gitbook/趣谈Linux操作系统/docs/111686.md

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2022-09-03 22:05:03 +08:00
# 55 | 网络虚拟化:如何成立独立的合作部?
上一节,我们讲了存储虚拟化,这一节我们来讲网络虚拟化。
网络虚拟化有和存储虚拟化类似的地方例如它们都是基于virtio的因而我们在看网络虚拟化的过程中会看到和存储虚拟化很像的数据结构和原理。但是网络虚拟化也有自己的特殊性。例如存储虚拟化是将宿主机上的文件作为客户机上的硬盘而网络虚拟化需要依赖于内核协议栈进行网络包的封装与解封装。那怎么实现客户机和宿主机之间的互通呢我们就一起来看一看。
## 解析初始化过程
我们还是从Virtio Network Device这个设备的初始化讲起。
```
static const TypeInfo device_type_info = {
.name = TYPE_DEVICE,
.parent = TYPE_OBJECT,
.instance_size = sizeof(DeviceState),
.instance_init = device_initfn,
.instance_post_init = device_post_init,
.instance_finalize = device_finalize,
.class_base_init = device_class_base_init,
.class_init = device_class_init,
.abstract = true,
.class_size = sizeof(DeviceClass),
};
static const TypeInfo virtio_device_info = {
.name = TYPE_VIRTIO_DEVICE,
.parent = TYPE_DEVICE,
.instance_size = sizeof(VirtIODevice),
.class_init = virtio_device_class_init,
.instance_finalize = virtio_device_instance_finalize,
.abstract = true,
.class_size = sizeof(VirtioDeviceClass),
};
static const TypeInfo virtio_net_info = {
.name = TYPE_VIRTIO_NET,
.parent = TYPE_VIRTIO_DEVICE,
.instance_size = sizeof(VirtIONet),
.instance_init = virtio_net_instance_init,
.class_init = virtio_net_class_init,
};
static void virtio_register_types(void)
{
type_register_static(&virtio_net_info);
}
type_init(virtio_register_types)
```
Virtio Network Device这种类的定义是有多层继承关系的TYPE\_VIRTIO\_NET的父类是TYPE\_VIRTIO\_DEVICETYPE\_VIRTIO\_DEVICE的父类是TYPE\_DEVICETYPE\_DEVICE的父类是TYPE\_OBJECT继承关系到头了。
type\_init用于注册这种类。这里面每一层都有class\_init用于从TypeImpl生成xxxClass也有instance\_init会将xxxClass初始化为实例。
TYPE\_VIRTIO\_NET层的class\_init函数virtio\_net\_class\_init定义了DeviceClass的realize函数为virtio\_net\_device\_realize这一点和存储块设备是一样的。
```
static void virtio_net_device_realize(DeviceState *dev, Error **errp)
{
VirtIODevice *vdev = VIRTIO_DEVICE(dev);
VirtIONet *n = VIRTIO_NET(dev);
NetClientState *nc;
int i;
......
virtio_init(vdev, "virtio-net", VIRTIO_ID_NET, n->config_size);
/*
* We set a lower limit on RX queue size to what it always was.
* Guests that want a smaller ring can always resize it without
* help from us (using virtio 1 and up).
*/
if (n->net_conf.rx_queue_size < VIRTIO_NET_RX_QUEUE_MIN_SIZE ||
n->net_conf.rx_queue_size > VIRTQUEUE_MAX_SIZE ||
!is_power_of_2(n->net_conf.rx_queue_size)) {
......
return;
}
if (n->net_conf.tx_queue_size < VIRTIO_NET_TX_QUEUE_MIN_SIZE ||
n->net_conf.tx_queue_size > VIRTQUEUE_MAX_SIZE ||
!is_power_of_2(n->net_conf.tx_queue_size)) {
......
return;
}
n->max_queues = MAX(n->nic_conf.peers.queues, 1);
if (n->max_queues * 2 + 1 > VIRTIO_QUEUE_MAX) {
......
return;
}
n->vqs = g_malloc0(sizeof(VirtIONetQueue) * n->max_queues);
n->curr_queues = 1;
......
n->net_conf.tx_queue_size = MIN(virtio_net_max_tx_queue_size(n),
n->net_conf.tx_queue_size);
for (i = 0; i < n->max_queues; i++) {
virtio_net_add_queue(n, i);
}
n->ctrl_vq = virtio_add_queue(vdev, 64, virtio_net_handle_ctrl);
qemu_macaddr_default_if_unset(&n->nic_conf.macaddr);
memcpy(&n->mac[0], &n->nic_conf.macaddr, sizeof(n->mac));
n->status = VIRTIO_NET_S_LINK_UP;
if (n->netclient_type) {
n->nic = qemu_new_nic(&net_virtio_info, &n->nic_conf,
n->netclient_type, n->netclient_name, n);
} else {
n->nic = qemu_new_nic(&net_virtio_info, &n->nic_conf,
object_get_typename(OBJECT(dev)), dev->id, n);
}
......
}
```
这里面创建了一个VirtIODevice这一点和存储虚拟化也是一样的。virtio\_init用来初始化这个设备。VirtIODevice结构里面有一个VirtQueue数组这就是virtio前端和后端互相传数据的队列最多有VIRTIO\_QUEUE\_MAX个。
刚才我们说的都是一样的地方,其实也有不一样的地方,我们下面来看。
你会发现这里面有这样的语句n->max\_queues \* 2 + 1 > VIRTIO\_QUEUE\_MAX。为什么要乘以2呢这是因为对于网络设备来讲应该分发送队列和接收队列两个方向所以乘以2。
接下来我们调用virtio\_net\_add\_queue来初始化队列可以看出来这里面就有发送tx\_vq和接收rx\_vq两个队列。
```
typedef struct VirtIONetQueue {
VirtQueue *rx_vq;
VirtQueue *tx_vq;
QEMUTimer *tx_timer;
QEMUBH *tx_bh;
uint32_t tx_waiting;
struct {
VirtQueueElement *elem;
} async_tx;
struct VirtIONet *n;
} VirtIONetQueue;
static void virtio_net_add_queue(VirtIONet *n, int index)
{
VirtIODevice *vdev = VIRTIO_DEVICE(n);
n->vqs[index].rx_vq = virtio_add_queue(vdev, n->net_conf.rx_queue_size, virtio_net_handle_rx);
......
n->vqs[index].tx_vq = virtio_add_queue(vdev, n->net_conf.tx_queue_size, virtio_net_handle_tx_bh);
n->vqs[index].tx_bh = qemu_bh_new(virtio_net_tx_bh, &n->vqs[index]);
n->vqs[index].n = n;
}
```
每个VirtQueue中都有一个vring用来维护这个队列里面的数据另外还有函数virtio\_net\_handle\_rx用于处理网络包的接收函数virtio\_net\_handle\_tx\_bh用于网络包的发送这个函数我们后面会用到。
```
NICState *qemu_new_nic(NetClientInfo *info,
NICConf *conf,
const char *model,
const char *name,
void *opaque)
{
NetClientState **peers = conf->peers.ncs;
NICState *nic;
int i, queues = MAX(1, conf->peers.queues);
......
nic = g_malloc0(info->size + sizeof(NetClientState) * queues);
nic->ncs = (void *)nic + info->size;
nic->conf = conf;
nic->opaque = opaque;
for (i = 0; i < queues; i++) {
qemu_net_client_setup(&nic->ncs[i], info, peers[i], model, name, NULL);
nic->ncs[i].queue_index = i;
}
return nic;
}
static void qemu_net_client_setup(NetClientState *nc,
NetClientInfo *info,
NetClientState *peer,
const char *model,
const char *name,
NetClientDestructor *destructor)
{
nc->info = info;
nc->model = g_strdup(model);
if (name) {
nc->name = g_strdup(name);
} else {
nc->name = assign_name(nc, model);
}
QTAILQ_INSERT_TAIL(&net_clients, nc, next);
nc->incoming_queue = qemu_new_net_queue(qemu_deliver_packet_iov, nc);
nc->destructor = destructor;
QTAILQ_INIT(&nc->filters);
}
```
接下来qemu\_new\_nic会创建一个虚拟机里面的网卡。
## qemu的启动过程中的网络虚拟化
初始化过程解析完毕以后我们接下来从qemu的启动过程看起。
对于网卡的虚拟化qemu的启动参数里面有关的是下面两行
```
-netdev tap,fd=32,id=hostnet0,vhost=on,vhostfd=37
-device virtio-net-pci,netdev=hostnet0,id=net0,mac=fa:16:3e:d1:2d:99,bus=pci.0,addr=0x3
```
qemu的main函数会调用net\_init\_clients进行网络设备的初始化可以解析net参数也可以在net\_init\_clients中解析netdev参数。
```
int net_init_clients(Error **errp)
{
QTAILQ_INIT(&net_clients);
if (qemu_opts_foreach(qemu_find_opts("netdev"),
net_init_netdev, NULL, errp)) {
return -1;
}
if (qemu_opts_foreach(qemu_find_opts("nic"), net_param_nic, NULL, errp)) {
return -1;
}
if (qemu_opts_foreach(qemu_find_opts("net"), net_init_client, NULL, errp)) {
return -1;
}
return 0;
}
```
net\_init\_clients会解析参数。上面的参数netdev会调用net\_init\_netdev->net\_client\_init->net\_client\_init1。
net\_client\_init1会根据不同的driver类型调用不同的初始化函数。
```
static int (* const net_client_init_fun[NET_CLIENT_DRIVER__MAX])(
const Netdev *netdev,
const char *name,
NetClientState *peer, Error **errp) = {
[NET_CLIENT_DRIVER_NIC] = net_init_nic,
[NET_CLIENT_DRIVER_TAP] = net_init_tap,
[NET_CLIENT_DRIVER_SOCKET] = net_init_socket,
[NET_CLIENT_DRIVER_HUBPORT] = net_init_hubport,
......
};
```
由于我们配置的driver的类型是tap因而这里会调用net\_init\_tap->net\_tap\_init->tap\_open。
```
#define PATH_NET_TUN "/dev/net/tun"
int tap_open(char *ifname, int ifname_size, int *vnet_hdr,
int vnet_hdr_required, int mq_required, Error **errp)
{
struct ifreq ifr;
int fd, ret;
int len = sizeof(struct virtio_net_hdr);
unsigned int features;
TFR(fd = open(PATH_NET_TUN, O_RDWR));
memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
ifr.ifr_flags = IFF_TAP | IFF_NO_PI;
if (ioctl(fd, TUNGETFEATURES, &features) == -1) {
features = 0;
}
if (features & IFF_ONE_QUEUE) {
ifr.ifr_flags |= IFF_ONE_QUEUE;
}
if (*vnet_hdr) {
if (features & IFF_VNET_HDR) {
*vnet_hdr = 1;
ifr.ifr_flags |= IFF_VNET_HDR;
} else {
*vnet_hdr = 0;
}
ioctl(fd, TUNSETVNETHDRSZ, &len);
}
......
ret = ioctl(fd, TUNSETIFF, (void *) &ifr);
......
fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
return fd;
}
```
在tap\_open中我们打开一个文件"/dev/net/tun"然后通过ioctl操作这个文件。这是Linux内核的一项机制和KVM机制很像。其实这就是一种通过打开这个字符设备文件然后通过ioctl操作这个文件和内核打交道来使用内核的能力。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/24/d3/243e93913b18c3ab00be5676bef334d3.png)
为什么需要使用内核的机制呢?因为网络包需要从虚拟机里面发送到虚拟机外面,发送到宿主机上的时候,必须是一个正常的网络包才能被转发。要形成一个网络包,我们那就需要经过复杂的协议栈,协议栈的复杂咱们在[发送网络包](https://time.geekbang.org/column/article/106490)那一节讲过了。
客户机会将网络包发送给qemu。qemu自己没有网络协议栈现去实现一个也不可能太复杂了。于是它就要借助内核的力量。
qemu会将客户机发送给它的网络包然后转换成为文件流写入"/dev/net/tun"字符设备。就像写一个文件一样。内核中TUN/TAP字符设备驱动会收到这个写入的文件流然后交给TUN/TAP的虚拟网卡驱动。这个驱动会将文件流再次转成网络包交给TCP/IP栈最终从虚拟TAP网卡tap0发出来成为标准的网络包。后面我们会看到这个过程。
现在我们到内核里面,看一看打开"/dev/net/tun"字符设备后内核会发生什么事情。内核的实现在drivers/net/tun.c文件中。这是一个字符设备驱动程序应该符合字符设备的格式。
```
module_init(tun_init);
module_exit(tun_cleanup);
MODULE_DESCRIPTION(DRV_DESCRIPTION);
MODULE_AUTHOR(DRV_COPYRIGHT);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_ALIAS_MISCDEV(TUN_MINOR);
MODULE_ALIAS("devname:net/tun");
static int __init tun_init(void)
{
......
ret = rtnl_link_register(&tun_link_ops);
......
ret = misc_register(&tun_miscdev);
......
ret = register_netdevice_notifier(&tun_notifier_block);
......
}
```
这里面注册了一个tun\_miscdev字符设备从它的定义可以看出这就是"/dev/net/tun"字符设备。
```
static struct miscdevice tun_miscdev = {
.minor = TUN_MINOR,
.name = "tun",
.nodename = "net/tun",
.fops = &tun_fops,
};
static const struct file_operations tun_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = no_llseek,
.read_iter = tun_chr_read_iter,
.write_iter = tun_chr_write_iter,
.poll = tun_chr_poll,
.unlocked_ioctl = tun_chr_ioctl,
.open = tun_chr_open,
.release = tun_chr_close,
.fasync = tun_chr_fasync,
};
```
qemu的tap\_open函数会打开这个字符设备PATH\_NET\_TUN。打开字符设备的过程我们不再重复。我就说一下到了驱动这一层调用的是tun\_chr\_open。
```
static int tun_chr_open(struct inode *inode, struct file * file)
{
struct tun_file *tfile;
tfile = (struct tun_file *)sk_alloc(net, AF_UNSPEC, GFP_KERNEL,
&tun_proto, 0);
RCU_INIT_POINTER(tfile->tun, NULL);
tfile->flags = 0;
tfile->ifindex = 0;
init_waitqueue_head(&tfile->wq.wait);
RCU_INIT_POINTER(tfile->socket.wq, &tfile->wq);
tfile->socket.file = file;
tfile->socket.ops = &tun_socket_ops;
sock_init_data(&tfile->socket, &tfile->sk);
tfile->sk.sk_write_space = tun_sock_write_space;
tfile->sk.sk_sndbuf = INT_MAX;
file->private_data = tfile;
INIT_LIST_HEAD(&tfile->next);
sock_set_flag(&tfile->sk, SOCK_ZEROCOPY);
return 0;
}
```
在tun\_chr\_open的参数里面有一个struct file这是代表什么文件呢它代表的就是打开的字符设备文件"/dev/net/tun"因而往这个字符设备文件中写数据就会通过这个struct file写入。这个struct file里面的file\_operations按照字符设备打开的规则指向的就是tun\_fops。
另外我们还需要在tun\_chr\_open创建了一个结构struct tun\_file并且将struct file的private\_data指向它。
```
/* A tun_file connects an open character device to a tuntap netdevice. It
* also contains all socket related structures
* to serve as one transmit queue for tuntap device.
*/
struct tun_file {
struct sock sk;
struct socket socket;
struct socket_wq wq;
struct tun_struct __rcu *tun;
struct fasync_struct *fasync;
/* only used for fasnyc */
unsigned int flags;
union {
u16 queue_index;
unsigned int ifindex;
};
struct list_head next;
struct tun_struct *detached;
struct skb_array tx_array;
};
struct tun_struct {
struct tun_file __rcu *tfiles[MAX_TAP_QUEUES];
unsigned int numqueues;
unsigned int flags;
kuid_t owner;
kgid_t group;
struct net_device *dev;
netdev_features_t set_features;
int align;
int vnet_hdr_sz;
int sndbuf;
struct tap_filter txflt;
struct sock_fprog fprog;
/* protected by rtnl lock */
bool filter_attached;
spinlock_t lock;
struct hlist_head flows[TUN_NUM_FLOW_ENTRIES];
struct timer_list flow_gc_timer;
unsigned long ageing_time;
unsigned int numdisabled;
struct list_head disabled;
void *security;
u32 flow_count;
u32 rx_batched;
struct tun_pcpu_stats __percpu *pcpu_stats;
};
static const struct proto_ops tun_socket_ops = {
.peek_len = tun_peek_len,
.sendmsg = tun_sendmsg,
.recvmsg = tun_recvmsg,
};
```
在struct tun\_file中有一个成员struct tun\_struct它里面有一个struct net\_device这个用来表示宿主机上的tuntap网络设备。在struct tun\_file中还有struct socket和struct sock因为要用到内核的网络协议栈所以就需要这两个结构这在[网络协议](https://time.geekbang.org/column/article/105338)那一节已经分析过了。
所以按照struct tun\_file的注释说的这是一个很重要的数据结构。"/dev/net/tun"对应的struct file的private\_data指向它因而可以接收qemu发过来的数据。除此之外它还可以通过struct sock来操作内核协议栈然后将网络包从宿主机上的tuntap网络设备发出去宿主机上的tuntap网络设备对应的struct net\_device也归它管。
在qemu的tap\_open函数中打开这个字符设备文件之后接下来要做的事情是通过ioctl来设置宿主机的网卡TUNSETIFF。
接下来ioctl到了内核里面会调用tun\_chr\_ioctl。
```
static long __tun_chr_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd,
unsigned long arg, int ifreq_len)
{
struct tun_file *tfile = file->private_data;
struct tun_struct *tun;
void __user* argp = (void __user*)arg;
struct ifreq ifr;
kuid_t owner;
kgid_t group;
int sndbuf;
int vnet_hdr_sz;
unsigned int ifindex;
int le;
int ret;
if (cmd == TUNSETIFF || cmd == TUNSETQUEUE || _IOC_TYPE(cmd) == SOCK_IOC_TYPE) {
if (copy_from_user(&ifr, argp, ifreq_len))
return -EFAULT;
}
......
tun = __tun_get(tfile);
if (cmd == TUNSETIFF) {
ifr.ifr_name[IFNAMSIZ-1] = '\0';
ret = tun_set_iff(sock_net(&tfile->sk), file, &ifr);
......
if (copy_to_user(argp, &ifr, ifreq_len))
ret = -EFAULT;
}
......
}
```
在\_\_tun\_chr\_ioctl中我们首先通过copy\_from\_user把配置从用户态拷贝到内核态调用tun\_set\_iff设置tuntap网络设备然后调用copy\_to\_user将配置结果返回。
```
static int tun_set_iff(struct net *net, struct file *file, struct ifreq *ifr)
{
struct tun_struct *tun;
struct tun_file *tfile = file->private_data;
struct net_device *dev;
......
char *name;
unsigned long flags = 0;
int queues = ifr->ifr_flags & IFF_MULTI_QUEUE ?
MAX_TAP_QUEUES : 1;
if (ifr->ifr_flags & IFF_TUN) {
/* TUN device */
flags |= IFF_TUN;
name = "tun%d";
} else if (ifr->ifr_flags & IFF_TAP) {
/* TAP device */
flags |= IFF_TAP;
name = "tap%d";
} else
return -EINVAL;
if (*ifr->ifr_name)
name = ifr->ifr_name;
dev = alloc_netdev_mqs(sizeof(struct tun_struct), name,
NET_NAME_UNKNOWN, tun_setup, queues,
queues);
err = dev_get_valid_name(net, dev, name);
dev_net_set(dev, net);
dev->rtnl_link_ops = &tun_link_ops;
dev->ifindex = tfile->ifindex;
dev->sysfs_groups[0] = &tun_attr_group;
tun = netdev_priv(dev);
tun->dev = dev;
tun->flags = flags;
tun->txflt.count = 0;
tun->vnet_hdr_sz = sizeof(struct virtio_net_hdr);
tun->align = NET_SKB_PAD;
tun->filter_attached = false;
tun->sndbuf = tfile->socket.sk->sk_sndbuf;
tun->rx_batched = 0;
tun_net_init(dev);
tun_flow_init(tun);
err = tun_attach(tun, file, false);
err = register_netdevice(tun->dev);
netif_carrier_on(tun->dev);
if (netif_running(tun->dev))
netif_tx_wake_all_queues(tun->dev);
strcpy(ifr->ifr_name, tun->dev->name);
return 0;
}
```
tun\_set\_iff创建了struct tun\_struct和struct net\_device并且将这个tuntap网络设备通过register\_netdevice注册到内核中。这样我们就能在宿主机上通过ip addr看到这个网卡了。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/98/fd/9826223c7375bec19bd13588f3875ffd.png)
至此宿主机上的内核的数据结构也完成了。
## 关联前端设备驱动和后端设备驱动
下面,我们来解析在客户机中发送一个网络包的时候,会发生哪些事情。
虚拟机里面的进程发送一个网络包通过文件系统和Socket调用网络协议栈到达网络设备层。只不过这个不是普通的网络设备而是virtio\_net的驱动。
virtio\_net的驱动程序代码在Linux操作系统的源代码里面文件名为drivers/net/virtio\_net.c。
```
static __init int virtio_net_driver_init(void)
{
ret = register_virtio_driver(&virtio_net_driver);
......
}
module_init(virtio_net_driver_init);
module_exit(virtio_net_driver_exit);
MODULE_DEVICE_TABLE(virtio, id_table);
MODULE_DESCRIPTION("Virtio network driver");
MODULE_LICENSE("GPL");
static struct virtio_driver virtio_net_driver = {
.driver.name = KBUILD_MODNAME,
.driver.owner = THIS_MODULE,
.id_table = id_table,
.validate = virtnet_validate,
.probe = virtnet_probe,
.remove = virtnet_remove,
.config_changed = virtnet_config_changed,
......
};
```
在virtio\_net的驱动程序的初始化代码中我们需要注册一个驱动函数virtio\_net\_driver。
当一个设备驱动作为一个内核模块被初始化的时候probe函数会被调用因而我们来看一下virtnet\_probe。
```
static int virtnet_probe(struct virtio_device *vdev)
{
int i, err;
struct net_device *dev;
struct virtnet_info *vi;
u16 max_queue_pairs;
int mtu;
/* Allocate ourselves a network device with room for our info */
dev = alloc_etherdev_mq(sizeof(struct virtnet_info), max_queue_pairs);
/* Set up network device as normal. */
dev->priv_flags |= IFF_UNICAST_FLT | IFF_LIVE_ADDR_CHANGE;
dev->netdev_ops = &virtnet_netdev;
dev->features = NETIF_F_HIGHDMA;
dev->ethtool_ops = &virtnet_ethtool_ops;
SET_NETDEV_DEV(dev, &vdev->dev);
......
/* MTU range: 68 - 65535 */
dev->min_mtu = MIN_MTU;
dev->max_mtu = MAX_MTU;
/* Set up our device-specific information */
vi = netdev_priv(dev);
vi->dev = dev;
vi->vdev = vdev;
vdev->priv = vi;
vi->stats = alloc_percpu(struct virtnet_stats);
INIT_WORK(&vi->config_work, virtnet_config_changed_work);
......
vi->max_queue_pairs = max_queue_pairs;
/* Allocate/initialize the rx/tx queues, and invoke find_vqs */
err = init_vqs(vi);
netif_set_real_num_tx_queues(dev, vi->curr_queue_pairs);
netif_set_real_num_rx_queues(dev, vi->curr_queue_pairs);
virtnet_init_settings(dev);
err = register_netdev(dev);
virtio_device_ready(vdev);
virtnet_set_queues(vi, vi->curr_queue_pairs);
......
}
```
在virtnet\_probe中会创建struct net\_device并且通过register\_netdev注册这个网络设备这样在客户机里面就能看到这个网卡了。
在virtnet\_probe中还有一件重要的事情就是init\_vqs会初始化发送和接收的virtqueue。
```
static int init_vqs(struct virtnet_info *vi)
{
int ret;
/* Allocate send & receive queues */
ret = virtnet_alloc_queues(vi);
ret = virtnet_find_vqs(vi);
......
get_online_cpus();
virtnet_set_affinity(vi);
put_online_cpus();
return 0;
}
static int virtnet_alloc_queues(struct virtnet_info *vi)
{
int i;
vi->sq = kzalloc(sizeof(*vi->sq) * vi->max_queue_pairs, GFP_KERNEL);
vi->rq = kzalloc(sizeof(*vi->rq) * vi->max_queue_pairs, GFP_KERNEL);
INIT_DELAYED_WORK(&vi->refill, refill_work);
for (i = 0; i < vi->max_queue_pairs; i++) {
vi->rq[i].pages = NULL;
netif_napi_add(vi->dev, &vi->rq[i].napi, virtnet_poll,
napi_weight);
netif_tx_napi_add(vi->dev, &vi->sq[i].napi, virtnet_poll_tx,
napi_tx ? napi_weight : 0);
sg_init_table(vi->rq[i].sg, ARRAY_SIZE(vi->rq[i].sg));
ewma_pkt_len_init(&vi->rq[i].mrg_avg_pkt_len);
sg_init_table(vi->sq[i].sg, ARRAY_SIZE(vi->sq[i].sg));
}
return 0;
}
```
按照上一节的virtio原理virtqueue是一个介于客户机前端和qemu后端的一个结构用于在这两端之间传递数据对于网络设备来讲有发送和接收两个方向的队列。这里建立的struct virtqueue是客户机前端对于队列的管理的数据结构。
队列的实体需要通过函数virtnet\_find\_vqs查找或者生成这里还会指定接收队列的callback函数为skb\_recv\_done发送队列的callback函数为skb\_xmit\_done。那当buffer使用发生变化的时候我们可以调用这个callback函数进行通知。
```
static int virtnet_find_vqs(struct virtnet_info *vi)
{
vq_callback_t **callbacks;
struct virtqueue **vqs;
int ret = -ENOMEM;
int i, total_vqs;
const char **names;
/* Allocate space for find_vqs parameters */
vqs = kzalloc(total_vqs * sizeof(*vqs), GFP_KERNEL);
callbacks = kmalloc(total_vqs * sizeof(*callbacks), GFP_KERNEL);
names = kmalloc(total_vqs * sizeof(*names), GFP_KERNEL);
/* Allocate/initialize parameters for send/receive virtqueues */
for (i = 0; i < vi->max_queue_pairs; i++) {
callbacks[rxq2vq(i)] = skb_recv_done;
callbacks[txq2vq(i)] = skb_xmit_done;
names[rxq2vq(i)] = vi->rq[i].name;
names[txq2vq(i)] = vi->sq[i].name;
}
ret = vi->vdev->config->find_vqs(vi->vdev, total_vqs, vqs, callbacks, names, ctx, NULL);
......
for (i = 0; i < vi->max_queue_pairs; i++) {
vi->rq[i].vq = vqs[rxq2vq(i)];
vi->rq[i].min_buf_len = mergeable_min_buf_len(vi, vi->rq[i].vq);
vi->sq[i].vq = vqs[txq2vq(i)];
}
......
}
```
这里的find\_vqs是在struct virtnet\_info里的struct virtio\_device里的struct virtio\_config\_ops \*config里面定义的。
根据virtio\_config\_ops的定义find\_vqs会调用vp\_modern\_find\_vqs到这一步和块设备是一样的了。
在vp\_modern\_find\_vqs中vp\_find\_vqs会调用vp\_find\_vqs\_intx。在vp\_find\_vqs\_intx中通过request\_irq注册一个中断处理函数vp\_interrupt。当设备向队列中写入信息时会产生一个中断也就是vq中断。中断处理函数需要调用相应的队列的回调函数然后根据队列的数目依次调用vp\_setup\_vq完成virtqueue、vring的分配和初始化。
同样这些数据结构会和virtio后端的VirtIODevice、VirtQueue、vring对应起来都应该指向刚才创建的那一段内存。
客户机同样会通过调用专门给外部设备发送指令的函数iowrite告诉外部的pci设备这些共享内存的地址。
至此前端设备驱动和后端设备驱动之间的两个收发队列就关联好了,这两个队列的格式和块设备是一样的。
## 发送网络包过程
接下来,我们来看当真的发送一个网络包的时候,会发生什么。
当网络包经过客户机的协议栈到达virtio\_net驱动的时候按照net\_device\_ops的定义start\_xmit会被调用。
```
static const struct net_device_ops virtnet_netdev = {
.ndo_open = virtnet_open,
.ndo_stop = virtnet_close,
.ndo_start_xmit = start_xmit,
.ndo_validate_addr = eth_validate_addr,
.ndo_set_mac_address = virtnet_set_mac_address,
.ndo_set_rx_mode = virtnet_set_rx_mode,
.ndo_get_stats64 = virtnet_stats,
.ndo_vlan_rx_add_vid = virtnet_vlan_rx_add_vid,
.ndo_vlan_rx_kill_vid = virtnet_vlan_rx_kill_vid,
.ndo_xdp = virtnet_xdp,
.ndo_features_check = passthru_features_check,
};
```
接下来的调用链为start\_xmit->xmit\_skb-> virtqueue\_add\_outbuf->virtqueue\_add将网络包放入队列中并调用virtqueue\_notify通知接收方。
```
static netdev_tx_t start_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev)
{
struct virtnet_info *vi = netdev_priv(dev);
int qnum = skb_get_queue_mapping(skb);
struct send_queue *sq = &vi->sq[qnum];
int err;
struct netdev_queue *txq = netdev_get_tx_queue(dev, qnum);
bool kick = !skb->xmit_more;
bool use_napi = sq->napi.weight;
......
/* Try to transmit */
err = xmit_skb(sq, skb);
......
if (kick || netif_xmit_stopped(txq))
virtqueue_kick(sq->vq);
return NETDEV_TX_OK;
}
bool virtqueue_kick(struct virtqueue *vq)
{
if (virtqueue_kick_prepare(vq))
return virtqueue_notify(vq);
return true;
}
```
写入一个I/O会使得qemu触发VM exit这个逻辑我们在解析CPU的时候看到过。
接下来我们那会调用VirtQueue的handle\_output函数。前面我们已经设置过这个函数了其实就是virtio\_net\_handle\_tx\_bh。
```
static void virtio_net_handle_tx_bh(VirtIODevice *vdev, VirtQueue *vq)
{
VirtIONet *n = VIRTIO_NET(vdev);
VirtIONetQueue *q = &n->vqs[vq2q(virtio_get_queue_index(vq))];
q->tx_waiting = 1;
virtio_queue_set_notification(vq, 0);
qemu_bh_schedule(q->tx_bh);
}
```
virtio\_net\_handle\_tx\_bh调用了qemu\_bh\_schedule而在virtio\_net\_add\_queue中调用qemu\_bh\_new并把函数设置为virtio\_net\_tx\_bh。
virtio\_net\_tx\_bh函数调用发送函数virtio\_net\_flush\_tx。
```
static int32_t virtio_net_flush_tx(VirtIONetQueue *q)
{
VirtIONet *n = q->n;
VirtIODevice *vdev = VIRTIO_DEVICE(n);
VirtQueueElement *elem;
int32_t num_packets = 0;
int queue_index = vq2q(virtio_get_queue_index(q->tx_vq));
for (;;) {
ssize_t ret;
unsigned int out_num;
struct iovec sg[VIRTQUEUE_MAX_SIZE], sg2[VIRTQUEUE_MAX_SIZE + 1], *out_sg;
struct virtio_net_hdr_mrg_rxbuf mhdr;
elem = virtqueue_pop(q->tx_vq, sizeof(VirtQueueElement));
out_num = elem->out_num;
out_sg = elem->out_sg;
......
ret = qemu_sendv_packet_async(qemu_get_subqueue(n->nic, queue_index),out_sg, out_num, virtio_net_tx_complete);
}
......
return num_packets;
}
```
virtio\_net\_flush\_tx会调用virtqueue\_pop。这里面我们能看到对于vring的操作也即从这里面将客户机里面写入的数据读取出来。
然后我们调用qemu\_sendv\_packet\_async发送网络包。接下来的调用链为qemu\_sendv\_packet\_async->qemu\_net\_queue\_send\_iov->qemu\_net\_queue\_flush->qemu\_net\_queue\_deliver。
在qemu\_net\_queue\_deliver中我们会调用NetQueue的deliver函数。前面qemu\_new\_net\_queue会把deliver函数设置为qemu\_deliver\_packet\_iov。它会调用nc->info->receive\_iov。
```
static NetClientInfo net_tap_info = {
.type = NET_CLIENT_DRIVER_TAP,
.size = sizeof(TAPState),
.receive = tap_receive,
.receive_raw = tap_receive_raw,
.receive_iov = tap_receive_iov,
.poll = tap_poll,
.cleanup = tap_cleanup,
.has_ufo = tap_has_ufo,
.has_vnet_hdr = tap_has_vnet_hdr,
.has_vnet_hdr_len = tap_has_vnet_hdr_len,
.using_vnet_hdr = tap_using_vnet_hdr,
.set_offload = tap_set_offload,
.set_vnet_hdr_len = tap_set_vnet_hdr_len,
.set_vnet_le = tap_set_vnet_le,
.set_vnet_be = tap_set_vnet_be,
};
```
根据net\_tap\_info的定义调用的是tap\_receive\_iov。他会调用tap\_write\_packet->writev写入这个字符设备。
在内核的字符设备驱动中tun\_chr\_write\_iter会被调用。
```
static ssize_t tun_chr_write_iter(struct kiocb *iocb, struct iov_iter *from)
{
struct file *file = iocb->ki_filp;
struct tun_struct *tun = tun_get(file);
struct tun_file *tfile = file->private_data;
ssize_t result;
result = tun_get_user(tun, tfile, NULL, from,
file->f_flags & O_NONBLOCK, false);
tun_put(tun);
return result;
}
```
当我们使用writev()系统调用向tun/tap设备的字符设备文件写入数据时tun\_chr\_write函数将被调用。它会使用tun\_get\_user从用户区接收数据将数据存入skb中然后调用关键的函数netif\_rx\_ni(skb) 将skb送给tcp/ip协议栈处理最终完成虚拟网卡的数据接收。
至此,从虚拟机内部到宿主机的网络传输过程才算结束。
## 总结时刻
最后,我们把网络虚拟化场景下网络包的发送过程总结一下。
* 在虚拟机里面的用户态应用程序通过write系统调用写入socket。
* 写入的内容经过VFS层内核协议栈到达虚拟机里面的内核的网络设备驱动也即virtio\_net。
* virtio\_net网络设备有一个操作结构struct net\_device\_ops里面定义了发送一个网络包调用的函数为start\_xmit。
* 在virtio\_net的前端驱动和qemu中的后端驱动之间有两个队列virtqueue一个用于发送一个用于接收。然后我们需要在start\_xmit中调用virtqueue\_add将网络包放入发送队列然后调用virtqueue\_notify通知qemu。
* qemu本来处于KVM\_RUN的状态收到通知后通过VM exit指令退出客户机模式进入宿主机模式。发送网络包的时候virtio\_net\_handle\_tx\_bh函数会被调用。
* 接下来是一个for循环我们需要在循环中调用virtqueue\_pop从传输队列中获取要发送的数据然后调用qemu\_sendv\_packet\_async进行发送。
* qemu会调用writev向字符设备文件写入进入宿主机的内核。
* 在宿主机内核中字符设备文件的file\_operations里面的write\_iter会被调用也即会调用tun\_chr\_write\_iter。
* 在tun\_chr\_write\_iter函数中tun\_get\_user将要发送的网络包从qemu拷贝到宿主机内核里面来然后调用netif\_rx\_ni开始调用宿主机内核协议栈进行处理。
* 宿主机内核协议栈处理完毕之后会发送给tap虚拟网卡完成从虚拟机里面到宿主机的整个发送过程。
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## 课堂练习
这一节我们解析的是发送过程,请你根据类似的思路,解析一下接收过程。
欢迎留言和我分享你的疑惑和见解,也欢迎收藏本节内容,反复研读。你也可以把今天的内容分享给你的朋友,和他一起学习和进步。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/8c/37/8c0a95fa07a8b9a1abfd394479bdd637.jpg)