基于KVM虛擬化的顯卡直通技術(shù)研究

楊宣林（天津市大港油田信息中心，天津300280）

基于KVM虛擬化的顯卡直通技術(shù)研究

楊宣林（天津市大港油田信息中心，天津300280）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬化技術(shù)也取得了顯著的成績。目前虛擬化計(jì)算在云計(jì)算方面的應(yīng)用日益廣泛，且發(fā)揮越來越大的作用。當(dāng)然在實(shí)際操作和運(yùn)行過程中也遇到了一些困境，比如顯卡虛擬化效率的問題，基于上述情形，目前開發(fā)了一種基于KVM虛擬化的顯卡直通技術(shù)系統(tǒng)。本文通過對(duì)基于KVM虛擬化的顯卡直通技術(shù)進(jìn)行全面論述，從概念、特征、產(chǎn)生等方面進(jìn)行解析，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展和推廣提供理論參考和借鑒。

KVM虛擬化；顯卡直通技術(shù)；應(yīng)用；研究

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的全面發(fā)展，云計(jì)算領(lǐng)域也不斷引入新技術(shù)、新方法，并取得了突破性進(jìn)展，虛擬化技術(shù)的應(yīng)用為云計(jì)算提供了更加廣闊的發(fā)展領(lǐng)域，進(jìn)一步強(qiáng)化了資源整合能力和資源優(yōu)化配置功能。目前基于KVM虛擬化的顯卡直通技術(shù)備受關(guān)注，通過該技術(shù)的運(yùn)用，能夠大大提高虛擬機(jī)顯卡的數(shù)據(jù)傳輸效率，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)本地化的實(shí)際能力。

1 KVM虛擬機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)內(nèi)容概述

1.1 KVM虛擬機(jī)技術(shù)的定義

Kernel Virtual Machine是KVM的英文全稱，從字面理解就可以知曉其含義，KVM虛擬機(jī)是基于內(nèi)核的虛擬機(jī)，是一個(gè)開源的虛擬化系統(tǒng)。

1.2 KVM虛擬機(jī)技術(shù)的起源

Kernel Virtual Machine技術(shù)是從以色列一家叫做Qumranet公司起初研制出來的，隨著應(yīng)用逐漸擴(kuò)大和技術(shù)交流，2008年該技術(shù)由Linux的發(fā)行版提供商Redhat進(jìn)行購買并獲得版權(quán)，由此開始了KVM虛擬機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新，替代了問題日益眾多的Xen，并得到了進(jìn)一步應(yīng)用和推廣。隨著技術(shù)創(chuàng)新和科技進(jìn)步，2010年退出了基于硬件虛擬化的KVM虛擬機(jī)新系統(tǒng)，該系統(tǒng)由兩大部分組成，一部分是Kernel內(nèi)核模塊，另一部分是處理器User系統(tǒng)，通過互相協(xié)調(diào)從而全面實(shí)現(xiàn)內(nèi)核虛擬化應(yīng)用。

2 KVM虛擬化技術(shù)的特征及適用范圍

2.1 KVM虛擬化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)特征

KVM虛擬化技術(shù)是基于Linux內(nèi)核的原始化全虛擬化解決系統(tǒng)，它和準(zhǔn)虛擬化或者叫半虛擬化技術(shù)有很大的區(qū)別，KVM虛擬化技術(shù)搭建了以X86為核心的完整系統(tǒng)化運(yùn)行平臺(tái)，具體包括處理器、網(wǎng)絡(luò)適配器、磁盤空間、硬盤、設(shè)備等等，通過互相協(xié)同運(yùn)行從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，該技術(shù)克服了傳統(tǒng)的修改操作來實(shí)現(xiàn)平臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行的弊端，能夠不用經(jīng)過任何處理就可以直接在X86平臺(tái)上進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

和傳統(tǒng)的Xen技術(shù)相比，KVM虛擬化技術(shù)具有很大的優(yōu)勢(shì)，具體體現(xiàn)在：

一是KVM虛擬化技術(shù)平臺(tái)是開源性平臺(tái)，能夠大大降低運(yùn)行成本。二是KVM虛擬化技術(shù)升級(jí)之后能夠與Linux內(nèi)核系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)整合，不占用硬件內(nèi)存，克服不能兼容性；三是KVM虛擬化技術(shù)穩(wěn)定性比較高，性能強(qiáng)大，更容易被接受。

2.2 KVM虛擬化技術(shù)的適用范圍

KVM虛擬化技術(shù)作為開源虛擬化平臺(tái)，能夠在規(guī)模較大的空間內(nèi)進(jìn)行運(yùn)作，這樣既可以有效降低平臺(tái)各種成本，還能在穩(wěn)定性方面得到最大限度的體現(xiàn)，性價(jià)比高。比如在虛擬主機(jī)數(shù)量超過2500臺(tái)以上時(shí)，KVM虛擬化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)更加明顯，也是目前其他技術(shù)不可以替代的。

3 KVM虛擬化中的顯卡直通技術(shù)探討

在KVM虛擬化技術(shù)構(gòu)建的系統(tǒng)中，虛擬機(jī)通過對(duì)QEMU外圍設(shè)備領(lǐng)域進(jìn)行訪問和處理，運(yùn)用虛擬化相關(guān)技術(shù)進(jìn)行有效傳遞信息，性能非常強(qiáng)大。目前用顯卡直通渠道讓把物理顯卡的具體地址有效地進(jìn)行分配，并獨(dú)立運(yùn)行。可以看出顯卡直通技術(shù)在虛擬機(jī)調(diào)用物理顯卡驅(qū)動(dòng)方面發(fā)揮較大功能，為圖像及時(shí)顯示提供技術(shù)支撐，從而有利于顯卡性能的最大化發(fā)揮。

顯卡直通技術(shù)的基本運(yùn)行結(jié)構(gòu)：為保證外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的直通功能的發(fā)揮，必須在KVM虛擬機(jī)具體操作中考慮各種因素，包括設(shè)備的內(nèi)存和資源、設(shè)備的分置空間、設(shè)備中斷時(shí)等的映射問題以及如何保證設(shè)備內(nèi)存訪問的暢通等方面。

上述各種因素的影響將會(huì)制約KVM虛擬化系統(tǒng)的有效運(yùn)作，前三項(xiàng)映射狀況可以自動(dòng)進(jìn)行解決，最后一項(xiàng)就可以借助下面的顯卡直通技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)。

在KVM虛擬機(jī)對(duì)物理顯卡進(jìn)行直接訪問和登陸時(shí)，必須要在QEMU平臺(tái)上注冊(cè)一個(gè)虛擬設(shè)備，這是進(jìn)行PCI設(shè)備訪問的最直接通道，通過注冊(cè)，然后進(jìn)行訪問映射，從而將相關(guān)信息映射到實(shí)際設(shè)備上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)參數(shù)的有效傳遞。顯卡直通技術(shù)就是通過解決上述問題而出現(xiàn)的一種技術(shù)，為了保證物理顯卡的有效直通，就必須把顯卡單獨(dú)連接到PCI總線上，這時(shí)就可以注冊(cè)兩個(gè)虛擬PCI橋設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)直接訪問物理顯卡的目標(biāo)。

顯卡直通技術(shù)的主要環(huán)節(jié)就是將宿主機(jī)的輸入輸出地址空間和預(yù)留內(nèi)存映射到相應(yīng)的地址空間上，通過運(yùn)用相關(guān)設(shè)備文件參數(shù)，進(jìn)行內(nèi)存分配處理之后，直接進(jìn)行映射從而進(jìn)行信息讀取、指令接收等。

總之KVM虛擬化中的顯卡直通技術(shù)應(yīng)用和開發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，這是一種二次開發(fā)和優(yōu)化技術(shù)，在運(yùn)行過程中也會(huì)遇到各種各樣的問題，必須結(jié)合具體運(yùn)行參數(shù)合理確定相應(yīng)的匹配指標(biāo)才能保證穩(wěn)定運(yùn)行，可以借鑒國外先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國內(nèi)實(shí)際情況進(jìn)一步提高KVM虛擬化中的顯卡直通技術(shù)水平，從而提高使用性能。

[1]張政.基于KVM虛擬化的顯卡直通技術(shù)研究[J].軟件導(dǎo)刊,2016,(10):142-144.

[2]姜邦杰,吳俊敏,朱小東,李科君,羅琳,張朋飛,胡蝶.基于KVM的遠(yuǎn)程聲卡顯卡虛擬化技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2013, (09):75-80.