基于QEMU的虚拟网络设备物理层通信的研究
摘 要
介绍虚拟机的基本概念和体系结构，并重点描述了主流虚拟机QEMU。本文介绍的网络虚拟设备就是基于QEMU的，着重介绍物理层的通信机制，特别是接口的连接方式，并提供实验方法和过程。这对网络虚拟设备方面的研究具有很大的参考价值。
【关键词】虚拟机 QEMU 虚拟网卡 接口
近年来，虚拟机技术重新得到重视并得以快速发展，基于虚拟机的虚拟网络环境成为当前网络计算领域的热点研究问题。虚拟网络设备能够满足实验和学习的需求，提供较为灵活的组网环境，所需成本也相对较低。
对于虚拟网络设备而言，虚拟机是承载网络设备操作系统的硬件资源，虚拟机支持的启动参数中，可以指定一定类型的虚拟网卡，虚拟机上的虚拟网卡和模拟的网络设备的接口是一一对应的。只有网卡正常通信，设备才能通信，对于虚拟设备而言，各个模块的收发包要依赖网卡来收发数据，这就需要及时获得网卡收发包功能是否正常的信息，因此对网卡的管理就显得尤为重要了。
本文围绕解决虚拟网卡物理层通信问题，主要介绍网卡状态的管理，保证虚拟网卡正常的收发报文，维护网卡的状态，以便快速响应用户的操作和感知对端在线情况，将网卡的实时状态通知其它模块，便于其它模块进行本模块的收发包。使用的虚拟机为QEMU，采用的设计方法是借助宿主机自身的通信机制实现数据的交互，这样使得具有良好的扩展性，也简化了用户的操作。
1 相关工作
1.1 虚拟机介绍
对于虚拟机来讲，“虚拟”实际上就是指的一些虚拟指令集。每个虚拟机都有一个用户可以访问的虚拟指令集，虚拟机把这些虚拟指令“映射”到计算机的实际指令集。
在虚拟机领域，主要有四种不同的模型。第一种以IBM虚拟机模型为代表，它几乎是一种一一映射，用户实际上就是在访问并执行机器的指令。第二种流派由抽象计算机实现对操作系统和机器指令的映射，它以Java虚拟机为代表。第三、第四种分别为UNIX虚拟机模型和OSI虚拟机模型，这两种模型直接映射一部分指令，而其它的指令则是对操作系统函数的直接调用。
1.2 QEMU虚拟机
QEMU虚拟机属于UNIX虚拟机模型一类，QEMU是一套由Fabrice Bellard所编写的模拟处理器的自由软件。它与Bochs，PearPC近似，但其具有这两者所不具备的特性，如高速及跨平台的特性。经由Kqemu这个开源的加速器，QEMU能模拟至接近真实电脑的速度。
QEMU是开源界广泛使用的虚拟机软件，它支持多种硬件架构的模拟，支持的硬件器件类型和数量都很丰富。重要的是，它可以支持最大128个网口，并且支持丰富的网络模拟连接方式，非常适合承载网络设备模拟器。
2 物理层通信的设计与实现
2.1 物理层通信基础分析
QEMU借助宿主机Socket进行通信，这里可以将虚拟网卡发送的数据交给宿主机的Socket，从而能够将数据发送到宿主机网络中去。同样的，从Socket获取的数据也能交给虚拟网卡，这样就能实现互通。这种方式得益于QEMU提供一种方式能够将虚拟网卡和Socket关联到一起，并且一一对应起来，这里我们选取使用一个tag标记的方式将两者关联。采用这样的通信方式可以免去安装大量虚拟网卡的麻烦，节省了资源。
虚拟网卡的转发模块维护网卡的收发包功能，各模块设定模块ID在转发模块注册，转发模块以模块ID为标记来维护各个模块的收发数据。QEMU虽然实现了网卡之间的数据传输，但是没有提供网卡状态的通知机制，即网卡的开启和关闭，没有实时通知其它模块，这样各模块无法获取网卡的开启和关闭状态，影响了各个模块数据的收发。例如，两台虚拟设备的两个接口相连，
2.1.1 虚拟设备间通信
虚拟设备间通信是通过UDP单播[8]来进行点对点通信，需指定源端口和目的端口号，以及目的ip地址，采用这种方式来模拟接口的点对点通信。
2.1.2 虚拟设备和宿主机通信
QEMU的启动参数支持虚拟网卡的关联，在启动参数中指定关联的虚拟网卡，可以将虚拟网卡和宿主机上的虚拟网卡绑定，如tap网卡，这样就实现了虚拟机和宿主机的通信。
2.1.3 虚拟设备和物理设备通信
将虚拟tap网卡和宿主机的物理网卡桥接，这样，虚拟网卡发出的报文，会发送给tap网卡，tap网卡再将报文通过桥接通道发送给物理网卡，从而达到利用宿主机网卡发送报文的目的。接收报文流程类同。这样就实现了和物理设备的互通。
2.2 物理层通信的设计与实现
网卡状态管理，管理的是虚拟网络设备的接口，用户看到的每个接口是QEMU启动参数中指定的虚拟网卡，所以用户对接口的操作实际是对虚拟网卡的操作。
2.2.1 接口连线分析
通过2.1节虚拟网络设备的连网工作模式，可以获知网卡的连接对象，即用户在虚拟网络设备看到接口的连接对象，对于2.1.1虚拟网络设备间通信，接口的对端是另一个虚拟设备的接口，即连线的两端是虚拟设备的两块虚拟网卡；对于2.1.2虚拟设备和宿主机通信，接口的对端是安装在宿主机上的tap网卡，即连线的两端一端是虚拟设备的网卡，另一端是宿主机的虚拟网卡；对于2.1.3虚拟设备和物理网络设备通信，接口的对端是安装在宿主机上的tap虚拟网卡，但是物理网络设备一个接口与宿主机的物理网卡连接在一起，两者又通过桥接通道间接连接。
因此，对于虚拟网络设备的网卡的连接对象有两个：一个是虚拟设备的网卡，一个是安装在宿主机上的tap网卡。
2.2.2 接口状态设计
由上面的分析可知，接口的连线有三种：有对端连线、无对端连线，对端为tap网卡。用户的操作有打开、关闭接口，另外，有连线的两端要实时探测到对端是否在线。设计了接口的三种状态：关闭状态（网卡关闭收发包）、探测状态（开启网卡收发包、只发送接口状态管理私有协议的报文）、就绪状态（各协议报文都能收发）。
（1）用户关闭网卡；
（2）用户打开网卡；
（3）对端有连线，探测到对端在线，接口切成就绪状态；
（4）探测不到对端，对端下线，接口切成探测状态。
2.2.3 网卡状态管理实现
下面是网卡状态管理实现的主要内容：
（1）创建hash表。Hash表以网卡id为key，hash节点内存放的结构体有网卡id、本端接口状态、定时器超时计数次数、接口对端信息（无连接、接口、tap网卡）。节点创建后不需删除，因为对于虚拟网络设备是不支持动态删除网卡的。
（2）封装报文。接口状态管理需要用到两种类型以太报文：hello报文（用来探测）、stop标识报文（网卡关闭前通知对端，本端下线），协议为模块私有协议。
探测报文格式：
以太头+网卡ID+协议标识（ifstate）+HELLO+以太尾。
Stop标识报文：
以太头+网卡ID+协议标识（ifstate）+STOP+以太尾。
（3）IFSTATE_OPEN函数。该函数是完成用户打开接口，有以下动作：
①开启网卡收发包。
②接口状态为探测状态。
③创建定时器，超时时间为500ms，超时次。
数为6次，即超时周期为3s，超时处理函数中负责发送探测报文（Hello报文），如果本端处于就绪状态，超时周期内没有收到对端的探测报文，认为对端不在线，将本端状态切成探测状态，并通知其它模块，同时将定时器超时计数清零。如果本端处于探测状态，不做任何处理，直到收到对端的探测报文。如果本端接口没有对端，或者是对端是tap网卡，则不用创建定时器，也不用发送探测报文，另外，如果对端是tap网卡直接将接口切成就绪状态，除非用户手动关闭接口。
（4）IFSTATE_CLOSE函数。该函数是完成用户关闭接口，有以下动作：
①发送stop标识报文，通知对端，本端下线。
②将本端状态切成关闭状态。
③删除定时器。
④关闭网卡收发包。
（5）IFSTATE_RECEIVE函数。该函数为收包函数，有以下动作：
①收到对端的Hello标识报文。
如果对端处于就绪状态，不做任何处理；
如果对端处于探测状态，将本端接口状态切成就绪状态，发送一个探测报文，通知对端本端就绪。
②收到对端的Stop标识报文。
如果本端处于探测状态，不做任何处理。
如果本端处于就绪状态，将本端切成就绪状态，直到收到对端的探测报文。
采用上述管理机制，每个接口只需维护此状态切换机制，也就能正确维护链路状态了，从而保证了虚拟设备的物理层接口正常运转，报文数据能够正常的收发，上层协议能够在物理层就绪的基础上正常协商，进而实现了虚拟设备的通信。
3 实验结果
本节以一个组网来验证设计物理层的通信机制，基于QEMU的虚拟设备是运行在宿主机上的，一台宿主机可以起一台或多台虚拟网络设备。
实验目标：验证网卡状态管理是否正常，能否达到预期。
实验预期：网卡处于就绪状态，链路通过ping报文验证，两端能够互相ping通，网卡处于探测或关闭状态，两端不能ping通。
实验环境：选择两台虚拟网络设备和一台真实物理交换机，虚拟网络设备分别模拟的是路由器VM1和高端交换机VM2。其中VM1和VM2位于两台PC上，两者是跨PC组网，PC1和PC2位于同一局域网内，能够正常通信，而PC2和物理交换机能够通信，VM2和物理交换机之间的通信是虚拟网络交换机和真实物理设备的通信，即VM2的GE1/0/10绑定tap网卡，并通过桥接通道和物理交换机的Ge1/0/10口相连，测试前已验证能够正常通信。按图中所示，给每个接口配置相应的ip地址。
实验结果：
（1）通过命令行查看，VM1端口GE1/0/4和VM2端口GE1/0/4、GE1/0/10，以及物理交换机端口GE1/0/10均处于就绪状态。Ping命令结果显示PC1能ping通物理交换机。
（2）将VM2端口GE1/0/4手动切成探测状态，通过命令行查看VM1端口GE1/0/4自动切成探测状态，而物理交换机端口GE1/0/10和VM2端口GE1/0/10处于就绪状态。Ping命令结果显示PC1不能ping通物理交换机。
4 结语
基于QEMU的通信方式的设计，更加的简单、高效，这也得益于QEMU对Windows的兼容性。当然此套设计方案也是有不足之处的，比如在Windows操作系统上QEMU的性能比运行在Linux操作系统上低，也存在多处bug，还有tap网卡的缺陷。对于接口状态管理模块，设计方案是排除了多种设计方案后选取的设计方案，该方案在模块上更加内聚、处理上也更加高效，没有使用两端的频繁的握手，当然还是存在不足，就是对宿主机的cpu对报文的处理效率有很大的依赖，如果cpu处理效率低，很容易产生接口震荡的问题。
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作者单位
上海空间电源研究所 上海市 200154
