I/O 虚拟化技术的实现方式有哪些？

I/O 虚拟化技术，有些地方也叫I/O 设备虚拟化技术，目前主流的模型实现方式有以下几种：

全模拟：纯软件实现，通常由虚拟化层（QEMU）完全模拟一个设备给虚拟机用， 其优点是不需要修改操作系统内核和驱动，因此它是可移植性与兼容性最好的I/O 设备虚拟模型。但是，这种实现模型性能不高，主要原因是：第一，软件模拟本身就无法具有很高的性能；第二，在这种实现方式中，I/O 请求的完成需要虚拟机与监视程序多次的交互，产生大量的上下文切换，开销巨大。

Virtio驱动半虚拟化：将设备虚拟的工作一拆为二，一部分在虚拟机内核中作为前端驱动，一部分放到虚拟化层上（通常是QEMU）作为后端，前后端共享Virtio 环协同完成任务。Virtio 前后端的技术只是减少了VM Exit 和VM Entry（Guest 和Host 的上下文切换），并且使Guest 和Host 能通过并行处理I/O 来提高吞吐量并减少延迟。但是，I/O 的路径并不比全虚拟化技术少。

硬件辅助虚拟化：借助硬件技术，如Intel 的VT-d 技术实现PCI 设备直接挂载给虚拟机，常见的有设备直通和SR-IOV。

纵观各大云服务提供商，FPGA 云服务器采用的都是设备直通，主要因为以下三点：一是FPGA 的性能，客户考虑业务搬迁上云首先要做的就是对比，跟本地物理机比、跟竞品（如GPU/ASIC）比。虚拟化必然导致部分的硬件性能损耗，1% 的性能损失都会增大客户拒绝使用FPGA 云服务器的可能性；二是应用场景，FPGA 比较适用于计算密集型和通信密集型任务。在大数据爆发的时代，很多应用都需要调度多片FPGA 才能满足需求，将同一片FPGA 共享给多个客户的需求并不强烈；三是实现难度，分片FPGA（vFPGA）的多租户场景，在安全和隔离的实现上，虽然可以复用vGPU 方案，但是硬件逻辑开发的难度非常大。综合考虑，各大云服务提供商在FPGA 设备虚拟化时选择的都是性能损耗最小的设备直通方案。

设备直通（Device Passthrough）技术：是将宿主机上的PCIe 设备直接分配给客户机使用，虚拟机独占这个设备，在客户机进行对应的I/O 操作时，不需要通过VMM 或被VMM 截获，所以设备性能几乎无损耗。设备直通技术的实现依赖IOMMU 功能（隔离虚拟机对内存资源的访问），需要硬件支持，比如Intel 平台的VT-d 技术。

资料来源：《弹性计算—无处不在的算力》