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_DEVICE，TYPE_VIRTIO_DEVICE的父类是TYPE_DEVICE，TYPE_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。
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";} elsereturn -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。
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。
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。
