2.3.3　SR-IOV

前面介绍了利用Intel VT-d技术实现设备的直接分配，但使用这种方式有一种缺点，即一个物理设备资源只能分配给一个虚拟机使用。为了实现多个虚拟机共用同一物理设备资源并使设备直接分配，PCI-SIG组织发布了一个I/O虚拟化技术标准——SR-IOV。

SR-IOV是PCI-SIG组织公布的一个新规范，旨在消除VMM对虚拟化I/O操作的干预，以提高数据传输的性能。这个规范定义了一个标准的机制，可以实现多个设备的共享。它继承了Passthrough I/O技术，绕过虚拟机监视器直接发送和接收I/O数据，同时还利用IOMMU减少内存保护和内存地址转换的开销。

一个具有SR-IOV功能的I/O设备是基于PCIe规范的，具有一个或多个物理设备（Physical Function，PF）。PF是标准的PCIe设备，具有唯一的申请标识RID。而每一个PF可以用来管理并创建一个或多个虚拟设备（Virtual Function，VF），VF是“轻量级”的PCIe设备。具有SR-IOV功能的I/O设备如图2-15所示。

图2-15　具有SR-IOV功能的I/O设备

每一个PF都是标准的PCIe设备，并且关联多个VF。每一个VF都拥有与性能相关的关键资源，如收发队列等，专门用于软件实体在运行时的性能数据运转，而且与其他VF共享一些非关键的设备资源。因此，每一个VF都有独立收发数据包的能力。若把一个VF分配给一台客户机，该客户机可以直接使用该VF进行数据包的发送和接收。最重要的是，客户机通过VF进行I/O操作时，可以绕过虚拟机监视器直接发送和接收I/O数据，这正是直接I/O技术最重要的优势之一。

SR-IOV的实现模型包含三部分：PF驱动、VF驱动和SR-IOV管理器（IOVM）。SR-IOV的实现模型如图2-16所示。

PF驱动程序运行在宿主机上，可以直接访问PF的所有资源。PF驱动程序主要用来创建、配置和管理虚拟设备，即VF。它可以来设置VF的数量、全局的启动或停止VF，还可以进行设备相关的配置。PF驱动程序同样负责配置两层分发，以确保从PF或者VF进入的数据可以正确地路由。

VF驱动程序是运行在客户机上的普通设备驱动程序，只有操作相应VF的权限，主要用来在客户机和VF之间直接完成I/O操作，包括数据包的发送和接收。由于VF并不是真正意义上的PCIe设备，而是一个“轻量级”的PCIe设备，因此VF也不能像普通的PCIe设备一样被操作系统直接识别并进行配置。

图2-16　SR-IOV实现模型

SR-IOV管理器运行在宿主机，用于管理PCIe拓扑的控制点以及每一个VF的配置空间。它为每一个VF分配了完整的虚拟配置空间，因此客户机能够像普通设备一样模拟和配置VF，因而宿主机操作系统可以正确地识别并配置VF。当VF被宿主机正确地识别和配置后，才会分配给客户机，然后在客户机操作系统中被当作普通的PCI设备初始化和使用。

具有SR-IOV功能的设备具有以下优点：

（1）提高系统性能。采用Passthrough技术，将设备分配给指定的虚拟机，可以达到基于本机的性能。利用IOMMU技术，改善了中断重映射技术，减少客户及从硬件中断到虚拟中断的处理延迟。

（2）安全性优势。通过硬件辅助，数据安全性得到加强。

（3）可扩展性优势。系统管理员可以利用单个高宽带的I/O设备代替多个低带宽的设备达到带宽的要求。利用VF将带宽进行隔离，使得单个物理设备好像是隔离的多物理设备。此外，还可以为其他类型的设备节省插槽。