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）

隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，虛擬化技術(shù)也取得了顯著的成績。目前虛擬化計算在云計算方面的應用日益廣泛，且發(fā)揮越來越大的作用。當然在實際操作和運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)。本文通過對基于KVM虛擬化的顯卡直通技術(shù)進行全面論述，從概念、特征、產(chǎn)生等方面進行解析，希望能夠為相關(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)；應用；研究

隨著計算機技術(shù)的全面發(fā)展，云計算領(lǐng)域也不斷引入新技術(shù)、新方法，并取得了突破性進展，虛擬化技術(shù)的應用為云計算提供了更加廣闊的發(fā)展領(lǐng)域，進一步強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)的運用，能夠大大提高虛擬機顯卡的數(shù)據(jù)傳輸效率，增強用戶體驗本地化的實際能力。

1 KVM虛擬機技術(shù)基礎(chǔ)內(nèi)容概述

1.1 KVM虛擬機技術(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虛擬機是基于內(nèi)核的虛擬機，是一個開源的虛擬化系統(tǒng)。

1.2 KVM虛擬機技術(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，隨著應用逐漸擴大和技術(shù)交流，2008年該技術(shù)由Linux的發(fā)行版提供商Redhat進行購買并獲得版權(quán)，由此開始了KVM虛擬機技術(shù)的創(chuàng)新，替代了問題日益眾多的Xen，并得到了進一步應用和推廣。隨著技術(shù)創(chuàng)新和科技進步，2010年退出了基于硬件虛擬化的KVM虛擬機新系統(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)從而全面實現(xiàn)內(nèi)核虛擬化應用。

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)化運行平臺，具體包括處理器、網(wǎng)絡適配器、磁盤空間、硬盤、設備等等，通過互相協(xié)同運行從而實現(xiàn)相應功能，該技術(shù)克服了傳統(tǒng)的修改操作來實現(xiàn)平臺穩(wěn)定運行的弊端，能夠不用經(jīng)過任何處理就可以直接在X86平臺上進行運轉(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，具體體現(xiàn)在：

一是KVM虛擬化技術(shù)平臺是開源性平臺，能夠大大降低運行成本。二是KVM虛擬化技術(shù)升級之后能夠與Linux內(nèi)核系統(tǒng)進行自動整合，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，能夠在規(guī)模較大的空間內(nèi)進行運作，這樣既可以有效降低平臺各種成本，還能在穩(wěn)定性方面得到最大限度的體現(xiàn)，性價比高。比如在虛擬主機數(shù)量超過2500臺以上時，KVM虛擬化技術(shù)的優(yōu)勢更加明顯，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，虛擬機通過對QEMU外圍設備領(lǐng)域進行訪問和處理，運用虛擬化相關(guān)技術(shù)進行有效傳遞信息，性能非常強大。目前用顯卡直通渠道讓把物理顯卡的具體地址有效地進行分配，并獨立運行?？梢钥闯鲲@卡直通技術(shù)在虛擬機調(diào)用物理顯卡驅(qū)動方面發(fā)揮較大功能，為圖像及時顯示提供技術(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)的基本運行結(jié)構(gòu)：為保證外設部件互連標準設備的直通功能的發(fā)揮，必須在KVM虛擬機具體操作中考慮各種因素，包括設備的內(nèi)存和資源、設備的分置空間、設備中斷時等的映射問題以及如何保證設備內(nèi)存訪問的暢通等方面。

上述各種因素的影響將會制約KVM虛擬化系統(tǒng)的有效運作，前三項映射狀況可以自動進行解決，最后一項就可以借助下面的顯卡直通技術(shù)有效實現(xiàn)。

在KVM虛擬機對物理顯卡進行直接訪問和登陸時，必須要在QEMU平臺上注冊一個虛擬設備，這是進行PCI設備訪問的最直接通道，通過注冊，然后進行訪問映射，從而將相關(guān)信息映射到實際設備上，進而實現(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，就必須把顯卡單獨連接到PCI總線上，這時就可以注冊兩個虛擬PCI橋設備，從而實現(xiàn)直接訪問物理顯卡的目標。

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

總之KVM虛擬化中的顯卡直通技術(shù)應用和開發(fā)是一項系統(tǒng)工程，這是一種二次開發(fā)和優(yōu)化技術(shù)，在運行過程中也會遇到各種各樣的問題，必須結(jié)合具體運行參數(shù)合理確定相應的匹配指標才能保證穩(wěn)定運行，可以借鑒國外先進的經(jīng)驗，結(jié)合國內(nèi)實際情況進一步提高KVM虛擬化中的顯卡直通技術(shù)水平，從而提高使用性能。

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