Linux KVM 虚拟化技术

Posted 2021-05-15 IHBOS

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Linux KVM 虚拟化技术相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

KVM 介绍

KVM 全称是基于内核的虚拟机（Kernel-based Virtual Machine），它是Linux 的一个内核模块，该内核模块使得 Linux 变成了一个 Hypervisor：
① 、它由 Quramnet 开发，该公司于 2008年被 Red Hat 收购。
②、它支持 x86 (32 and 64 位), s390, Powerpc 等 CPU。
③ 、它从 Linux 2.6.20 起就作为一模块被包含在 Linux 内核中。
④ 、它需要支持虚拟化扩展的 CPU。
⑥ 、它是完全开源的

一、KVM虚拟化

美国环境保护EPA报告曾经统计过一组数据：EPA研究服务器和数据中心的能源效率时发现，实际上服务器只有5%的时间在工作，其他时间一直处于休眠状态。
软件资源是没有硬件资源性能高（稳定好效率）的（相同功能）

二、虚拟化技术

通过虚拟化技术将一台计算机虚拟为多台逻辑计算机，在一台计算机上同时运行多个逻辑计算机，同时每个逻辑计算机可运行不同的操作系统，应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互相不影响，从而提高计算机的工作效率
1、在一个操作系统中（win10）模拟多个操作系统（centos、win10、suse），同时每个操作系统可以跑不同的服务（nginx和tomcat），从而实现一台宿主机搭建一个集群
2、通过软件/应用程序的方式，来实现物理硬件的功能
例：ensp以软件形式实现物理设备的功能（二层交换机、路由器、三层交换机等）、workstation等

三、虚拟化技术发展

雏形：

1961年，IBM709机器实现了分时系统，将CPU占用切分为多个极短的时间片（1/100sec）每个时间片执行不同的工作，通过对这些时间片进行轮询从而将一个cpu伪装成多个cpu
1972年，IBM公司正式将system370机器的分时系统命名为虚拟机
1990年，IBM推出的system390机支持逻辑分区（将一个cpu分为多份，相互独立，也就是逻辑分分割）

Xen：

2003年问世，一个外部的hypervisor/VMM程序（虚拟机管理程序），能够控制宿主机和给多个客户机分配资源
支持的虚拟化技术：全虚拟化、半虚拟化

KVM：

2007年问世，现已内置在kernel内核中，支持的虚拟化技术：全虚拟化

四、虚拟化类型

全虚拟化：将物理硬件资源全部通过软件的方式抽象化，最后进行调用
使用的方法：使用hypervisor（VMM）软件，其原理是在底层硬件和服务器之间建立一个抽象层，而基于核心的虚拟机是面向Linux系统的开源产品hypervisor（VMM）可以捕捉CPU的指令
半虚拟化：需要修改操作系统
直通：直接使用物理硬件资源（需要设备支持，还不完善）

五、虚拟化特性

优势

集中化管理（远程管理、维护）
提高硬件利用率（物理资源利用率低，例如峰值，虚拟化解决了“空闲”容量）
动态调整机器/资源配置（虚拟化把系统的应用程序和服务硬件分离、提高了灵活性）
高可靠（可部署额外的功能和方案，可提高透明负载均衡、迁移、恢复复制等应用环境）

劣势

前期高额费用（初期的硬件支持）
降低硬件利用率（特定场景，例：极度吃资源的应用不一定适合虚拟化）
更大的错误影响面（本地物理机down机会导致虚拟机均不可用，同时可能虚拟机中文件全部损坏）
实施配置复杂、管理复杂（管理人员运维、排障困难）
一定的限制性（虚拟化技术涉及各种限制，必须与支持/兼容虚拟化的服务器、应用程序以及供应商结合使用）
安全性（虚拟化技术自身的安全隐患）

案例

VMwareWorkstation：使用软件达到虚拟多操作系统
VirtualBox：使用软件虚拟出多物理设备功能

以VMwareworkstation为例

workstation支持intel公司和AMD公司的虚拟化技术
硬件辅助虚拟化技术Intel-VT-x AMD-V
- Intel VT -x技术主要包含CPU、内存和I / O三方面的虚拟化技术，同时提供优化处理(早期为弥补X86架构虚拟化的缺陷)
- AMD-V是对x86处理器系统架构的一组硬件扩展和硬件辅助虚拟化技术，可以简化纯软件的虚拟化解决方案

改进VMM (虚拟机监视器)的设计，更充分地利用硬件资源，提高服务器和数据中心的虚拟化效率
VMM(虚拟机监视器/管理程序) haperivisor
VMM是一个系统软件, 可以维护多个效、隔离的程序环境(虚拟机)，同时可以管理计算机系统的真实资源、为虚拟机提供接口

VMM主要功能

对物理资源进行逻辑分割（转化为虚拟资源）
调用虚拟资源供与

六、KVM架构及原理

在这里插入图片描述

KVM简介

广义KVM:

KVM (Kernel-based Vritual Machine)–基于内核的虚拟机
KVM是基于虚拟化扩展的x86硬件的开源Linux原生的全虚拟化方案（要求cpu支持Intel-VT-x或AMD-v)
KVM内嵌于内核模块中，模拟处理器和内存以支持虚拟机运行
虚拟机被实现为常规的Linux进程，由标准Linux调度程序进行调度;
虚拟机的每个虚拟cPU被实现为一个常规的 Linux进程。这使得KMNV能够使用Linux内核的已有功能
但KWwM本身不执行任何模拟。需要客户空间程序《虚拟机）通过/dev/kvm(此虚拟设备需要开起硬件辅助虚拟化才能看到〉接口设置一个客户机虚拟服务器的地址空间，并且由Qemu模拟工/o （iocti）进行调度资源和维护管理
Libvirt: KVM的管理工具，除了可以管理KVM这类vWM，还可以管理xen，VirtualBox，甚至OpenStack底层
- Libvirt包含3个组件:后台daemon程序libvirtd、API库、命令行工具virsh

KVM原理

Guest: 客户机系统，包括CPU (vCPU) 、内存驱动(Console、网卡、I/O设备驱动等),被KVM置于-种受限制的CPU 模式下运行。
KVM内核模块模拟处理器和内存以支持虚拟机运行
Qemu 主要处理I/O以及为客户提供一个用户空间/dev/kvm 工具ibvirt来进行虚拟机管理
ioctl (定义) 专用于设备输入输出操作的系统调用
libvirt: KVM管理工具
简单理解:
KVM驱动提供处理器、内存的虚拟化，以及客户机I/o的拦截（拦截敏感指令），guest的I/o被拦截后,交由Qemu处理Qemu利用接口libkvm调用(ioctl）虚拟机设备接口/dev/kvm来分配资源、管理、维护虚拟机

KVM虚拟化架构/三种模式

1、客户模式(guestlos)
VM中的os为Guestos客户机在操作系统中运行的模式，客户机分为内核模式和用户模式，作用如下;
2、用户模式
为用户提供虚拟机管理的用户空间工具以及代表用户执行I/o，Qemu工作在此模式下（gemu的主要功能)
3、linux内核模式
模拟cPU、内存，实现客户模式切换，处理从客户模式的推出，KVM即运行在此模式下

KVM工作流程

用户模式的Qemu利用接口libkvm通过ioctl系统调用进入内核模式。
KVM驱动为虚拟机创建虚拟CPU和虚拟内存
然后执行VMLAU.NCH指令进入客户模式，装载Guest OS并运行。
Guest OS运行过程中如果发生异常，则暂停Guest OS的运行并保存当前状态同时退出到内核模式来处理这些异常。
内核模式处理这些异常时如果不需要I/O则处理完成后重新进入客户模式。
如果需要I/O则进入到用户模式，则由Qemu来处理I/O,处理完成后进入内核模式，再进入客户模式

虚拟化前、虚拟化后对比

虚拟化前
①每台主机拥有一个操作系统
②软硬件紧密结合
③在同—个主机上运行多个应用程序通常会产生冲突
④系统资源利用率低（例如:5%)
⑤硬件成本高昂并且不够灵活
虚拟化后
①打破了操作系统和硬件的互相依赖
②通过封装到虚拟机的技术，管理操作系统和应用程序为单一的个体
③强大的安全和故障隔离
④虚拟机时独立于硬件的，它们可以在任何硬件上运行