如果把操作系统共及其提供的系统调用作为资源,那么虚拟化就表现为操作系统虚拟化。linux容器虚拟化就是一个操作系统上,虚拟化出了多个同样的操作系统。
如果把物理平台,包括CPU,内存,外设作为资源,那么对应的虚拟化技术就是平台虚拟化。
VMM(virtual machine monitor) 虚拟机监视器,也叫hypervisor。虚拟机监视器运行的环境叫做host,而虚拟出来的虚拟机成为guest
虚拟化重要一步,就是截取计算元件对物理资源的访问,并重定向到虚拟化资源池中。如果是使用纯软件的方式实现这种截取,那么就称为软件虚拟化,如果是通过硬件方式实现,那么就称为硬件虚拟化。
qemu+kqemu就是纯软件的虚拟化,
而qemu+kvm是利用的硬件虚拟化的技术。
利用硬件虚拟化的好处,无需进行二进制转换,减少性能开销,极大简化了VMM的设计,性能更强大。
完整的情况下需要CPU、主板芯片组、BIOS和软件的支持。即使在只有CPU支持的情况下,性能也会比不支持情况好。
intel virtualizaton Technology(IntelVT)
半虚拟化,为了解决纯软件虚拟化下,性能的问题,改动guest操作系统,使他可以自己运行在虚拟环境下。本质上,弱化了对虚拟机特殊指令的被动截取要求,将其转化为guest操作系统的主动通知。Xen是代表
全虚拟化,不需要对guest操作系统进行任何改动,理论上支持任何可在真是物理平台上运行的操作系统。随着硬件虚拟化的出现,全虚拟化的性能已经超过了半虚拟化。
linux kernel通过加载kvm模块变身成一个hypervisor
KVM是基于虚拟化扩展(intel VT或AMD-V)的X86硬件。是linux完全原生的全虚拟化解决方案。
部分的半虚拟化支持,注意是通过半虚拟网络驱动程序的形式用于linux和windowsguest系统。
每个虚拟CPU显示为一个常规的linux进程。
KVM本身不执行任何模拟,需要用户空间程序通过/dev/kvm借口设置一个guest虚拟服务器的地址空间,向他提供模拟的IO,并将它的视频显示映射回数组的显示屏,目前这个应用程序就是QEMU。
一个虚拟机的内存与任何其他linux进程的内存一样进行存储,可以以大页面的形式进行交换以实现更高的性能,也可以以磁盘文件的形式共享。NUMA(非一致性内存访问,针对多处理器的内存设计)支持允许虚拟机有效的访问大量内存。
KVM支持最新的基于硬件的内存虚拟化功能,支持Intel的扩展页表(EPT)和AMD的嵌套页表(NPT,也交快速虚拟化索引-RVI),以实现更低的CPU利用率和更高的吞吐量。
内存页面共享通过一种名为内核同页合并(kernel same-page merging,KSM)的内核功能来支持,KSM扫描每个虚拟机的内存如果虚拟拥有相同的内存页面,KSM将这些页面合并到一个虚拟机之间共享的页面,修改时在获得专享副本
KVM能够使用linux支持的任何存储来存储虚拟机镜像。KVM原声磁盘格式为QCOW2,支持快照,允许多级快照,压缩和加密。
KVM支持混合虚拟化,其中准虚拟化的驱动程序安装在guest os中,允许虚拟机使用优化的IO借口而不实用模拟的设备,从而为网络和快设备提供高性能的IO。这个准虚拟化驱动程序使用IBM和ReadHat联合linux社区开发的VirtIO标准。它是一个与虚拟机管理程序独立的、构建设备驱动程序的借口,允许为多个虚拟机管理程序使用一组相同的设备驱动程序。(virtIO是安装在guest os中的模块)
KVM虚拟化性能在很多方面(计算能力和原生带宽)可以达到非虚拟化原生环境的95%以上。RHEL6.x系统一个KVM客户机可以支持160个虚拟CPU和多大2T内存,一个宿主机支持4096个CPU核心和多达64T内存
VMM或Hypervisor的主要职能:管理真是的物理硬件平台,并为每个虚拟guest提供对应虚拟硬件平台。
guest任然可以作为自己的VMM,称为嵌套虚拟化。KVM支持嵌套虚拟化。
两种架构,类型一,系统上电之后首先加载运行虚拟机监控程序,传统的操作系统运行在其创建的虚拟机中,可以视为一个特别为虚拟化而剪裁过的操作系统内核。一般会提供一个具有一定特权的特殊虚拟机。由这个特权虚拟机提供用户日常操作和管理使用的操作系统环境。代表Xen,VMware ESX/ESXi和微软Hyper-V。类型二,上电后仍然运行一般意义上的操作系统,VMM作为特殊的应用程序,视为操作系统功能的扩展。其最大优势在于可以充分利用现有操作系统,不必实现物理资源管理和调度算法。但是会收到诉诸操作系统的一些限制。无法仅仅为了虚拟机优化,而对操作系统做出修改。
qemu通过/dev/kvm借口设置一个虚拟客户机的地址空间,向他提供墨迹IO设备,并将显示映射回宿主机显示屏。
主要功能,初始化CPU硬件,打开虚拟化模式,然后将虚拟客户机运行在虚拟机模式下,并对虚拟客户机的运行提供一定的支持。
为了软件简洁,KVM仅支持硬件虚拟化。
KVM先初始化内部数据结构
KVM打开CPU控制寄存器CR4中的虚拟化模式开关,通过执行VMXON指令将host操作系统置于虚拟化模式中的根模式
KVM模块创建/dev/kvm并等待用户空间命令。
KVM和qemu通过对/dev/kvm的ioctl系统调用来通信。
针对虚拟处理器的最重要的IOCTL调用就是执行“虚拟处理器”。通过它,用户空间准备好的虚拟机在KVM模块支持下,被置于虚拟化模式中的非根模式下,并开始执行二进制指令。在非根模式下,所有敏感的二进制指令都会被处理器捕获到,处理器在保存现场之后自动切换到根模式,由KVM决定如何进一步处理(要么由KVM模块直接处理,要么反悔用户空间交由用户空间程序处理)。
内存虚拟化,在硬件支持二维地址翻译之前是最复杂的部分。在虚拟机模式下,内存管理单元的页表必须在一次查询的时候完成两次地址转换。除了要将客户机虚拟地址转换为客户机物理地址,还需要再转为host的物理地址。使用影子页表机制。通过硬件支持,二维分页机制。
处理器对设备的访问主要通过IO指令和MMIO,其中IO指令会被处理器直接接货,MMIO会通过配置内存虚拟化来捕获。对性能要求较高的虚拟设备才会由KVM内核模块直接负责,比如虚拟终端控制器和虚拟始终,这样可以大量减少处理器的模式切换开销。
大部分输入输出都交给qemu来负责
qemu虚拟机是一个纯软件的实现,性能底下。qemu的代码中有整套的虚拟机实现,包括处理器虚拟化,内存虚拟化,以及KVM使用到的虚拟设备模拟(网卡,下卡,存储控制器和硬盘等)。
KVM在qemu基础上进行了修改,虚拟机运行期间,qemu会通过KVM模块提供的系统调用进入内核,由KVM模块负责将虚拟机置于处理器的特殊模式运行。遇到虚拟机进行输入输出操作,kvm从上次的系统调用出口处反悔qemu,由qemu来负责解析和模拟这些设备(是不是可以理解为,从创建虚拟机后,就交由kvm负责,运行在特殊模式,直到发生了IO操作,切换到用户态,交由qemu负责)。
从qemu角度来看,使用了KVM模块的虚拟化功能,为自己的虚拟机提供硬件虚拟化的枷锁,极大的提升了虚拟机性能。除此之外,虚拟机的配置和创建,虚拟机运行以来的虚拟设备,虚拟机运行时用户操作环境和交互,以及一些针对虚拟机的特殊技术(诸如动态歉意),都是由qemu自己实现的。
kvm和qemu都可以选择其他虚拟机或技术来枷锁,比如qemu可以选择xen或者kqemu,而kvm也可以选择其他应用程序,只要它按照kvm提供的API来设计。