虚拟化外设传输

何其不顾四月天

发布于 2023-03-10 13:06:11

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发布于 2023-03-10 13:06:11

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虚拟化外设传输

在虚拟化云桌面中，关于外设的使用一直有两种基本功能，设备的透传（passthrough）与重定向（redirection）.

透传：设备位于Host，将主机本身拥有的设备直接交给虚拟机使用。

重定向：远程虚拟机时，设备位于客户端，通过网络，将设备数据传递给虚拟机(guest).

设备透传（passthrough）

设备透传，主要面向IDV场景。或者说（Host Device Pass-Through,Direct I/O）.

设备透传主要依赖硬件支持，cpu/主板芯片组支持VT-D技术，软件层面/BIOS/操作系统支持IO-MMU。当前主要支持基于PCI总线透传。

当前的主要设备透传，USB设备/网卡透传/显卡透传。

主要透传步骤:

#1.BIOS修改 VT-d 使能检测，未开启，则开启
#2.内核启动参数修改： intel_iommu=on
#3.查找设备地址 lspci 根据设备型号获取设备地址 lspci -n -s address 获取设备 iommu group 地址
#4.验证是否支持 iommu （dmesg |grep -i iommu|grep address） 或者 (readlink pci address)
#5.设置 SR_IOV 的 VF 端口数量
#6.解绑设备 echo "address" > /sys/bus/pci/devices/0000\:address/driver/unbind
#7.绑定设备（bind to vfio-pci） （modprobe vfio \ modprobe vfio-pci）
#8.设置启动参数 （qemu -device vfio-pci,host=address,in=net0）(libvirt 设置xml启动参数)

Egg.显卡透传：

#!/bin/bash
#

modprobe vfio
modprobe vfio-pci

dev=0000\:00\:02.0
vendor=`cat /sys/bus/pci/devices/$dev/vendor`
device=`cat /sys/bus/pci/devices/$dev/device`

systemctl restart getty@tty1.service 
#关闭显示窗口,解除进程对显卡的占用
sleep 1
rm -f /etc/apparmor.d/libvirt/libvirt-*
echo "$vendor $device" > /sys/bus/pci/drivers/vfio-pci/new_id
echo "0000:00:02.0" > /sys/bus/pci/devices/0000\:00\:02.0/driver/unbind
echo "0000:00:02.0" > /sys/bus/pci/drivers/vfio-pci/bind
echo "$vendor $device" > /sys/bus/pci/drivers/vfio-pci/remove_id

显卡回挂:

#!/bin/bash
#

echo -n "0000:00:02.0" > /sys/bus/pci/devices/0000\:00\:02.0/driver/unbind
echo -n "0000:00:02.0" > /sys/bus/pci/drivers/i915/bind
systemctl restart display-manager #重新启动显示窗口

libvirt 设备透传(鼠标为例)

API调用

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <libvirt/libvirt.h>
#include <string.h>

#define MAX_LEN (1024*10)

int main(int argc, char** argv)
{
    int res;
    virConnectPtr conn;
    conn = virConnectOpen("qemu:///system");
    if(conn == NULL){
        printf("failed to open connection to qemu\n");
	return 1;
    }
    printf("success to open connection to qemu\n");
    char* xml = malloc(MAX_LEN);
    memset(xml,0,MAX_LEN);
    FILE* fp = NULL;
    fp = fopen(argv[1],"r");
    if(fp != NULL){
        int len = fread(xml,1,MAX_LEN,fp);
	printf("len = %d\n",len);
    }
    if(fp != NULL){
    	fclose(fp);
    }
    virDomainPtr dom;
    dom = virDomainDefineXML(conn,xml);
    if(!dom){
        printf("domain definition failed\n");
    } 
    char* usbxml = malloc(MAX_LEN);
    memset(usbxml,0,MAX_LEN);
    FILE* usbfp = NULL;
    usbfp = fopen(argv[2],"r");
    if(fp != NULL){
        int len = fread(usbxml,1,MAX_LEN,usbfp);
	printf("len = %d\n",len);
    }
    if(usbfp != NULL){
    	fclose(usbfp);
    }
    res = virDomainAttachDeviceFlags(dom,usbxml,VIR_DOMAIN_AFFECT_CURRENT | VIR_DOMAIN_AFFECT_LIVE);
    printf("virDomainAttachDeviceFlags res = %d\n",res);
    return 0;
}

xml文件

<hostdev mode='subsystem' type='usb' managed='yes'>
    <source>
        <vendor id='0x413c'/>
        <product id='0x301a'/>
    </source>
</hostdev>

设备重定向（redirection）

设备重定向通常在云桌面中使用，大体分为两种端口重定向和设备重定向。通常使用的为端口重定向，在常见的协议的中，例如spice协议。

端口重定向，通常是走总线驱动虚拟化。

设备重定向，设备驱动虚拟化。

端口重定向

以USB端口为例，下述事SPICE协议（端口重定向）的使用方法。

libvirt-xml文件

<!- USB2.0>
<controller type='usb' index='0' model='ich9-ehci1'/>
<controller type='usb' index='0' model='ich9-uhci1'>
  <master startport='0'/>
</controller>
<controller type='usb' index='0' model='ich9-uhci2'>
  <master startport='2'/>
</controller>
<controller type='usb' index='0' model='ich9-uhci3'>
  <master startport='4'/>
</controller>
<redirdev bus='usb' type='spicevmc'/>
<redirdev bus='usb' type='spicevmc'/>
<redirdev bus='usb' type='spicevmc'/>

<!- USB3.0>
<controller type='usb' index='0' model='nec-xhci'/>
<redirdev bus='usb' type='spicevmc'/>
<redirdev bus='usb' type='spicevmc'/>
<redirdev bus='usb' type='spicevmc'/>

QEMU

#USB2.0
-device ich9-usb-ehci1,id=usb \
-device ich9-usb-uhci1,masterbus=usb.0,firstport=0,multifunction=on \
-device ich9-usb-uhci2,masterbus=usb.0,firstport=2 \
-device ich9-usb-uhci3,masterbus=usb.0,firstport=4 \
-chardev spicevmc,name=usbredir,id=usbredirchardev1 \
-device usb-redir,chardev=usbredirchardev1,id=usbredirdev1 \
-chardev spicevmc,name=usbredir,id=usbredirchardev2 \
-device usb-redir,chardev=usbredirchardev2,id=usbredirdev2 \
-chardev spicevmc,name=usbredir,id=usbredirchardev3 \
-device usb-redir,chardev=usbredirchardev3,id=usbredirdev3
#USB3.0
-device nec-usb-xhci,id=usb \
-chardev spicevmc,name=usbredir,id=usbredirchardev1 \
-device usb-redir,chardev=usbredirchardev1,id=usbredirdev1 \
-chardev spicevmc,name=usbredir,id=usbredirchardev2 \
-device usb-redir,chardev=usbredirchardev2,id=usbredirdev2 \
-chardev spicevmc,name=usbredir,id=usbredirchardev3 \
-device usb-redir,chardev=usbredirchardev3,id=usbredirdev3

remote-viewer

#自动连接
remote-viewer --spice-usbredir-redirect-on-connect="0x03,-1,-1,-1,0|-1,-1,-1,-1,1"
#热拔插时支持USB设备
remote-viewer --spice-usbredir-auto-redirect-filter="0x03,-1,-1,-1,0|-1,-1,-1,-1,1"

设备重定向

常规的重定向方法通常为端口重定向，但是例如一些设备为USB设备，但是不是使用通用USB设备，就需要使用设备重定向，需要针对开发虚拟机内部的虚拟化设备驱动，虚拟设备驱动层，但需要考虑兼容性问题，不具备通用性，成本也相对比较高。

设备重定向在应用层实现，在虚拟机上创建一个虚拟的USB外设驱动，是的应用程序获得数据。

设备重定向做为端口重定向的补充，优势时数据传输效率更高，延时更低。在使用类似于USB摄像头的场景时，就需要使用USB设备重定向或者其他特定的USB设备时，就需要使用设备重定向。

Egg:

设备重定向在实际业务场景中，还有一些其他关键因素需要考虑，设备的黑白名单，设备热拔插，还有设备重定向的需求中数据传输需要怎么做。

以摄像头为例：

#USB设备列表获取
#USB热拔插事件监听(libusb/libusbevent/libudev)
#USB黑白名单过滤
#USB重定向
#--摄像头--
#USB摄像头数据获取(视频流编码<硬编>)
#USB数据传输

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原始发表：2022-01-24，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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