两条路径的故事：利用eBPF优化虚拟化存储的I/O性能

《ACM Transactions on Storage》：A Tale of Two Paths: Optimizing Paravirtualized Storage I/O with eBPF

针对KVM/QEMU虚拟化中virtio-blk存在I/O路径长、性能瓶颈问题，本文提出EXO扩展方案，利用eBPF创建内核快速路径，减少用户空间处理，在保持灵活性和兼容性的同时显著提升性能。

　　

摘要

KVM是Linux上最主流的虚拟机管理程序（VM hypervisor），它依赖于QEMU来实现virtio系列设备（如virtio-blk）的后端功能。然而，基于KVM/QEMU的半虚拟化机制会通过多次上下文切换来延长客户机的I/O路径。随着高速NVMe存储设备的广泛使用，这种软件开销变得不可忽视。为了缩短I/O路径，virtio-blk的两种变体vhost-kernel-blk和vhost-user-blk分别将所有客户机I/O处理任务放在内核空间和用户空间完成。不幸的是，这些变体放弃了KVM与QEMU之间的协作，从而牺牲了QEMU的一些重要功能，例如实时迁移、快照生成以及灵活的镜像格式支持。

本文提出了EXO，这是一种针对高效KVM/QEMU存储半虚拟化的virtio-blk扩展方案。其核心思想是：无论QEMU后端的处理过程多么复杂，在处理客户机I/O请求时，主机存储层只需知道请求的客机到主机地址映射即可。因此，我们保留了virtio-blk原有的慢速I/O路径作为备用方案，并利用eBPF技术在内核空间直接查询地址映射，而无需切换到用户空间进行处理。大量测试表明，EXO的性能与virtio-blk的变体（vhost-kernel-blk/vhost-user-blk）相当甚至更优，同时仍保持了virtio-blk的灵活性、安全性和兼容性。