KVM 虚拟化架构和实现原理

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KVM虚拟化架构

KVM是嵌入在Linux操作系统标准内核中的一个虚拟化模块，它能够将一个Linux标准内核转换成为一个VMM，嵌有KVM模块的Linux标准内核可以支持通过kvm tools来进行加载的GuestOS。所以在这样的操作系统平台下，计算机物理硬件层上直接就是VMM虚拟化层，而没有独立出来的HostOS操作系统层。在这样的环境中HostOS就是一个VMM。

每个由KVM创建的GuestOS都是HostOS(或VMM)上的一个单个进程。而在GuestOS上的User-space中运行的Applications可以理解为就是进程中的线程。

需要注意的是：KVM只是虚拟化解决方案的一部分，想要实现全虚拟化，还需要其他的条件：
1. CPU处理器提供的虚拟化支持(VT-x 硬件辅助虚拟化，可以为GuestOS创建虚拟化处理器，本质是对寄存器的隔离模拟和对指令集的划分)。
2. 内存可以通过kvm虚拟化成独立的虚拟化地址(/dev/kvm)
3. I/O虚拟化(QEMU)

==> KVM虚拟化 = KVM内核模块 + /dev/kvm + QEMU

/dev/kvm

Linux操作系统标准内核中的KVM内核模块生成了一个名为/dev/kvm的设备，有了/dev/kvm设备，使得GuestOS的地址空间(内存地址、磁盘地址)能够独立于标准内核或其他任何GuestOS的地址空间。Linux操作系统目录结构包含的/dev目录树下的设备对于所有User-space进程或线程(无论是在GuestOS上，还是在VMM上)来说都是通用的，但是每个打开/dev/kvm设备的不同的进程或线程，所能使用的都是唯一且各不相同的地址映射(为了支持GuestOS间的隔离)。

KVM内核模块通过/dev/kvm设备提供了内存虚拟化，给予GuestOS与内核或者其他GuestOS相对独立的地址空间。每个GuestOS都有自己的地址空间，并且这些地址空间是在实例化GuestOS时创建映射的。映射给GuestOS的物理内存实际上是映射给这个GuestOS在VMM中相应进程的虚拟内存。
有两种支持Guest地址到Host(VMM)地址的转换方法：

• 应用LinuxOS维护的一组影子页表(shadow page table)
• CPU也可以通过在访问未经映射的内存位置时使用VMM(主机内核)来支持内存转换进程。

所以总的来说，/dev/kvm设备的作用就是：将不同的GuestOS之间的地址隔离，或将GuestOS和HostOS(VMM)之间的地址隔离

QEMU

QEMU是一个I/O虚拟化解决方案，能够对一个完整的计算机物理层环境进行虚拟化(EG. 磁盘、图形适配器、网络设备)。

在GuestOS中生成的所有I/O请求都会被QEMU中途截获，并重新发送到QEMU进程模拟的User Mode中。

Openstack、KVM、QEMU 的关系

KVM 用来模拟 CPU 的运行，但缺少了对 Network 和 I/O 的支持。QEMU-KVM 是一个完整的模拟器，它基于 KVM 上，提供了完整的 Network 和 I/O 支持。其中 Openstack 为了跨 VM 性，所以不会直接控制 QEMU-KVM，而是通过 libvit 的库去间接控制 QEMU-KVM 。

KVM的虚拟化实现

KVM内核模块为Linux标准内核引入了一种除现有的Kernel Mode和User Mode之外的新进程模式。这种新模式就称为Guest Mode模式，顾名思义，它用来执行GuestOS的代码。
Linux标准内核的执行模式可以针对不同的运行内容和目的进行定义。Guest Mode的存在就是为了执行GuestOS的代码，但是只针对那些非I/O的代码。I/O代码还需要QEMU来作为支持。

GuestOS可以在两种模式下运行：

• 在Guest Mode中运行的GuestOS可以支持标准的内核。
• 在User Mode下运行的GuestOS则支持自己的内核和User-space(Applications)。

相同的是，GuestOS只能够在User Mode下执行I/O操作，而且这是单独使用QEMU-KVM进行管理的。