Vhost架构解析：vhost-net与vhost-user详解
核心思想：为什么需要 Vhost？
在传统的虚拟化 I/O 架构（如 Virtio）中，数据通路是这样的：
- Guest（虚拟机）将 I/O 请求放入virtio 环。
- Guest 通知 QEMU（运行在用户空间的宿主机进程）。
- QEMU 从内核态切换到用户态，从 virtio 环中取出请求。
- QEMU 执行实际的 I/O 操作（例如，通过内核的 TUN/TAP 设备发送网络包）。
- 数据包进入宿主机内核网络协议栈，最终从物理网卡发出。
这个过程存在一个显著的性能瓶颈：每一次 I/O 操作都需要 QEMU 的参与。QEMU 作为用户空间进程，与 Guest 和内核的交互涉及到大量的上下文切换（用户态/内核态切换）和内存拷贝，这在高吞吐量、低延迟的网络场景下成本非常高。
Vhost 架构的诞生就是为了解决这个问题。 它的核心思想是：“让专业的人做专业的事”，将数据面的处理从通用的 QEMU 进程中卸载到更高效、更专用的组件中，从而绕过 QEMU。
Vhost 架构的通用原理
Vhost 通过以下机制实现性能提升：
- 内存映射：宿主机能够直接访问 Guest 的内存，特别是 virtio 环 和 数据缓冲区。这是实现零拷贝或最少拷贝的基础。
- 事件机制：使用
eventfd和irqfd在 Guest、宿主机内核（或后端进程）之间进行直接通知，无需 QEMU 中转。 - 协议协商：QEMU 负责设备的初始化和特性协商，一旦建立连接，就将数据平面的控制权交给 vhost 后端。
1. vhost-net：将网络数据面移到内核空间
目标：将网络数据面的处理从 QEMU 用户空间卸载到宿主机内核，以利用内核成熟且高效的网络栈。
架构与数据流：
下图清晰地展示了 vhost-net 如何通过内核模块优化数据路径：
- 初始化：QEMU 启动时，会创建一个 TUN/TAP 设备（例如
tap0），并初始化vhost-net内核模块。QEMU 将virtio环的信息、Guest 的内存布局以及用于通知的eventfd传递给vhost-net驱动。 - 数据发送 (Guest -> Host)：
- Guest 将数据包放入
virtio环。 - Guest 通过写入一个特殊的 I/O 端口（或内存映射IO）来通知后端。这个通知通过
eventfd直接发送给vhost-net内核线程，完全绕过 QEMU。 vhost-net内核线程被唤醒，它直接访问 Guest 内存，从virtio环中读取数据包。vhost-net将数据包通过内核的 TUN/TAP 设备注入宿主机内核网络协议栈，最终由物理网卡发出。
- Guest 将数据包放入
- 数据接收 (Host -> Guest)：
- 物理网卡收到数据包，送至内核协议栈。
- 内核协议栈将包交给 TUN/TAP 设备。
- TUN/TAP 设备将包传递给
vhost-net。 vhost-net直接写入 Guest 内存，将数据包放入virtio环。vhost-net通过irqfd直接向 Guest 注入一个中断，通知它有新数据到达，再次绕过 QEMU。
优点：
- 性能显著提升：消除了 QEMU 进程的上下文切换和内存拷贝。
- 对 Guest 透明：Guest 仍然使用标准的
virtio-net驱动，无需任何修改。 - 兼容性好：复用宿主机成熟的内核网络栈（TCP/IP， 防火墙等）。
缺点：
- 仍然需要经过宿主机内核协议栈，对于极致性能的场景（如NFV），协议栈本身可能成为瓶颈。
2. vhost-user：将设备处理移到独立进程
目标：将数据面的处理完全卸载到用户空间的独立进程中，这个进程可以是任何专门为高性能 I/O 设计的应用（如使用 DPDK、Snort 等）。
架构与数据流：
下图对比了 vhost-user 与 vhost-net 在架构上的核心区别：
- 通信信道：vhost-user 的后端进程与 QEMU 之间通过一个 Unix Domain Socket 进行通信。这个 Socket 用于传输控制信息，例如建立连接、协商特性、传递内存映射表等。
- 共享内存：QEMU 通过 Socket 将 Guest 的内存映射信息传递给 vhost-user 后端进程。此后，后端进程就可以直接读写 Guest 内存中的 virtio 环和数据缓冲区。
- 事件机制：同样使用
eventfd和irqfd进行直接通知。这些文件描述符也通过 Socket 传递。 - 角色分离：
- QEMU：只负责设备模拟的控制平面（设备创建、迁移、销毁等）。
- vhost-user 后端进程：负责全部的数据平面处理。例如，一个基于 DPDK 的 vhost-user 后端可以直接从 virtio 环读取数据，然后通过 DPDK 的轮询模式驱动将数据从物理网卡发送出去，完全绕过内核网络协议栈。
优点：
- 极致性能：允许使用 DPDK 等用户态 I/O 框架，绕过内核协议栈，实现零拷贝和轮询，达到接近硬件的性能。
- 灵活性与可扩展性：后端进程可以是任何应用，实现了网络功能（如交换机、防火墙）、存储目标（如 SPDK）等的定制化和高性能化。这是实现用户态虚拟交换机（如 OVS-DPDK） 的基石。
- 隔离性：设备处理在独立进程中，崩溃不会影响 QEMU 主进程。
缺点：
- 复杂度高：需要管理和维护独立的用户空间后端进程。
- 迁移支持：实时迁移比 vhost-net 更复杂，因为需要同步后端进程的状态。
总结对比
| 特性 | vhost-net | vhost-user |
|---|---|---|
| 后端位置 | 宿主机内核 | 用户空间独立进程 |
| 性能 | 高，优于传统 virtio | 极高，可达线速 |
| 灵活性 | 低，依赖内核网络栈 | 高，后端可任意实现 |
| 使用场景 | 通用虚拟化，需要良好网络性能 | NFV, SDN, 云原生，极致性能需求 |
| 关键技术 | 内核模块，eventfd/irqfd | Unix Socket, 共享内存，DPDK/SPDK |
| 控制平面 | QEMU | QEMU |
| 数据平面 | vhost-net 内核线程 | 用户空间后端进程 |
演进：后来还出现了 vhost-vDPA，它结合了两者的优点，通过一个标准化的 VDMA (Virtual DMA) 抽象层，让数据平面可以直接分配给硬件或用户空间驱动，进一步提升了性能和硬件兼容性。
总而言之，Vhost 架构是虚拟化 I/O 性能优化的一个里程碑。vhost-net 提供了内核级的高效解决方案，而 vhost-user 则打开了用户态高性能网络的大门，为现代云和数据中心的网络功能虚拟化提供了核心支撑。