KVM虚拟化平台部署+详细的前言理论

Posted TaKe___Easy

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了KVM虚拟化平台部署+详细的前言理论相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

KVM

一、前言理论概述

1.1 虚拟化技术前言理论概述

  • 因为早期美国环境保护EPA报告中曾经统计过一组统计数据：EPA研究服务器和数据中心得能源效率时发现，实际上服务器只有5%得时间是在工作的，其他时间一直处于休眠状态。然而软件资源又是没有硬件资源性能高（稳定和效率）的（相同功能），所以出现了虚拟化技术
  • 虚拟化技术
    • 通过虚拟化技术将一台计算机虚拟成多台逻辑计算机，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
  • 虚拟化技术功能
    • 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+tomcat），从而实现一台宿主机搭建一个集群（从整体）
    • 2.通过软件/应用程序的方式，来实现物理硬件的功能。
  • 虚拟化技术发展
    • 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)每一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正式将system370机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，也就是逻辑分割）
    • Xen：2003年问世，是一个外部的hypervisor/VMM程序（虚拟机管理程序），能够控制宿主机并给多个客户机分配资源（Xen 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内核中的（KVM：支持的虚拟化技术：全虚拟化）
  • 虚拟化类型
    • 1.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，为指令访问硬件控制器和外设充当中介。
    • 2.半虚拟化：需要修改操作系统
    • 3.直通：直接使用物理硬件资源（需要支持，暂时还不完善)
  • 虚拟化技术特性（优劣势）
优势劣势
集中化管理（远程管理、维护）前期高额费用（初期的硬件支持）
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）降低硬件利用率（特定场景，例如：极度吃资源的应用不一定适合虚拟化）
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从而提高了灵活性）更大的错误影响面（本地物理机宕机会导致虚拟机均不可用，同时可能导致虚拟机中文件全部损坏）
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）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、应用程序及供应商结合使用）
安全性（虚拟化技术自身的安全隐患）

1.2 虚拟化技术（VMwareWorkstation）

  • 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是一个系统软件，可以维护多个高效、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功能
    • 1.对物理资源进行逻辑分割（转化为虚拟资源）
    • 2.是宿主机和应用程序或者虚拟机的中介

1.3 虚拟化技术（KVM）

1.3.1 前言概述

  • KVM（Kernel-based Vritual Machine) 是虚拟化技术的其中一种，是基于内核的虚拟机
  • 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 KMV 能够使用 Linux 内核的已有功能，但KVM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I/O（ioctl）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VMM，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

1.3.2 KVM架构模式

  • KVM 虚拟化架构有三种模式
    • 1.客户模式(guestOS):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。
    • 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（Qemu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

1.3.3 KVM原理

  • 1.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 置于一种受限制的CPU 模式下运行。
  • 2.KVM：内核模块模拟处理器和内存以支持虚拟机运行
  • 3.Qemu：主要处理I/O以及为客户提供一个用户空间/dev/kvm。
    • libvirt工具来进行虚拟机管理。
    • ioctl：专用于设备输入输出操作的系统调用。
    • libvirt：KVM管理工具
  • 以上构成一个完整的虚拟化平台
  • 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

1.3.4 KVM虚拟化技术核心功能（原理方面)

  • QEMU（工作在用户层，控制libkvm工具（工具作用：控制内核中的KVM）来调用物理虚拟化资源（调用物理虚拟化资源的方式是ioctl，供给虚拟机）
  • KVM（工作在内核层，虚拟化/抽象化物理硬件资源，供给Qemu组件调用）

1.3.5 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的运行并在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， 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

1.3.6 KVM各核心组件功能

  • QEMU功能：控制I/O虚拟化，调用硬件资源
  • KVM功能：为虚拟机提供CPU、内存（硬件资源）的虚拟化

1.3.7 虚拟化前与虚拟化后的对比

  • 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 在同一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
  • 操作系统方面
    • LAMP 架构中（以一台主机实现)LINUX + Apache + mysql + php ，其中Apache 与 MySQL资源是共享的，如果架构要求服务间的安全性隔离比较高的话，Apache的页面和MySQL数据库的目录一定是不能互相碰面，如果Apache漏洞暴露出来，攻击者就可以通过Apache的进程访问到MySQL的数据目录，从而获取MySQL中的数据，这种就是严重的安全隐患。所以我们如果想解决这种潜在危险，可以通过实现内核级别的隔离（使用虚拟化技术）
  • 软硬件结合方面
    • 因为硬件和操作系统不兼容或者不支持，导致有些软、硬件功能无法正常使用（也是最难的问题）。这时我们可以使用虚拟化技术，因为软硬件之间是会通过虚拟化层驱动进行隔离（调配）的，只要虚拟化层可以识别软/硬件应用，就可以将软硬件结合使用
  • 应用程序方面
    • 在同一个主机上运行多个应用程序通常会产生冲突，例如：Apache和Nginx 定位相同（80端口），只能使用反向代理的方式进行分离，而同时如果在同一台机器使用这种方式，Apache和Nginx中重要的数据文件如果同时被泄露出去。所以我们可以通过虚拟化进行隔离服务

1.3.7 KVM网络的模式（两种）

  • NAT（ 默认设置）
    • 数据包由 NAT 方式通过主机的接口进行传送，可以访问外网，但是无法从外部访问虚拟机网络
  • 网桥
    • 这种模式允许虚拟机像一台独立的主机一样拥有网络，外部的机器可以直接访问到虚拟机内部，但需要网卡支持(一般有线网卡都支持)

二、KVM虚拟化平台部署

2.1 开启虚拟化引擎

2.2 修改主机名关闭防火墙以及永久挂载镜像光盘

[root@localhost ~]# hostnamectl set-hostname kvm
[root@localhost ~]# su
[root@kvm ~]# systemctl stop firewalld.service 
[root@kvm ~]# setenforce 0
[root@kvm ~]# systemctl disable firewalld.service 
[root@kvm ~]#  vim /etc/fstab


#
# /etc/fstab
# Created by anaconda on Thu May  6 21:55:59 2021
#
# Accessible filesystems, by reference, are maintained under '/dev/disk'
# See man pages fstab(5), findfs(8), mount(8) and/or blkid(8) for more info
#
UUID=0fb43f15-0bd0-4297-b86d-6902413b5773 /                       xfs     defaults        0 0
UUID=a0011c7a-97c2-408a-affa-062bc3473b3d /boot                   xfs     defaults        0 0
UUID=24836570-11f5-406d-9620-6df4d5c96c1e swap                    swap    defaults        0 0
/dev/cdrom                                /mnt                    iso9660 defaults        0 0
[root@kvm ~]# mount -a
mount: /dev/sr0 写保护，将以只读方式挂载
[root@kvm ~]# df -hT
文件系统       类型      容量  已用  可用 已用% 挂载点
/dev/sda3      xfs        26G  3.6G   22G   14% /
devtmpfs       devtmpfs  978M     0  978M    0% /dev
tmpfs          tmpfs     993M     0  993M    0% /dev/shm
tmpfs          tmpfs     993M  9.0M  984M    1% /run
tmpfs          tmpfs     993M     0  993M    0% /sys/fs/cgroup
/dev/sda1      xfs       497M  151M  346M   31% /boot
tmpfs          tmpfs     199M     0  199M    0% /run/user/0
tmpfs          tmpfs     199M   12K  199M    1% /run/user/42
/dev/sr0       iso9660   4.3G  4.3G     0  100% /mnt

2.3 环境优化

  • 设置DNS反向解析
[root@kvm ~]# vim /etc/ssh/sshd_config 
115 UseDNS no                            【取消注释并修改为no（设置为NO可以让客户端SSH连接服务器更快）】
  • 制作本地yum仓库
[root@kvm ~]# cd /etc/yum.repos.d/
[root@kvm yum.repos.d]# ls
CentOS-Base.repo  CentOS-CR.repo  CentOS-Debuginfo.repo  CentOS-fasttrack.repo  CentOS-Media.repo  CentOS-Sources.repo  CentOS-Vault.repo
[root@kvm yum.repos.d]# mkdir bak
[root@kvm yum.repos.d]# mv *.repo bak
[root@kvm yum.repos.d]# ls
bak
[root@kvm yum.repos.d]# vim local.repo

[local]
name=kvm
baseurl=file:///mnt
gpgcheck=0
enabled=1
[root@kvm yum.repos.d]# yum clean all 
[root@kvm yum.repos.d]# yum repolist

2.4 安装KVM

  • 安装KVM基本组件
【针对最小化安装的系统镜像安装GNOME桌面环境，如果装了图形界面可以不需要装】
[root@kvm yum.repos.d]# yum groupinstall -y "GNOME Desktop"  
[root@kvm yum.repos.d]# yum -y install qemu-kvm-tools.x86_64 virt-install qemu-img bridge-utils libvirt virt-manager
【qemu-kvm        ：KVM 模块】
【qemu-kvm-tools  ：KVM 调试工具,可不安装】
【virt-install    ：构建虚拟机的命令行工具】
【qemu-img        ：qemu组件,创建磁盘、启动虚拟机等】
【bridge-utils    ：网络支持工具】
【libvirt         ：虚拟机管理工具】
【virt-manager    ：图形界面管理虚拟机】
  • 检测CPU是否支持虚拟化
【看到有VMX即支持虚拟化】
[root@kvm yum.repos.d]# cat /proc/cpuinfo | grep vmx    
flags		: fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush mmx fxsr sse sse2 ss ht syscall nx pdpe1gb rdtscp lm constant_tsc arch_perfmon nopl xtopology tsc_reliable nonstop_tsc eagerfpu pni pclmulqdq vmx ssse3 fma cx16 pcid sse4_1 sse4_2 x2apic movbe popcnt tsc_deadline_timer aes xsave avx f16c rdrand hypervisor lahf_lm abm 3dnowprefetch tpr_shadow vnmi ept vpid fsgsbase tsc_adjust bmi1 avx2 smep bmi2 invpcid mpx rdseed adx smap clflushopt xsaveopt xsavec arat
flags		: fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush mmx fxsr sse sse2 ss ht syscall nx pdpe1gb rdtscp lm constant_tsc arch_perfmon nopl xtopology tsc_reliable nonstop_tsc eagerfpu pni pclmulqdq vmx ssse3 fma cx16 pcid sse4_1 sse4_2 x2apic movbe popcnt tsc_deadline_timer aes xsave avx f16c rdrand hypervisor lahf_lm abm 3dnowprefetch tpr_shadow vnmi ept vpid fsgsbase tsc_adjust bmi1 avx2 smep bmi2 invpcid mpx rdseed adx smap clflushopt xsaveopt xsavec arat
  • 查看KVM模块是否已安装
[root@kvm yum.repos.d]# lsmod | grep kvm      【Lsmod：显示已载入的系统模块】
kvm_intel             170086  0 
kvm                   566340  1 kvm_intel
irqbypass              13503  1 kvm
  • 设置开启启动界面的显示模式
[root@kvm yum.repos.d]# ln -sf /lib/systemd/system/graphical.target /etc/systemd/system/default.target

2.5 设置KVM网络

  • NAT: 默认设置，数据包由 NAT 方式通过主机的接口进行传送，可以访问外网，但是无法从外部访问虚拟机网络
  • 网桥：这种模式允许虚拟机像一台独立的主机一样拥有网络，外部的机器可以直接访问到虚拟机内部，但需要网卡支持(一般有线网卡都支持)
  • 这里使用Bridge网桥模式进行部署
[root@kvm yum.repos.d]# vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33 
#IPADDR=192.168.131.10        【注释原先IP地址】
#NETMASK=255.255.255.0        【注释原先子网掩码】
#GATEWAY=192.168.131.2        【注释原先网关】
#DNS1=192.168.131.2           【注释原先DNS】
BRIDGE=br0                    【设置为网桥模式，关联br0网卡】
  • 创建、编辑桥接网卡
[root@kvm ~]# vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-br0

TYPE=Bridge
BOOTPROTO=static
DEFROUTE=yes
PEERDNS=yes
PEERROUTES=yes
IPV4_FAILURE_FATAL=no
IPV6INIT=yes
IPV6_AUTOCONF=yes
IPV6_DEFROUTE=yes
IPV6_PEERDNS=yes
IPV6_PEERROUTES=yes
IPV6_FAILURE_FATAL=no
IPV6_ADDR_GEN_MODE=stable-privacy
NAME=br0
DEVICE=br0
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.131.200
NETMASK=255.255.255.0
GATEWAY=192.168.131.2

[root@kvm yum.repos.d]# systemctl restart network           【重启网卡，因为esn33IP注释了，所以这时Xshell也断开】
[root@kvm ~]# ifconfig 
br0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.131.200  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.131.255
        inet6 fe80::3e8a:5ed5:d2e5:855c  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 00:0c:29:49:74:c2  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 135  bytes 12961 (12.6 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 134  bytes 18041 (17.6 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

ens33: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        ether 00:0c:29:49:74:c2  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 2927  bytes 235755 (230.2 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 2183  bytes 344622 (336.5 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

lo: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING>  mtu 65536
        inet 127.0.0.1  netmask 255.0.0.0
        inet6 ::1  prefixlen 128  scopeid 0x10<host>
        loop  txqueuelen 1  (Local Loopback)
        RX packets 76  bytes 6508 (6.3 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 76  bytes 6508 (6.3 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

virbr0: flags=4099<UP,BROADCAST,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.122.1  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.122.255
        ether 52:54:00:34:1e:2d  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
  • 为了操作方便可以在Xshell上面新建个连接

2.6 KVM部署与管理

2.6.1 创建KVM存储和镜像数据的目录并上传Centos7镜像

[root@kvm ~]# mkdir -p /data_kvm/iso                                【镜像目录】            
[root@kvm ~]# mkdir -p /data_kvm/store                              【存储目录】
[root@kvm ~]# mkdir -p /qz
[root@kvm ~]# mount.cifs //192.168.1.50/linux软件包 /qz/
Password for root@//192.168.1.50/linux软件包: 
[root@kvm ~]# cp -p /qz/CentOS-7-x86_64-DVD-1708.iso /data_kvm/iso/ 【将镜像文件复制到镜像目录（过程较长）】
  • 查看镜像
[root@kvm ~]# ll /data_kvm/iso/
总用量 4415488
-rwxr-xr-x. 1 root root 4521459712 10月 29 2017 CentOS-7-x86_64-DVD-1708.iso

2.6.2 使用虚拟系统管理器管理虚拟机

  • 创建思路
    • ① 创建存储池（ISO、STORE)
    • ② 添加存储卷
    • ③ 创建虚拟机
[root@kvm yum.repos.d]# virt-manager               【打开图形化界面，后面的操作都在图形化界面里操作】

2.6.3 第一步：创建ISO、STORE存储池（ISO与STORE步骤一致，注意下池名与路径即可）






2.6.4 第二步：创建存储卷

2.6.5 第三步：创建虚拟机






2.6.6 大功告成

以上是关于KVM虚拟化平台部署+详细的前言理论的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

KVM虚拟化平台部署+详细的前言理论

KVM虚拟化平台部署+详细的前言理论

部署KVM虚拟化平台（理论+实战）

KVM虚拟化平台部署及管理

部署KVM虚拟化平台

部署kvm搭建虚拟化平台