kvm虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理

一、 虛擬化技術(shù)

  • 虛擬化是云計(jì)算的基礎(chǔ)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，虛擬化使得在一臺(tái)物理的服務(wù)器上可以跑多臺(tái)虛擬機(jī)，虛擬機(jī)共享物理機(jī)的 CPU、內(nèi)存、IO 硬件資源，但邏輯上虛擬機(jī)之間是相互隔離的。
    物理機(jī)我們一般稱為宿主機(jī)（Host），宿主機(jī)上面的虛擬機(jī)稱為客戶機(jī)（Guest）

1、虛擬化技術(shù)的分類：

(1) 模擬：Emulation

Qemu, PearPC, Bochs, ...

(2) 完全虛擬化：Full Virtualization，Native Virtualization
  • 完全虛擬化提供底層物理系統(tǒng)的全部抽象化，且創(chuàng)建一個(gè)新的虛擬系統(tǒng)，客戶機(jī)操作系統(tǒng)可以在里面運(yùn)行。不需要對(duì)客戶機(jī)操作系統(tǒng)或者應(yīng)用程序進(jìn)行修改（客戶機(jī)操作系統(tǒng)或者應(yīng)用程序像往常一樣運(yùn)行，意識(shí)不到虛擬環(huán)境的存在）。
  • VMware是一款完全虛擬化軟件。完全虛擬的弱點(diǎn)是效率不如半虛擬化的高
    半虛擬化系統(tǒng)性能可以接近在裸機(jī)上的性能。

VMWare Workstation, VirtualBox, VMWare Server, Parallels Desktop, KVM(hvm), XEN(hvm)

(3) 半虛擬化：Para-Virutalization

  • 半虛擬化需要對(duì)運(yùn)行在虛擬機(jī)上的客戶機(jī)操作系統(tǒng)
    進(jìn)行修改（這些客戶機(jī)操作系統(tǒng)會(huì)意識(shí)到它們運(yùn)行在虛擬環(huán)境里）并提供相近的性能，但半虛擬化的性能要比完全虛擬化更優(yōu)越。

  • 特點(diǎn)：GuestOS明確知道自己運(yùn)行虛擬機(jī)之上；
    xen, UML(user-mode linux)

(4) 容器級(jí)虛擬化：

LXC, OpenVZ, libcontainer, runC, rkt, Linux V Servers, Virtuozzo, ...

(5) 庫(kù)級(jí)別虛擬化：

wine

(6) 程序級(jí)虛擬化

jvm, pvm, ...

2、主機(jī)虛擬化：Emulation, Full Virtualization, Para-Virutalization

Type-I：Hypervisor直接運(yùn)行于硬件；
Type-II：Hypervisor運(yùn)行主機(jī)OS之上；

3、云棧的類別：

  • IaaS（Infrastructure-as-a-Service）基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)
  • PaaS（Platform-as-a-Service）系統(tǒng)平臺(tái)服務(wù)
  • SaaS（Software-as-a-Service）軟件服務(wù)
  • FWaaS（FireWall as a Service）防火墻服務(wù)
  • DBaaS（DataBase-as-a-Service）數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)
  • LBaas （load-balancer-as-a-service）負(fù)載均衡服務(wù)

二、主機(jī)虛擬化：

1、cpu的虛擬化：

  • 模擬類型：emulation，虛擬機(jī)的arch與物理平臺(tái)的arch可以不同；qemu
  • 虛擬類型：virtualization
    完全虛擬化（full-virt）
    * BT：通過(guò)軟件二進(jìn)制轉(zhuǎn)換
    * HVM：硬件輔助的虛擬化
    半虛擬化： （pare-virt）
    * GuestOS明確知道自己運(yùn)行于虛擬技術(shù)中
硬件級(jí)物理cup虛擬化技術(shù)
  • 英特爾硬件虛擬化技術(shù)interl-VT
  • AMD硬件虛擬化技術(shù)AMD-V

2、內(nèi)存虛擬化管理

  • 早期,虛擬機(jī)中的內(nèi)存到物理內(nèi)存地址機(jī)制，用軟件實(shí)現(xiàn)， shadowmmu很低效
    硬件內(nèi)存中添加了，標(biāo)識(shí)虛擬機(jī)標(biāo)簽機(jī)制tagged TLB。

  • MMU是Memory Management Unit的縮寫，中文名是內(nèi)存管理單元，它是中央處理器（CPU）中用來(lái)管理虛擬存儲(chǔ)器、物理存儲(chǔ)器的控制線路，同時(shí)也負(fù)責(zé)虛擬地址映射為物理地址，以及提供硬件機(jī)制的內(nèi)存訪問(wèn)授權(quán)，多用戶多進(jìn)程操作系統(tǒng)。

硬件級(jí)內(nèi)存虛擬化：

硬件級(jí)物理內(nèi)存映射到虛擬機(jī)

  • 英特爾硬件虛擬化技術(shù)EPT，Extended Page Table
  • AMD硬件虛擬化技術(shù)NTP，Nested Page Table

3、硬盤的虛擬化：

  • 虛擬機(jī)如何使用硬盤的空間：虛擬機(jī)在物理硬盤上劃分一個(gè)文件來(lái)使用，此文件也是靠宿主機(jī)通過(guò)文件系統(tǒng)將磁盤分區(qū)后，并創(chuàng)建文件系統(tǒng)后，分給虛擬機(jī)一個(gè)文件的大小的空間。在宿主機(jī)上表現(xiàn)的就是一個(gè)文件，而在虛擬機(jī)上表現(xiàn)的就是一塊硬盤。所以還需要用軟件的方式模擬一個(gè)適配器，將此文件，模擬成硬盤。

4、網(wǎng)絡(luò)虛擬化

  • 用軟件的方式給每個(gè)虛擬機(jī)虛擬一塊網(wǎng)卡和MAC地址，當(dāng)通信時(shí)使用同一塊物理網(wǎng)卡，網(wǎng)卡通訊有排隊(duì)方式，在同一臺(tái)物理網(wǎng)卡上，排隊(duì)執(zhí)行任務(wù)。（將物理網(wǎng)卡設(shè)為混雜模式；無(wú)論是不是發(fā)向本機(jī)物理網(wǎng)卡的內(nèi)容都給與接收）；此時(shí)將物理網(wǎng)卡也虛擬化一個(gè)MAC地址，把物理網(wǎng)卡當(dāng)作交換機(jī)來(lái)使用。

5、IO虛擬化

I/O全虛擬化技術(shù)
  • 通過(guò)VMM模擬I/O設(shè)備（磁盤和網(wǎng)卡等）實(shí)現(xiàn)虛擬化。
    Guest OS所能看到就是一組統(tǒng)一的I/O設(shè)備。VMM截獲Guest OS對(duì)I/O設(shè)備的訪問(wèn)請(qǐng)求，然后通過(guò)軟件模擬真實(shí)的硬件。這種方式對(duì)Guest而言非常透明，無(wú)需考慮底層硬件的情況。
I/O半虛擬化技術(shù)
  • 通過(guò)前端（Front-End）/后端（Back-End）模擬實(shí)現(xiàn)虛擬化。
    Guest OS中的驅(qū)動(dòng)程序?yàn)榍岸耍琕MM提供的與Guest通信的驅(qū)動(dòng)程序?yàn)楹蠖恕Ｇ岸蓑?qū)動(dòng)將Guest OS的請(qǐng)求通過(guò)與VMM間的特殊通信機(jī)制發(fā)送給VMM的后端驅(qū)動(dòng)，后端驅(qū)動(dòng)在處理完請(qǐng)求后再發(fā)送給物理驅(qū)動(dòng)。
I/O透?jìng)骷夹g(shù)
  • 設(shè)備透?jìng)骶褪窍蛞粋€(gè)特定客戶操作系統(tǒng)提供一種設(shè)備隔離，對(duì)于性能而言，使用設(shè)備透?jìng)骺梢垣@得近乎本機(jī)的性能。對(duì)于某些網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序（或那些擁有高磁盤 I/O 的應(yīng)用程序）來(lái)說(shuō)，這種技術(shù)簡(jiǎn)直是完美的。這些網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序沒有采用虛擬化，原因是穿過(guò)管理程序（達(dá)到管理程序中的驅(qū)動(dòng)程序或從管理程序到用戶空間模擬）會(huì)導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)和性能降低。但是，當(dāng)這些設(shè)備不能被共享時(shí)，也可以將它們分配到特定的客戶機(jī)中。例如，如果一個(gè)系統(tǒng)包含多個(gè)視頻適配器，則那些適配器可以被傳遞到特定的客戶域中。

6、一型虛擬化type-1

  • 特點(diǎn)：于硬件級(jí)別直接運(yùn)行hypervisor虛擬機(jī)管理控制
    xen，vmware ESX/ESXI


    xen虛擬過(guò)程

7、二型虛擬化type-2

  • 特點(diǎn)：host主機(jī)上建立guest虛擬系統(tǒng)，有宿主機(jī)
    在硬件級(jí)別運(yùn)行一個(gè)os（host os），而此上運(yùn)行一個(gè)vmm監(jiān)視器，用于管理guest虛擬系統(tǒng)
    vmwarworkstations， kvm，virtualbox

三、容器級(jí)級(jí)虛擬化

  • 缺點(diǎn)：相較于主機(jī)級(jí)虛擬化隔離的不徹底
    方案：lxc, libcontainer, runC, openvz

  • Linux內(nèi)核運(yùn)行在物理設(shè)備上；在內(nèi)核上運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)如：centos,wubantu;susan;等，因?yàn)樗麄兌际腔趌inux內(nèi)核來(lái)開發(fā)的不同界面的操作系統(tǒng)而已，底層運(yùn)行的內(nèi)核是相同的。在每個(gè)操作系統(tǒng)上在運(yùn)行每個(gè)應(yīng)用。在內(nèi)核上運(yùn)行一個(gè)軟件來(lái)創(chuàng)建和管理容器，是一個(gè)很小的軟件，基本不消耗性能。

  • 由于多個(gè)操作系統(tǒng)使用的是同一個(gè)內(nèi)核，當(dāng)在操作系統(tǒng)上執(zhí)行關(guān)機(jī)命令，就會(huì)將內(nèi)核關(guān)閉，所以需要將每個(gè)操作系統(tǒng)隔離開來(lái)，關(guān)掉的只是自身容器 本身而已。各個(gè)操作系統(tǒng)之間的操作互補(bǔ)干擾。（共享內(nèi)核）

四、KVM虛擬技術(shù)

1、KVM概述

  • 以色列qumranet公司研發(fā)，后被RedHad公司收購(gòu)
    （1）kvm只支持x86平臺(tái)
    （2）依賴于 HVM,inter VT AMD-v
  • KVM是（Kernel-based Virtual Machine）的簡(jiǎn)稱，是一個(gè)開源的系統(tǒng)虛擬化模塊，自Linux 2.6.20之后集成在Linux的各個(gè)主要發(fā)行版本中。它使用Linux自身的調(diào)度器進(jìn)行管理，所以相對(duì)于Xen，其核心源碼很少。
  • KVM的虛擬化需要硬件支持（如Intel VT技術(shù)或者AMD V技術(shù))。是基于硬件的完全虛擬化。而Xen早期則是基于軟件模擬的Para-Virtualization，新版本則是基于硬件支持的完全虛擬化。但Xen本身有自己的進(jìn)程調(diào)度器，存儲(chǔ)管理模塊等，所以代碼較為龐大。廣為流傳的商業(yè)系統(tǒng)虛擬化軟件VMware ESX系列是基于軟件模擬的Full-Virtualization。
工作原理

KVM 是基于虛擬化擴(kuò)展（Intel VT 或者 AMD-V）的 X86 硬件的開源的 Linux 原生的全虛擬化解決方案。KVM 中，虛擬機(jī)被實(shí)現(xiàn)為常規(guī)的 Linux 進(jìn)程，由標(biāo)準(zhǔn) Linux 調(diào)度程序進(jìn)行調(diào)度；虛機(jī)的每個(gè)虛擬 CPU 被實(shí)現(xiàn)為一個(gè)常規(guī)的 Linux 進(jìn)程。這使得 KMV 能夠使用 Linux 內(nèi)核的已有功能。
但是，KVM 本身不執(zhí)行任何硬件模擬，需要客戶空間程序通過(guò) /dev/kvm 接口設(shè)置一個(gè)客戶機(jī)虛擬服務(wù)器的地址空間，向它提供模擬的 I/O，并將它的視頻顯示映射回宿主的顯示屏。目前這個(gè)應(yīng)用程序是 QEMU。


virtio虛擬方案

2、KVM的核心組件：

（1）、 kvm.ko內(nèi)核模塊
  • (kvm.ko)/dev/kvm：工作為hypervisor，在用戶空間可通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用ioctl()與內(nèi)核中的kvm模塊交互，從而完成虛擬機(jī)的創(chuàng)建、啟動(dòng)、停止、刪除等各種管理功能；
（2）、 qemu-kvm：用戶空間的工具程序
  • qemu-kvm進(jìn)程：工作于用戶空間，用于實(shí)現(xiàn)IO設(shè)備模擬；用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬機(jī)實(shí)例；
（3）libvirt：工具箱用于與主流操作系統(tǒng)虛擬化進(jìn)行交互工具
  • libvirt是cs架構(gòu)應(yīng)用：
    • 客戶端：libvirt-client
      virt-manager
    • daemon：圖像化工具
      libvirt-deaemon

3、KVM運(yùn)行模式

KVM模塊load進(jìn)內(nèi)存之后，系統(tǒng)的運(yùn)行模式：

  • 內(nèi)核模式：GuestOS執(zhí)行IO類的操作時(shí)，或其它的特殊指令操作時(shí)的模式；它也被稱為“Guest-Kernel”模式；
  • 用戶模式：Host OS的用戶空間，用于代為GuestOS發(fā)出IO請(qǐng)求；
  • 來(lái)賓模式：GuestOS的用戶模式；所有的非IO類請(qǐng)求；

4、KSM機(jī)制

掃描物理內(nèi)存，發(fā)現(xiàn)多個(gè)虛擬機(jī)實(shí)例有相同的內(nèi)存空間，合并成為一個(gè)共享內(nèi)存空間，節(jié)省內(nèi)存。

5、kvm工具集：

image.png

  • qemu工具

    • qemu-kvm：用戶空間的工具程序，創(chuàng)建管理虛擬機(jī)

    • qemu-img：是 QEMU 的磁盤管理工具

  • libvirt工具

    • GUI：virt-manager, virt-viewer：圖形化管理
    • CLI: virsh, virt-install：創(chuàng)建管理虛擬機(jī)

  • 集群工具：
    libvirtd：管理虛擬機(jī)和其他虛擬化功能，比如存儲(chǔ)管理，網(wǎng)絡(luò)管理的軟件集合。Libvirt是一個(gè)C工具包的虛擬化功能與最新版本的Linux(以及其他操作系統(tǒng))。主包包含libvirtd服務(wù)器虛擬化支持出口。

5、KVM快速安裝

（1）判斷CPU是否支持硬件虛擬化：
grep -i -E '(vmx|svm|lm)' /proc/cpuinfo
vmx：Intel VT-x
svm：AMD AMD-v

運(yùn)行中的一個(gè)kvm虛擬機(jī)就是一個(gè)qemu-kvm進(jìn)程，運(yùn)行qemu-kvm程序并傳遞給它合適的選項(xiàng)及參數(shù)即能完成虛擬機(jī)啟動(dòng)，終止此進(jìn)程即能關(guān)閉虛擬機(jī)；

（2）、裝載內(nèi)核模塊

kvm：核心模塊

kvm-intel|kvm-amd
（3）、使用virt-manager管理KVM
# yum install qemu-kvm libvirt-daemon-kvm  virt-manager
# modprobe kvm

# systemctl start libvirtd.service

# virt-manager &
（4）、網(wǎng)絡(luò)虛擬化：

CentOS 7創(chuàng)建物理橋，使用內(nèi)核自帶的橋接模塊實(shí)現(xiàn)：
橋接口配置文件保留地址信息；

TYPE=Bridge
Device=BRIDGE_NAME

物理網(wǎng)卡配置文件：
刪除地址、掩碼和網(wǎng)關(guān)等相關(guān)的配置，添加

BRIDGE=BRIDGE_NAME

重啟網(wǎng)絡(luò)服務(wù)即可：

五、安裝KVM示例

  • 安裝前首先開啟虛擬機(jī)Inter VT


    實(shí)驗(yàn)前開啟
#檢查主機(jī)cpu是否支持虛擬化
[root@node-64 ~]# grep -E -i "svm|vmx" /proc/cpuinfo
..........vmx ......... #出現(xiàn)這個(gè)字段即可支持虛擬化

#安裝kvm模塊
[root@node-64 ~]# modprobe kvm
[root@node-64 ~]# lsmod | grep kvm
kvm_intel             170086  0 
kvm                   566340  1 kvm_intel
irqbypass              13503  1 kvm
[root@node-64 ~]# ls /dev/kvm
/dev/kvm

[root@node-64 ~]# yum install libvirt libvirt-daemon virt-manager -y
[root@node-64 ~]# systemctl start libvirtd.service
[root@node-64 ~]# systemctl enable libvirtd.service

#安裝物理橋
[root@node-64 ~]# ifconfig
ens33: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.1.64  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.1.255
#創(chuàng)建網(wǎng)橋
[root@node-64 ~]# virsh iface-bridge ens33 br0
Created bridge br0 with attached device ens33

此時(shí)會(huì)斷網(wǎng)，到虛擬機(jī)重啟一下，發(fā)現(xiàn)已生成網(wǎng)橋，但還要配置網(wǎng)橋的dns，否則無(wú)法上網(wǎng)。

[root@node-64 ~]# vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-br0 

DEVICE="br0"
ONBOOT="yes"
TYPE="Bridge"
BOOTPROTO="none"
IPADDR="192.168.1.64"
NETMASK="255.255.255.0"
GATEWAY="192.168.1.1"
IPV6INIT="yes"
IPV6_AUTOCONF="yes"
DHCPV6C="no"
STP="on"
DELAY="0"
DNS1=202.106.46.151   #添加
DNS2=8.8.8.8          #添加

#重啟網(wǎng)絡(luò)
[root@node-64 ~]#systemctl restart network.service

[root@node-64 ~]# ifconfig
br0:    #生成虛擬網(wǎng)橋，并獲得物理網(wǎng)卡的地址
flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.1.64  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.1.255

ens33:    #原物理網(wǎng)卡變成虛擬交換機(jī)
 flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        ether 00:0c:29:79:2e:94  txqueuelen 1000  (Ethernet)

其他終端圖形登錄[root@node-60 ~]# ssh -X root@192.168.1.64

 ssh -X root@192.168.1.64
[root@node-64 ~]# virt-manager

參考鏈接：
http://www.178linux.com/103971
https://www.cnblogs.com/sunhao96/p/7605865.html
https://bbs.csdn.net/topics/391040787
https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-pci-passthrough

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