ないけれど、利便性のために OS でやっ
ていること
✤ デスクリプタテーブルのチェーン化 ( 右図 )
✤ フリーなデスクリプタ番号の保持 ( 右図の free)
✤ avail リング , used リングの先頭アドレス保持
✤ 過去の usedidx の保持 (lastused)

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リングバッファの扱い方 - 転送 -

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転送の手順
✤ 箇条書きにすると ....
1 . 転送パスのキューを引っ張ってくる
2. その中でフリーなデスクリプタを探してきて、適切に情報を詰め
る
3. avail リングの先頭にその番号を書き込み , availidx を +1 して更新
4. Virtio Header の Qnotify に転送パスのキューの番号を書き込む
✤ この時点でホストに制御が移って処理が行われる

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分かりづらいので図に ...
初期状態
4 番がフリーなので
情報をつめて ...
availidx のところに番号を書
き込む
availidx を進めて、変更を加
えたリング番号を Qnotify に
書き込み

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転送が終わったら ....
✤ 割り込みが入って何かデバイス ( ホスト ) から応答があるはず ....
→used リングを見よう
1 . 現在の usedidx と lastused の差から変更があったことを検知
2. lastused == usedidx になるまで used リングのデスクリプタを処理
3. 処理が終わったデスクリプタはデスクリプタテーブルに戻す

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イメージ図
割り込みが入った時点
usedidx と lastused の差から
変更を検知
一つ進めて該当するデスクリプ
タを処理
終わった物は返す

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slide is never done

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virtio-net の場合の事情
✤ virtqueue は３つ : tx/rx/control
✤ Drvfeat