1.IOMMU

1.1 IOMMU功能簡介

IOMMU主要功能包括DMA Remapping和Interrupt Remapping，這里主要講解DMA Remapping，Interrupt Remapping會獨立講解。對于DMA Remapping，IOMMU與MMU類似。IOMMU可以將一個設備訪問地址轉換為存儲器地址，下圖針對有無IOMMU情況說明IOMMU作用。

在沒有IOMMU的情況下，網卡接收數據時地址轉換流程，RC會將網卡請求寫入地址addr1直接發送到DDR控制器，然后訪問DRAM上的addr1地址，這里的RC對網卡請求地址不做任何轉換，網卡訪問的地址必須是物理地址。

對于有IOMMU的情況，網卡請求寫入地址addr1會被IOMMU轉換為addr2，然后發送到DDR控制器，最終訪問的是DRAM上addr2地址，網卡訪問的地址addr1會被IOMMU轉換成真正的物理地址addr2，這里可以將addr1理解為虛機地址。

左圖是沒有IOMMU的情況，對于虛機無法實現設備的透傳，原因主要有兩個：一是因為在沒有IOMMU的情況下，設備必須訪問真實的物理地址HPA，而虛機可見的是GPA；二是如果讓虛機填入真正的HPA，那樣的話相當于虛機可以直接訪問物理地址，會有安全隱患。所以針對沒有IOMMU的情況，不能用透傳的方式，對于設備的直接訪問都會有VMM接管，這樣就不會對虛機暴露HPA。

右圖是有IOMMU的情況，虛機可以將GPA直接寫入到設備，當設備進行DMA傳輸時，設備請求地址GPA由IOMMU轉換為HPA（硬件自動完成），進而DMA操作真實的物理空間。IOMMU的映射關系是由VMM維護的，HPA對虛機不可見，保障了安全問題，利用IOMMU可實現設備的透傳。這里先留一個問題，既然IOMMU可以將設備訪問地址映射成真實的物理地址，那么對于右圖中的Device A和Device B，IOMMU必須保證兩個設備映射后的物理空間不能存在交集，否則兩個虛機可以相互干擾，這和IOMMU的映射原理有關，后面會詳細介紹。

1.2 IOMMU作用

根據上一節內容，總結IOMMU主要作用如下：

屏蔽物理地址，起到保護作用。典型應用包括兩個：一是實現用戶態驅動，由于IOMMU的映射功能，使HPA對用戶空間不可見，在vfio部分還會舉例。二是將設備透傳給虛機，使HPA對虛機不可見，并將GPA映射為HPA

IOMMU可以將連續的虛擬地址映射到不連續的多個物理內存片段，這部分功能于MMU類似，對于沒有IOMMU的情況，設備訪問的物理空間必須是連續的，IOMMU可有效的解決這個問題

1.3 IOMMU工作原理

前面簡單介紹了IOMMU的映射功能，下面講述IOMMU到底如何實現映射的，為便于分析，這里先不考慮虛擬化的場景，以下圖為例，闡述工作原理。

IOMMU的主要功能就是完成映射，類比MMU利用頁表實現VA->PA的映射，IOMMU也需要用到頁表，那么下一個問題就是如何找到頁表。在設備發起DMA請求時，會將自己的Source Identifier(包含Bus、Device、Func)包含在請求中，IOMMU根據這個標識，以RTADDR_REG指向空間為基地址，然后利用Bus、Device、Func在Context Table中找到對應的Context Entry，即頁表首地址，然后利用頁表即可將設備請求的虛擬地址翻譯成物理地址。這里做以下說明：

圖中紅線的部門，是兩個Context Entry指向了同一個頁表。這種情況在虛擬化場景中的典型用法就是這兩個Context Entry對應的不同PCIe設備屬于同一個虛機，那樣IOMMU在將GPA->HPA過程中要遵循同一規則

由圖中可知，每個具有Source Identifier(包含Bus、Device、Func)的設備都會具有一個Context Entry。如果不這樣做，所有設備共用同一個頁表，隸屬于不同虛機的不同GPA就會翻譯成相同HPA，會產生問題，

有了頁表之后，就可以按照MMU那樣進行地址映射工作了，這里也支持不同頁大小的映射，包括4KB、2MB、1GB，不同頁大小對應的級數也不同，下圖以4KB頁大小為例說明，映射過程和MMU類似，不再詳細闡述。

1.4 Source Identifier

在講述IOMMU的工作原理時，講到了設備利用自己的Source Identifier(包含Bus、Device、Func)來找到頁表項來完成地址映射，不過存在下面幾個特殊情況需要考慮。

對于由PCIe switch擴展出的PCI橋及橋下設備，在發送DMA請求時，Source Identifier是PCIe switch的，這樣的話該PCI橋及橋下所有設備都會使用PCIe switch的Source Identifier去定位Context Entry，找到的頁表也是同一個，如果將這個PCI橋下的不同設備分給不同虛機，由于會使用同一份頁表，這樣會產生問題，針對這種情況，當前PCI橋及橋下的所有設備必須分配給同一個虛機，這就是VFIO中組的概念，下面會再講到。

對于SRIO-V，之前介紹過VF的Bus及devfn的計算方法，所以不同VF會有不同的Source Identifier，映射到不同虛機也是沒有問題的

2.VFIO

VFIO就是內核針對IOMMU提供的軟件框架，支持DMA Remapping和Interrupt Remapping，這里只講DMA Remapping。VFIO利用IOMMU這個特性，可以屏蔽物理地址對上層的可見性，可以用來開發用戶態驅動，也可以實現設備透傳。

2.1 概念介紹

先介紹VFIO中的幾個重要概念，主要包括Group和Container。

Group：group 是IOMMU能夠進行DMA隔離的最小硬件單元，一個group內可能只有一個device，也可能有多個device，這取決于物理平臺上硬件的IOMMU拓撲結構。設備直通的時候一個group里面的設備必須都直通給一個虛擬機。不能夠讓一個group里的多個device分別從屬于2個不同的VM，也不允許部分device在host上而另一部分被分配到guest里， 因為就這樣一個guest中的device可以利用DMA攻擊獲取另外一個guest里的數據，就無法做到物理上的DMA隔離。

Container：對于虛機，Container 這里可以簡單理解為一個VM Domain的物理內存空間。對于用戶態驅動，Container可以是多個Group的集合。

上圖中PCIe-PCI橋下的兩個設備，在發送DMA請求時，PCIe-PCI橋會為下面兩個設備生成Source Identifier，其中Bus域為紅色總線號bus，device和func域為0。這樣的話，PCIe-PCI橋下的兩個設備會找到同一個Context Entry和同一份頁表，所以這兩個設備不能分別給兩個虛機使用，這兩個設備就屬于一個Group。

2.2 使用示例

這里先以簡單的用戶態驅動為例，在設備透傳小節中，在分析如何利用vfio實現透傳。

int container, group, device, i; struct vfio_group_status group_status = { .argsz = sizeof(group_status) }; struct vfio_iommu_type1_info iommu_info = { .argsz = sizeof(iommu_info) }; struct vfio_iommu_type1_dma_map dma_map = { .argsz = sizeof(dma_map) }; struct vfio_device_info device_info = { .argsz = sizeof(device_info) }; /* Create a new container */ container = open("/dev/vfio/vfio", O_RDWR); if (ioctl(container, VFIO_GET_API_VERSION) != VFIO_API_VERSION) /* Unknown API version */ if (!ioctl(container, VFIO_CHECK_EXTENSION, VFIO_TYPE1_IOMMU)) /* Doesn't support the IOMMU driver we want. */ /* Open the group */ group = open("/dev/vfio/26", O_RDWR); /* Test the group is viable and available */ ioctl(group, VFIO_GROUP_GET_STATUS, &group_status); if (!(group_status.flags & VFIO_GROUP_FLAGS_VIABLE)) /* Group is not viable (ie, not all devices bound for vfio) */ /* Add the group to the container */ ioctl(group, VFIO_GROUP_SET_CONTAINER, &container); /* Enable the IOMMU model we want */ // type 1 open | attatch ioctl(container, VFIO_SET_IOMMU, VFIO_TYPE1_IOMMU); /* Get addition IOMMU info */ ioctl(container, VFIO_IOMMU_GET_INFO, &iommu_info); /* Allocate some space and setup a DMA mapping */ dma_map.vaddr = mmap(0, 1024 * 1024, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, 0, 0); dma_map.size = 1024 * 1024; dma_map.iova = 0; /* 1MB starting at 0x0 from device view */ dma_map.flags = VFIO_DMA_MAP_FLAG_READ | VFIO_DMA_MAP_FLAG_WRITE; ioctl(container, VFIO_IOMMU_MAP_DMA, &dma_map); /* Get a file descriptor for the device */ device = ioctl(group, VFIO_GROUP_GET_DEVICE_FD, "00000d.0"); /* Test and setup the device */ ioctl(device, VFIO_DEVICE_GET_INFO, &device_info);

對于dev下Group就是按照上一節介紹的Group劃分規則產生的，上述代碼描述了如何使用VFIO實現映射，對于Group和Container的相關操作這里不做過多解釋，主要關注如何完成映射，下圖解釋具體工作流程。

首先，利用mmap映射出1MB字節的虛擬空間，因為物理地址對于用戶態不可見，只能通過虛擬地址訪問物理空間。然后執行ioctl的VFIO_IOMMU_MAP_DMA命令，傳入參數主要包含vaddr及iova，其中iova代表的是設備發起DMA請求時要訪問的地址，也就是IOMMU映射前的地址，vaddr就是mmap的地址。VFIO_IOMMU_MAP_DMA命令會為虛擬地址vaddr找到物理頁并pin住（因為設備DMA是異步的，隨時可能發生，物理頁面不能交換出去），然后找到Group對應的Contex Entry，建立頁表項，頁表項能夠將iova地址映射成上面pin住的物理頁對應的物理地址上去，這樣對用戶態程序完全屏蔽了物理地址，實現了用戶空間驅動。IOVA地址的00x100000對應DRAM地址0x100000000x10100000，size為1024 * 1024。一句話概述，VFIO_IOMMU_MAP_DMA這個命令就是將iova通過IOMMU映射到vaddr對應的物理地址上去。

3.設備透傳分析

設備透傳就是由虛機直接接管設備，虛機可以直接訪問MMIO空間，VMM配置好IOMMU之后，設備DMA讀寫請求也無需VMM借入，需要注意的是設備的配置空間沒有透傳，因為VMM已經配置好了BAR空間，如果將這部分空間也透傳給虛機，虛機會對BAR空間再次配置，會導致設備無法正常工作。

3.1 虛機地址映射

在介紹透傳之前，先看下虛機的GPA與HVA和HPA的關系，以及虛機是如何訪問到真實的物理地址的，過程如下圖。

一旦頁表建立好后，整個映射過程都是硬件自動完成的，對于上圖有如下幾點說明：

對于虛機內的頁表，完成GVA到GPA的映射，雖然整個過程都是硬件自動完成，但有一點要注意下，在虛機的中各級頁表也是存儲在HPA中的，而CR3及各級頁表中裝的地址都是GPA，所以在訪問頁表時也需要借助EPT，上圖中以虛線表示這個過程

利用虛機頁表完成GVA到GPA的映射后，此時借助EPT實現GPA到HPA的映射，這里沒有什么特殊的，就是一層層頁表映射

看完上圖，有沒有發現少了點啥，是不是沒有HVA。單從上圖整個虛機尋址的映射過程來看，是不需要HVA借助的，硬件會自動完成GVA->GPA->HPA映射，那么HVA有什么用呢？這里從下面兩方面來分析：1）Qemu利用iotcl控制KVM實現EPT的映射，映射的過程中必然要申請物理頁面。Qemu是應用程序，唯一可見的只是HVA，這時候又需要借助mmap了，Qemu會根據虛機的ram大小，即GPA大小范圍，然后mmap出與之對應的大小，即HVA。通過KVM_SET_USER_MEMORY_REGION命令控制KVM，與這個命令一起傳入的參數主要包括兩個值，guest_phys_addr代表虛機GPA地址起始，userspace_addr代表上面mmap得到的首地址（HVA）。傳入進去后，KVM就會為當前虛機GPA建立EPT映射表實現GPA->HPA，同時會為VMM建立HVA->HPA映射。2）當vm_exit發生時，VMM需要對異常進行處理，異常發生時VMM能夠獲取到GPA，有時VMM需要訪問虛機GPA對應的HPA，VMM的映射和虛機的映射方式不同，是通過VMM完成HVA->HPA，且只能通過HVA才能訪問HPA，這就需要VMM將GPA及HVA的對應關系維護起來，這個關系是Qemu維護的，這里先不管Qemu的具體實現（后面會有專門文檔介紹），當前只需要知道給定一個虛機的GPA，虛機就能獲取到GPA對應的HVA。下圖描述VMM與VM的地址映射關系。

3.2 設備透傳實現

在前面介紹VFIO的使用實例時，核心思想就是IOVA經過IOMMU映射出的物理地址與HVA經過MMU映射出的物理地址是同一個。對于設備透傳的情況，先上圖，然后看圖說話。

先來分析一下設備的DMA透傳的工作流程，一旦設備透傳給了虛機，虛機在配置設備DMA時直接使用GPA。此時GPA經由EPT會映射成HPA1，GPA經由IOMMU映射的地址為HPA2，此時的HPA1和HPA2必須相等，設備的透傳才有意義。下面介紹在配置IOMMU時如何保證HPA1和HPA2相等，在VFIO章節講到了VFIO_IOMMU_MAP_DMA這個命令就是將iova通過IOMMU映射到vaddr對應的物理地址上去。對于IOMMU來講，此時的GPA就是iova，我們知道GPA經由EPT會映射為HPA1，對于VMM來講，這個HPA1對應的虛機地址為HVA，那樣的話在傳入VFIO_IOMMU_MAP_DMA命令時講hva作為vaddr，IOMMU就會將GPA映射為HVA對應的物理地址及HPA1，即HPA1和HPA2相等。上述流程幫助理清整個映射關系，實際映射IOMMU的操作很簡單，前面提到了qemu維護了GPA和HVA的關系，在映射IOMMU的時候也可以派上用場。注：IOMMU的映射在虛機啟動時就已經建立好了，映射要涵蓋整個GPA地址范圍，同時虛機的HPA對應的物理頁都不會交換出去（設備DMA交換是異步的）。