虚拟机如何直通物理网卡？

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理解虚拟机网络：共享 vs. 直通

当您在物理主机上运行虚拟机（VM）时，虚拟机通常通过虚拟网络与外界通信，主机操作系统（Host OS）上的虚拟化软件（如 VMware Workstation, VirtualBox, Hyper-V, Proxmox VE, ESXi 等）会创建一个或多个虚拟交换机和虚拟网络适配器，虚拟机连接的是这些虚拟适配器，数据流经虚拟交换机，最终由主机操作系统的物理网卡（NIC）发送出去，反之亦然。

这种方式的优点是：

• 配置简单： 开箱即用，无需额外硬件设置。
• 灵活： 可以轻松创建多个虚拟网络，虚拟机之间通信隔离方便。
• 主机管理： 主机操作系统始终保有对物理网卡的控制权。

这种“共享”模式也存在性能开销和功能限制：

• 性能开销： 数据包需要在虚拟化层进行额外的处理、复制和上下文切换，增加了 CPU 负载和网络延迟（Latency）。
• 吞吐量限制： 对于需要极高网络吞吐量（如 10GbE, 25GbE 或更高）的场景，虚拟交换机的处理能力可能成为瓶颈。
• 高级功能限制： 虚拟机无法直接利用物理网卡特有的硬件加速功能（如某些卸载引擎、精确时间戳 PTP 等），也无法直接配置物理网卡的 MAC 地址或 VLAN 标签（通常依赖虚拟化层设置）。

解决方案：物理网卡直通 (PCI Passthrough / SR-IOV)

为了克服共享模式的局限,让虚拟机获得接近物理机的网络性能和功能，可以将物理网卡直接分配给虚拟机使用，这主要有两种技术：

1. PCI Passthrough (PCIe Passthrough):

   

   • 原理： 将整个物理 PCIe 设备（这里是网卡）的控制权从主机操作系统完全移交给指定的虚拟机，主机操作系统在直通启用后将不再“看到”或能使用这块网卡。
   • 效果： 虚拟机获得对物理网卡的独占访问权，网络数据流几乎不经过虚拟化层，极大降低了延迟和 CPU 开销，显著提升了吞吐量，虚拟机可以直接配置网卡的所有硬件特性。
   • 要求：
     • CPU 支持： 物理 CPU 必须支持硬件虚拟化扩展（Intel VT-x 或 AMD-V）并且支持 I/O 虚拟化（Intel VT-d 或 AMD-Vi / AMD IOMMU），这是必需条件。
     • 主板/芯片组支持： 主板 BIOS/UEFI 必须启用上述 CPU 特性（通常在 BIOS 的 CPU 配置或高级设置中寻找 Intel VT-d, AMD IOMMU, SVM Mode 等选项）。
     • 网卡支持： 大多数现代 PCIe 网卡都支持直通，但最好查阅网卡规格或社区确认，一些板载网卡可能不支持或支持不佳。
     • 虚拟化平台支持： VMware ESXi, Proxmox VE, KVM (Linux), Xen, Microsoft Hyper-V (需 Discrete Device Assignment – DDA，要求更严格，通常用于 Windows Server 2016+ 和特定硬件) 等企业级或专业级虚拟化平台支持 PCI Passthrough，桌面级的 VMware Workstation 和 VirtualBox 不支持标准的 PCI Passthrough。
     • 操作系统驱动： 虚拟机内的操作系统需要安装该物理网卡的驱动程序。

2. SR-IOV (Single Root I/O Virtualization):

   • 原理： 这是一种更高级的技术，需要物理网卡硬件本身支持，支持 SR-IOV 的网卡可以将一个物理功能（Physical Function, PF）虚拟出多个独立的虚拟功能（Virtual Function, VF），每个 VF 都可以直接分配给一个虚拟机。
   • 效果： 允许多个虚拟机直接访问同一块物理网卡的硬件资源，每个虚拟机获得一个 VF，性能接近 PCI Passthrough，且允许多个 VM 共享同一块物理网卡，比 PCI Passthrough 更节省 PCIe 插槽资源。
   • 要求：
     • 具备 PCI Passthrough 的所有要求（CPU, 主板 IOMMU 支持）。
     • 网卡硬件支持 SR-IOV： 这是关键，常见的 Intel X520/X710、Mellanox ConnectX 系列等服务器级网卡通常支持。
     • 虚拟化平台支持： 主流企业级平台如 ESXi, Proxmox VE, KVM, Hyper-V (需 SR-IOV 支持) 都支持。
     • 需要在主机操作系统或 Hypervisor 中启用 SR-IOV 并配置 PF 创建 VF。
     • 虚拟机操作系统需要安装支持 SR-IOV VF 的驱动程序。

为什么选择直通？典型应用场景

• 高性能网络应用： 网络密集型虚拟机，如高性能路由器/防火墙（pfSense, OPNsense）、负载均衡器、网络监控/分析工具、低延迟交易系统、VoIP 服务器。
• NAS/存储服务器： 需要高吞吐量访问存储网络的虚拟机（如 TrueNAS, FreeNAS, 或运行 iSCSI/SMB/NFS 服务的 VM）。
• 需要直接控制网卡硬件功能的场景： 如需要精确时间戳（PTP）、特定 VLAN 处理或硬件卸载功能的虚拟机。
• 避免虚拟交换机瓶颈： 当虚拟交换机的处理能力无法满足 VM 的网络需求时。
• 特定软件要求： 某些软件可能要求直接访问物理网络硬件。

重要前提与风险警告

1. 硬件兼容性是关键： 务必确认您的 CPU、主板、网卡 都支持所需的 IOMMU/VT-d 技术，BIOS/UEFI 中已正确启用，这是成功的基础，服务器硬件通常支持良好，消费级硬件支持度参差不齐，需仔细查阅手册和社区经验。
2. 主机失去对网卡的访问： 在 PCI Passthrough 模式下，一旦将网卡直通给 VM，主机操作系统将无法再使用该网卡，这意味着：
   • 如果这是主机唯一的网卡,直通后主机将失去网络连接！ 解决方案：主机必须至少保留一块独立的物理网卡用于自身管理，推荐使用两块或更多网卡：一块给主机/管理，一块（或多块）用于直通。
   • 如果通过远程连接（如 SSH, RDP）管理主机，确保管理网络使用的网卡不被直通，否则连接会中断。
3. 配置复杂性： 设置直通比使用虚拟网络适配器复杂得多，涉及 BIOS 设置、Hypervisor 配置、驱动安装等多个步骤。
4. 虚拟机迁移限制： 使用直通设备的虚拟机通常无法进行在线迁移（如 vMotion, Live Migration），因为设备是物理绑定到特定主机的，迁移前需要关闭 VM 或移除直通设备。
5. 潜在稳定性问题： 虽然现代硬件和软件对此支持已相当成熟，但不兼容或配置错误仍可能导致系统不稳定、崩溃或设备无法识别。
6. 安全隔离： 理论上，获得直通设备访问权的虚拟机可能尝试与设备进行低级别交互，存在潜在的安全风险（尽管 Hypervisor 会尽力隔离），确保只将设备直通给受信任的 VM。

通用配置步骤概览 (以 KVM/Proxmox VE 为例)

以下是一个高度概括的流程,具体步骤因 Hypervisor 和硬件平台差异巨大，请务必查阅您所用平台的官方文档：

1. 验证硬件支持：
   • 在主机 BIOS/UEFI 中启用 Intel VT-d 或 AMD-Vi (IOMMU)。
   • 在 Linux 主机上，检查是否启用：dmesg | grep -e DMAR -e IOMMU 或 cat /proc/cmdline 查看内核启动参数是否包含 intel_iommu=on 或 amd_iommu=on，若没有，需修改 GRUB 配置并重启。
   • 检查网卡是否支持：lspci -nnv 查看目标网卡信息。
2. 识别设备 ID：
   • 使用 lspci -nn 找到目标物理网卡的 PCI 地址（如 03:00.0）和 Vendor/Device ID（如 8086:10fb 对于 Intel 网卡）。
3. 隔离设备 (VFIO)：
   • 在 Linux 上，通常使用 VFIO 驱动来安全地直通设备，需将设备从主机默认驱动（如 ixgbe, igb）解绑，并绑定到 vfio-pci 驱动，这通常通过修改内核模块参数或 initramfs 配置实现（在 /etc/modprobe.d/vfio.conf 中添加 options vfio-pci ids=8086:10fb）。
   • 重启主机或重新加载 VFIO 模块。
4. 在 Hypervisor 中配置直通：
   • Proxmox VE: 在 Web 界面的数据中心 -> 节点 -> 系统 -> IOMMU Groups 确认设备可见且组内无其他设备干扰，编辑虚拟机硬件配置，添加 -> PCI Device，选择目标网卡设备（通常是 hostpciX），选择所需选项（如 PCI-Express, ROM-BAR, 是否 All Functions 等）。
   • VMware ESXi: 将主机置于维护模式，编辑主机设置 -> 硬件 -> PCI 设备 -> 勾选目标网卡 -> 切换直通状态 -> 重启主机，编辑虚拟机设置 -> 添加其他设备 -> PCI 设备 -> 选择已启用的直通设备。
   • 其他平台 (KVM via virt-manager/libvirt): 编辑虚拟机 XML 配置文件，添加 <hostdev> 部分指定 PCI 设备地址。
5. 启动虚拟机并安装驱动：
   • 启动虚拟机,在虚拟机操作系统中，该物理网卡应作为一个新的、未识别的硬件出现（或在设备管理器中看到未知设备）。
   • 安装正确的驱动程序： 从网卡制造商（如 Intel, Broadcom, Mellalinox）官网下载适用于虚拟机操作系统（如 Windows, Linux）的驱动程序并安装。不要使用主机上的驱动。
6. 配置虚拟机网络：

   在虚拟机操作系统中,像在物理机上一样配置该网卡的 IP 地址、网关、DNS 等网络设置，虚拟机现在通过这块直通的物理网卡直接与外部网络通信。

对于 SR-IOV：

1. 完成上述步骤 1 (BIOS, IOMMU)。
2. 在主机上启用 SR-IOV 并创建 VF：
   • 加载网卡 PF 驱动并启用 SR-IOV（如 Intel: modprobe ixgbe; echo 4 > /sys/class/net//device/sriov_numvfs 创建 4 个 VF）。
   • 确认 VF 出现 (lspci)。
3. 将 VF 隔离并绑定到 VFIO 驱动（类似步骤 3，但针对 VF 的 ID）。
4. 在 Hypervisor 中将 VF（而不是 PF）分配给虚拟机（步骤 4）。
5. 在虚拟机中安装 VF 的驱动程序并配置网络（步骤 5 & 6）。

将物理网卡直通给虚拟机是一种强大的技术,可以显著提升虚拟机的网络性能和功能访问能力，特别适用于对网络要求苛刻的应用场景，它需要特定的硬件支持（CPU VT-d/AMD-Vi，主板 BIOS 支持，兼容网卡）、复杂的配置过程，并且会剥夺主机对该网卡的使用权，带来管理上的考量（如需要额外管理网卡）和迁移限制。

在实施前,务必：

1. 仔细查阅您的 CPU、主板、网卡的技术规格 确认支持 IOMMU/VT-d 和直通/SR-IOV。
2. 详细阅读您所使用的 虚拟化平台（Hypervisor）的官方文档 中关于 PCI Passthrough 或 SR-IOV 的配置指南。
3. 充分理解风险,特别是主机失去网络连接的风险，并做好预案（保留专用管理网口）。
4. 在生产环境部署前,强烈建议在测试环境中验证配置和稳定性。

通过精心的规划和配置,物理网卡直通能够为您的关键虚拟机带来接近物理机的网络性能体验。

引用与参考说明：

• Intel Virtualization Technology for Directed I/O (VT-d) Architecture Specification: [https://www.intel.com/content/www/us/en/content-details/671368/intel-virtualization-technology-for-directed-i-o-architecture-specification.html] (权威技术规范)
• AMD I/O Virtualization Technology (IOMMU) Specification: [https://www.amd.com/system/files/TechDocs/48882_IOMMU.pdf] (权威技术规范)
• Proxmox VE PCI(e) Passthrough Documentation: [https://pve.proxmox.com/wiki/Pci_passthrough] (特定平台权威指南)
• VMware Docs: Configuring PCI Devices for Passthrough: [https://docs.vmware.com/en/VMware-vSphere/7.0/com.vmware.vsphere.vm_admin.doc/GUID-3B61CF0A-E6F0-400E-8B78-7C41E5B7A1B0.html] (特定平台权威指南)
• Red Hat Documentation: PCI device assignment (passthrough) with KVM: [https://access.redhat.com/documentation/en-us/red_hat_enterprise_linux/7/html/virtualization_deployment_and_administration_guide/sect-pci_devices-pci_passthrough] (特定平台权威指南)
• Microsoft Docs: Plan for deploying devices using Discrete Device Assignment: [https://learn.microsoft.com/en-us/windows-server/virtualization/hyper-v/plan/plan-for-deploying-devices-using-discrete-device-assignment] (特定平台权威指南 – Hyper-V DDA)
• Wikipedia – SR-IOV: [https://en.wikipedia.org/wiki/Single-root_input/output_virtualization] (背景知识参考)
• Wikipedia – IOMMU: [https://en.wikipedia.org/wiki/Input%E2%80%93output_memory_management_unit] (背景知识参考)
• 网卡制造商 (Intel, Broadcom, Mellanox/NVIDIA) 官方网站： 获取特定网卡型号的 SR-IOV 支持信息和驱动程序下载（权威来源）。