kvm虚拟化技术实现原理

作者: 任总 | 来源:发表于2018-12-09 17:30 被阅读78次

一、虚拟化技术

虚拟化是云计算的基础。简单的说，虚拟化使得在一台物理的服务器上可以跑多台虚拟机，虚拟机共享物理机的 CPU、内存、IO 硬件资源，但逻辑上虚拟机之间是相互隔离的。
物理机我们一般称为宿主机（Host），宿主机上面的虚拟机称为客户机（Guest）

1、虚拟化技术的分类：

(1) 模拟：Emulation

Qemu, PearPC, Bochs, ...

(2) 完全虚拟化：Full Virtualization，Native Virtualization

完全虚拟化提供底层物理系统的全部抽象化，且创建一个新的虚拟系统，客户机操作系统可以在里面运行。不需要对客户机操作系统或者应用程序进行修改（客户机操作系统或者应用程序像往常一样运行，意识不到虚拟环境的存在）。
VMware是一款完全虚拟化软件。完全虚拟的弱点是效率不如半虚拟化的高
半虚拟化系统性能可以接近在裸机上的性能。

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

(3) 半虚拟化：Para-Virutalization

半虚拟化需要对运行在虚拟机上的客户机操作系统
进行修改（这些客户机操作系统会意识到它们运行在虚拟环境里）并提供相近的性能，但半虚拟化的性能要比完全虚拟化更优越。
特点：GuestOS明确知道自己运行虚拟机之上；
xen, UML(user-mode linux)

(4) 容器级虚拟化：

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

(5) 库级别虚拟化：

wine

(6) 程序级虚拟化

jvm, pvm, ...

2、主机虚拟化：Emulation, Full Virtualization, Para-Virutalization

Type-I：Hypervisor直接运行于硬件；
Type-II：Hypervisor运行主机OS之上；

3、云栈的类别：

IaaS（Infrastructure-as-a-Service）基础设施服务
PaaS（Platform-as-a-Service）系统平台服务
SaaS（Software-as-a-Service）软件服务
FWaaS（FireWall as a Service）防火墙服务
DBaaS（DataBase-as-a-Service）数据库服务
LBaas （load-balancer-as-a-service）负载均衡服务

二、主机虚拟化：

1、cpu的虚拟化：

模拟类型：emulation，虚拟机的arch与物理平台的arch可以不同；qemu
虚拟类型：virtualization
完全虚拟化（full-virt）
* BT：通过软件二进制转换
* HVM：硬件辅助的虚拟化
半虚拟化：（pare-virt）
* GuestOS明确知道自己运行于虚拟技术中

硬件级物理cup虚拟化技术

英特尔硬件虚拟化技术interl-VT
AMD硬件虚拟化技术AMD-V

2、内存虚拟化管理

早期,虚拟机中的内存到物理内存地址机制，用软件实现， shadowmmu很低效
硬件内存中添加了，标识虚拟机标签机制tagged TLB。
MMU是Memory Management Unit的缩写，中文名是内存管理单元，它是中央处理器（CPU）中用来管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路，同时也负责虚拟地址映射为物理地址，以及提供硬件机制的内存访问授权，多用户多进程操作系统。

硬件级内存虚拟化：

硬件级物理内存映射到虚拟机

英特尔硬件虚拟化技术EPT，Extended Page Table
AMD硬件虚拟化技术NTP，Nested Page Table

3、硬盘的虚拟化：

虚拟机如何使用硬盘的空间：虚拟机在物理硬盘上划分一个文件来使用，此文件也是靠宿主机通过文件系统将磁盘分区后，并创建文件系统后，分给虚拟机一个文件的大小的空间。在宿主机上表现的就是一个文件，而在虚拟机上表现的就是一块硬盘。所以还需要用软件的方式模拟一个适配器，将此文件，模拟成硬盘。

4、网络虚拟化

用软件的方式给每个虚拟机虚拟一块网卡和MAC地址，当通信时使用同一块物理网卡，网卡通讯有排队方式，在同一台物理网卡上，排队执行任务。（将物理网卡设为混杂模式；无论是不是发向本机物理网卡的内容都给与接收）；此时将物理网卡也虚拟化一个MAC地址，把物理网卡当作交换机来使用。

5、IO虚拟化

I/O全虚拟化技术

通过VMM模拟I/O设备（磁盘和网卡等）实现虚拟化。
Guest OS所能看到就是一组统一的I/O设备。VMM截获Guest OS对I/O设备的访问请求，然后通过软件模拟真实的硬件。这种方式对Guest而言非常透明，无需考虑底层硬件的情况。

I/O半虚拟化技术

通过前端（Front-End）/后端（Back-End）模拟实现虚拟化。
Guest OS中的驱动程序为前端，VMM提供的与Guest通信的驱动程序为后端。前端驱动将Guest OS的请求通过与VMM间的特殊通信机制发送给VMM的后端驱动，后端驱动在处理完请求后再发送给物理驱动。

I/O透传技术

设备透传就是向一个特定客户操作系统提供一种设备隔离，对于性能而言，使用设备透传可以获得近乎本机的性能。对于某些网络应用程序（或那些拥有高磁盘 I/O 的应用程序）来说，这种技术简直是完美的。这些网络应用程序没有采用虚拟化，原因是穿过管理程序（达到管理程序中的驱动程序或从管理程序到用户空间模拟）会导致竞争和性能降低。但是，当这些设备不能被共享时，也可以将它们分配到特定的客户机中。例如，如果一个系统包含多个视频适配器，则那些适配器可以被传递到特定的客户域中。

6、一型虚拟化type-1

特点：于硬件级别直接运行hypervisor虚拟机管理控制
xen，vmware ESX/ESXI

xen虚拟过程

7、二型虚拟化type-2

特点：host主机上建立guest虚拟系统，有宿主机
在硬件级别运行一个os（host os），而此上运行一个vmm监视器，用于管理guest虚拟系统
vmwarworkstations， kvm，virtualbox

三、容器级级虚拟化

缺点：相较于主机级虚拟化隔离的不彻底
方案：lxc, libcontainer, runC, openvz
Linux内核运行在物理设备上；在内核上运行多个操作系统如：centos,wubantu;susan;等，因为他们都是基于linux内核来开发的不同界面的操作系统而已，底层运行的内核是相同的。在每个操作系统上在运行每个应用。在内核上运行一个软件来创建和管理容器，是一个很小的软件，基本不消耗性能。
由于多个操作系统使用的是同一个内核，当在操作系统上执行关机命令，就会将内核关闭，所以需要将每个操作系统隔离开来，关掉的只是自身容器本身而已。各个操作系统之间的操作互补干扰。（共享内核）

四、KVM虚拟技术

1、KVM概述

以色列qumranet公司研发，后被RedHad公司收购
（1）kvm只支持x86平台
（2）依赖于 HVM,inter VT AMD-v
KVM是（Kernel-based Virtual Machine）的简称，是一个开源的系统虚拟化模块，自Linux 2.6.20之后集成在Linux的各个主要发行版本中。它使用Linux自身的调度器进行管理，所以相对于Xen，其核心源码很少。
KVM的虚拟化需要硬件支持（如Intel VT技术或者AMD V技术)。是基于硬件的完全虚拟化。而Xen早期则是基于软件模拟的Para-Virtualization，新版本则是基于硬件支持的完全虚拟化。但Xen本身有自己的进程调度器，存储管理模块等，所以代码较为庞大。广为流传的商业系统虚拟化软件VMware ESX系列是基于软件模拟的Full-Virtualization。

工作原理

KVM 是基于虚拟化扩展（Intel VT 或者 AMD-V）的 X86 硬件的开源的 Linux 原生的全虚拟化解决方案。KVM 中，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。
但是，KVM 本身不执行任何硬件模拟，需要客户空间程序通过 /dev/kvm 接口设置一个客户机虚拟服务器的地址空间，向它提供模拟的 I/O，并将它的视频显示映射回宿主的显示屏。目前这个应用程序是 QEMU。

virtio虚拟方案

2、KVM的核心组件：

（1）、 kvm.ko内核模块

(kvm.ko)/dev/kvm：工作为hypervisor，在用户空间可通过系统调用ioctl()与内核中的kvm模块交互，从而完成虚拟机的创建、启动、停止、删除等各种管理功能；

（2）、 qemu-kvm：用户空间的工具程序

qemu-kvm进程：工作于用户空间，用于实现IO设备模拟；用于实现一个虚拟机实例；

（3）libvirt：工具箱用于与主流操作系统虚拟化进行交互工具

libvirt是cs架构应用：
- 客户端：libvirt-client
  virt-manager
- daemon：图像化工具
  libvirt-deaemon

3、KVM运行模式

KVM模块load进内存之后，系统的运行模式：

内核模式：GuestOS执行IO类的操作时，或其它的特殊指令操作时的模式；它也被称为“Guest-Kernel”模式；
用户模式：Host OS的用户空间，用于代为GuestOS发出IO请求；
来宾模式：GuestOS的用户模式；所有的非IO类请求；

4、KSM机制

扫描物理内存，发现多个虚拟机实例有相同的内存空间，合并成为一个共享内存空间，节省内存。

5、kvm工具集：

image.png

qemu工具
- qemu-kvm：用户空间的工具程序，创建管理虚拟机
- qemu-img：是 QEMU 的磁盘管理工具
libvirt工具
- GUI：virt-manager, virt-viewer：图形化管理
- CLI: virsh, virt-install：创建管理虚拟机
集群工具：
libvirtd：管理虚拟机和其他虚拟化功能，比如存储管理，网络管理的软件集合。Libvirt是一个C工具包的虚拟化功能与最新版本的Linux(以及其他操作系统)。主包包含libvirtd服务器虚拟化支持出口。

5、KVM快速安装

（1）判断CPU是否支持硬件虚拟化：

grep -i -E '(vmx|svm|lm)' /proc/cpuinfo
vmx：Intel VT-x
svm：AMD AMD-v

运行中的一个kvm虚拟机就是一个qemu-kvm进程，运行qemu-kvm程序并传递给它合适的选项及参数即能完成虚拟机启动，终止此进程即能关闭虚拟机；

（2）、装载内核模块

kvm：核心模块

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）、网络虚拟化：

CentOS 7创建物理桥，使用内核自带的桥接模块实现：
桥接口配置文件保留地址信息；

TYPE=Bridge
Device=BRIDGE_NAME

物理网卡配置文件：
删除地址、掩码和网关等相关的配置，添加

BRIDGE=BRIDGE_NAME

重启网络服务即可：

五、安装KVM示例

安装前首先开启虚拟机Inter VT

实验前开启

#检查主机cpu是否支持虚拟化
[root@node-64 ~]# grep -E -i "svm|vmx" /proc/cpuinfo
..........vmx ......... #出现这个字段即可支持虚拟化

#安装kvm模块
[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

#安装物理桥
[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
#创建网桥
[root@node-64 ~]# virsh iface-bridge ens33 br0
Created bridge br0 with attached device ens33

此时会断网，到虚拟机重启一下，发现已生成网桥，但还要配置网桥的dns，否则无法上网。

[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

#重启网络
[root@node-64 ~]#systemctl restart network.service

[root@node-64 ~]# ifconfig
br0:    #生成虚拟网桥，并获得物理网卡的地址
flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.1.64  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.1.255

ens33:    #原物理网卡变成虚拟交换机
 flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        ether 00:0c:29:79:2e:94  txqueuelen 1000  (Ethernet)

其他终端图形登录[root@node-60 ~]# ssh -X root@192.168.1.64

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

参考链接：
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