虚拟化与KVM
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1、虚拟化简介
1) 系统虚拟化是将底层物理设备与上层操作系统、软件分离的一 种去耦合技术，在一台物理机器上逻辑的划分出多台机器。
2) 虚拟化的目标是实现IT资源利用效率和灵活性的最大化。在一台物理主机上虚拟出多个虚拟计算机（虚拟机，Virtual Machine，VM），其上能同时运行多个独立的操作系统，这些客户操作系统（Guest OS）通过虚拟机管理器（Virtual Machine Monitor，VMM，也称作Hypervisor）访问实际的物理资源。
3) KVM 全称是 基于内核的虚拟机（Kernel-based Virtual Machine），它是Linux 的一个内核模块，该内核模块使得 Linux 变成了一个Hypervisor
2、使用虚拟化的原因
当公司的服务器越来越多，我们需要充分利用资源，也需要统一运维管理，这时虚拟化能帮助我们做很多事。总结如下：
1) 打破“一台服务器对应一套应用”的模 式，将物理服务器进行整合，提升利用 率
2) 服务器和相关IT硬件更少，节省了机房空间，也减少了散热和电力需求
3) 具备灵活数据备份和应用迁移机制，保障服务永不中断
4) 资源动态调配和模板化部署，应用系统快速上线，及时响应业务变化。
3、虚拟化的分类
1) 全虚拟化（使用二进制翻译的虚拟化，hypervisor将操作系统的指令翻译并将结果缓存，供之后使用。而用户级指令无需修改就运行，具有和物理机一样的执行速度。客户系统不知道自己在虚拟环境中）
2) 半虚拟化（半虚拟化指的是虚拟机系统和hypervisor通过交互来改善性能和效率，但需要修改客户机操作系统。客户系统知道自己在虚拟环境中。如Xen）
3) 硬件辅助的虚拟化（Intel虚拟化技术(VT-x)和AMD的AMD-V，通过硬件的辅助实现全虚拟化）
4、三种虚拟化的区别
4.1、cpu的ring
在介绍三种虚拟化的区别前，首先要明白cpu的ring级别。
Intel的CPU将特权级别分为4个级别：RING0,RING1,RING2,RING3。
RING0级别最高，级别依次往下降。
操作系统（内核）的代码运行在最高运行级别ring0上，可以使用特权指令，控制中断、修改页表、访问设备等等。
应用程序的代码运行在最低运行级别上ring3上，不能做受控操作。如果要做，比如要访问磁盘，写文件，那就要通过执行系统调用（函数）。
执行系统调用的时候，CPU的运行级别会发生从ring3到ring0的切换，并跳转到系统调用对应的内核代码位置执行，这样内核就为你完成了设备访问，完成之后再从ring0返回ring3。这个过程也称作用户态和内核态的切换。
那么，虚拟化在这里就遇到了一个难题，因为宿主操作系统是工作在ring0的，客户操作系统就不能也在ring0了，但是它不知道这一点，以前执行什么指令，现在还是执行什么指令，那肯定不行啊，没权限啊，玩不转啊。所以这时候虚拟机管理程序（VMM）就要避免这件事情发生。
（VMM在ring0上，一般以驱动程序的形式体现，驱动程序都是工作在ring0上，否则驱动不了设备）
4.2、全虚拟化
1) 客户操作系统执行特权指令时，会触发异常（CPU机制，没权限的指令，触发异常）
2) 然后VMM捕获这个异常，在异常里面做翻译，模拟。并且会缓存翻译结果
3) 最后返回到客户操作系统内，客户操作系统认为自己的特权指令工作正常，继续运行。
全虚拟化中，虽然用户级指令具有和物理机一样的执行速度。但系统级指令整个过程下来，性能损耗非常的大。因为一条简单的指令在宿主机上直接执行就行了，现在在gues os上却要通过复杂的异常处理过程。
4.3、半虚拟化
半虚拟化的思想是：让客户操作系统知道自己是在虚拟机上跑的，工作在非ring0状态，那么它原先在物理机上执行的一些特权指令，就会修改成其他方式，这种方式是可以和VMM约定好的。
这就相当于，我通过修改代码把操作系统移植到一种新的架构上来，就是定制化。所以像XEN这种半虚拟化技术，客户机操作系统都是有一个专门的定制内核版本，和x86、mips、arm这些内核版本等价。这样以来，就不会有捕获异常、翻译、模拟的过程了，性能损耗非常低。这就是XEN这种半虚拟化架构的优势。这也是为什么XEN只支持虚拟化Linux，无法虚拟化windows原因，因为微软不改代码。
4.4、硬件辅助的虚拟化
由于CPU厂商开始支持虚拟化了，所以出现了硬件辅助的虚拟化。拿X86 CPU来说，引入了Intel-VT 技术，支持Intel-VT 的CPU，有VMX root operation 和 VMX non-root operation两种模式，两种模式都支持Ring 0 ~ Ring 3 这 4 个运行级别。这下好了，VMM可以运行在VMX root operation模式下，客户OS运行在VMX non-root operation模式下。即是宿主机和虚机是运行在同样硬件上的不同模式，也就说，在硬件这层做了些区分，这样全虚拟化下，有些靠“捕获异常-翻译-模拟”的实现就不需要了。
4.5、参考文档
全虚拟化和半虚拟化的区别 cpu的ring0 ring1又是什么概念? (http://www.cnblogs.com/xusongwei/archive/2012/07/30/2615592.html)
cpu的ring0、ring1、ring2、ring3 (https://blog.csdn.net/jeason29/article/details/47338441)
5、宿主机和虚机对虚拟化的理解
1) 开启了硬件辅助虚拟化后，虚拟化是通过在Guest机器和Host机器中间加一层Hypervisor实现的。
2) Host机器看虚机像跑在自己上面的程序
3) 由于Hypervisor帮助Guest访问物理资源，Guest机器感觉自己运行在真机上
4) 如果Host机器和Guest机器都跑相同的Linux，它们的Kernel都想运行在Ring 0。
6、虚拟化技术
虚拟化技术很常见的有VMWare、VirtualBox、Citrix Xen、kvm等
6.1、桌面虚拟化
将原本在本地电脑安装的桌面系统，统一在后端数据中心进行部署和管理； 用户可以通过任何设备，在任何地点，任何时间访问属于自己的桌面系统环境。
6.2、服务器虚拟化
1) 全虚拟化(Full-Virtulization)：
无需修改操作系统，VM ESXi、Linux KVM
2) 半虚拟化(Para-Virtulization)：
集成半虚拟化代码，直接运行特权指令，性能接近物理机，需要修改操作系统， MS Hyper-V、 Ctrix Xen、IBM PowerVM
3) 操作系统层虚拟化
开发、测试环境，VM Workstation、VM Server
7、kvm，Qemu，Libvirt的关系
7.1、Hypervisor的分类
首先，hypervisor 可以划分为两大类：
1) 类型 1，这种 hypervisor 是直接运行在物理硬件之上的。例子是基于内核的虚拟机（KVM —— 它本身是一个基于操作系统的 hypervisor）。
2) 类型 2，这种 hypervisor 运行在另一个操作系统中。类型 2 hypervisor 包括 QEMU 和 WINE。
7.2、kvm,Qemu,Libvirt
先总结：
我们平时在linux上用到的kvm，实际是Qemu-Kvm组成的Hypervisor。Hypervisor是虚拟机管理器。虚机跑在Hypervisor虚拟出来的环境上。
而Libvirt是个工具包。它可以管理Hypervisor。它的virsh命令，调用了它的libvirtd进程。它的libvirtd进程又回去调用Hypervisor。最后由Hypervisor实现对虚机的调控
QEMU
Qemu 是纯软件实现的虚拟化模拟器，几乎可以模拟任何硬件设备，我们最熟悉的就是能够模拟一台能够独立运行操作系统的虚拟机，虚拟机认为自己和硬件打交道，但其实是和 Qemu 模拟出来的硬件打交道，Qemu 将这些指令转译给真正的硬件。
正因为 Qemu 是纯软件实现的，所有的指令都要经 Qemu 过一手，性能非常低。
KVM
KVM是linux内核的模块。它采用硬件辅助虚拟化技术Intel-VT，AMD-V以获得CPU的支持。采用如Intel的EPT和AMD的RVI技术以获得内存的支持。Guest OS的CPU指令不用再经过Qemu转译，直接运行，大大提高了速度，KVM通过/dev/kvm暴露接口，用户态程序可以通过ioctl函数来访问这个接口。见如下伪代码：
open("/dev/kvm") ioctl(KVM_CREATE_VM) ioctl(KVM_CREATE_VCPU) for (;;) { ioctl(KVM_RUN) switch (exit_reason) { case KVM_EXIT_IO: case KVM_EXIT_HLT: } } |
KVM内核模块本身只能提供CPU和内存的虚拟化，所以它必须结合QEMU才能构成一个完成的虚拟化技术，这就是下面要说的qemu-kvm。
Qemu-kvm
Qemu将KVM整合进来，通过ioctl调用/dev/kvm接口，将有关CPU指令的部分交由内核模块来做。kvm负责cpu虚拟化+内存虚拟化，实现了cpu和内存的虚拟化，但kvm不能模拟其他设备。qemu模拟IO设备（网卡，磁盘等），kvm加上qemu之后就能实现真正意义上服务器虚拟化。因为用到了上面两个东西，所以称之为qemu-kvm。
Qemu模拟其他的硬件，如Network, Disk，同样会影响这些设备的性能，于是又产生了pass through半虚拟化设备virtio_blk, virtio_net，提高设备性能。
Libvirt
Libvirt是用于管理虚拟化平台的开源的API，后台程序和管理工具。它可以用于管理KVM、Xen、VMware ESX，QEMU和其他虚拟化技术。
libvirt包括一个API库，一个守护进程（Libvirtd），和一个命令行实用程序（virsh）。
Libvirtd是一个daemon进程，可以被本地的virsh调用，也可以被远程的virsh调用，Libvirtd调用qemu-kvm操作虚拟机
7.3、参考文档
qemu支持的硬盘格式
(https://www.hongweipeng.com/index.php/archives/1368/)
深入浅出 kvm qemu libvirt
(https://www.cnblogs.com/qiaoyanlin/p/6888408.html)
8、kvm配置
8.1、安装软件包
复杂版：yum install qemu-kvm qemu-img virt-manager libvirt libvirt-Python ibvirt-client virt-install virt-viewer bridge-utils
简介版：yum install qemu-kvm qemu-kvm-tools libvirt
qemu-kvm：qemu模拟器
qemu-img：qemu的磁盘管理器
virt-install：用来创建虚拟机的命令行工具
virt-manager：GUI虚拟机管理工具
libvirt：提供libvirtd daemon来管理虚拟机和控制hypervisor
libvirt-Python：基于libvirt API的python语言绑定工具包，通过该包可以实现对KVM日常管理和监控数据的获取
libvirt-client：提供客户端API用来访问server和提供管理虚拟机命令行工具的virsh实体
virt-install：是一个命令行工具，它能够为KVM、Xen或其它支持libvrit API的hypervisor创建虚拟机并完成GuestOS安装
virt-viewer：图形控制台
bridge-utils：创建和管理桥接设备的工具
8.2、检查内核模块嵌入
# 检查嵌入
lsmod | grep kvm
kvm_intel 55496 0
kvm 337900 1 kvm_intel
# 嵌入命令
modprobe kvm
modprobe kvm-intel
8.3、创建安装盘
qemu支持的硬盘格式
qemu-img create –f qcow2 /xx/xx/name 10G
8.4、创建虚拟机
virt-install --virt-type kvm \
--name CentOS-7 \
--ram 1024 \
--vcpus 1 \
--cdrom=/data/kvmtest/CentOS-7-x86_64-Minimal-1804.iso \
--disk path=/data/kvmtest/CentOS-7.qcow2 \
--network network=default \
--graphics vnc,listen=0.0.0.0 --noautoconsole \
--os-type=linux \
--os-variant=rhel7
virt-install参数详解
--virt-type：使用的hypervisor，如kvm、qemu、xen等
-n NAME, --name=NAME：虚拟机名称，需全局惟一；
-r MEMORY, --ram=MEMORY：虚拟机内在大小，单位为MB；
--vcpus=VCPUS[,maxvcpus=MAX][,sockets=#][,cores=#][,threads=#]：VCPU个数及相关配置；
-c CDROM, --cdrom=CDROM：光盘安装介质；
--disk=DISKOPTS：指定存储设备及其属性；格式为--disk /some/storage/path,opt1=val1，opt2=val2等；
常用的选项有：
l device：设备类型，如cdrom、disk或floppy等，默认为disk；
l bus：磁盘总结类型，其值可以为ide、scsi、usb、virtio或xen；
l perms：访问权限，如rw、ro或sh（共享的可读写），默认为rw；
l size：新建磁盘映像的大小，单位为GB；
l cache：缓存模型，其值有none、writethrouth（缓存读）及writeback（缓存读写）；
l format：磁盘映像格式，如raw、qcow2、vmdk等；
l sparse：磁盘映像使用稀疏格式，即不立即分配指定大小的空间；
l --nodisks：不使用本地磁盘，在LiveCD模式中常用；
--network=NETWORK：将虚拟机连入宿主机的网络中，其中NETWORK可以为：
l bridge=BRIDGE：连接至名为“BRIDEG”的桥设备；
l network=NAME：连接至名为“NAME”的网络；
--graphics TYPE,opt1=val1,opt2=val2：指定图形显示相关的配置，此选项不会配置任何显示硬件（如显卡），而是仅指定虚拟机启动后对其进行访问的接口；
TYPE：指定显示类型，可以为vnc、sdl、spice或none等，默认为vnc； 如果选择spice，则需要linux图形界面的支持
port： TYPE为vnc或spice时其监听的端口；
listen：TYPE为vnc或spice时所监听的IP地址，默认为127.0.0.1，可以通过修改/etc/libvirt/qemu.conf定义新的默认值；
password：TYPE为vnc或spice时，为远程访问监听的服务进指定认证密码；
--noautoconsole：禁止自动连接至虚拟机的控制台；
--os-type=DISTRO_TYPE：操作系统类型，如Linux、unix或windows等；
--os-variant=DISTRO_VARIANT：某类型操作系统的变体，如rhel5、fedora8等
# 不常用的，了解
--cpu=CPU：CPU模式及特性，如coreduo等；可以使用qemu-kvm -cpu ?来获取支持的CPU模式；
-l LOCATION, --location=LOCATION：安装源URL，支持FTP、HTTP及NFS等，如ftp://172.16.0.1/pub；
--pxe：基于PXE完成安装； --livecd: 把光盘当作LiveCD；
-x EXTRA, --extra-args=EXTRA：根据--location指定的方式安装GuestOS时，用于传递给内核的额外选项，例如指定kickstart文件的位置，
--extra-args "ks=http://172.16.0.1/class.cfg"
--boot=BOOTOPTS：指定安装过程完成后的配置选项，如指定引导设备次序、使用指定的而非安装的kernel/initrd来引导系统启动等 ；例如： --boot cdrom,hd,network：指定引导次序；
--boot kernel=KERNEL,initrd=INITRD,kernel_args=”console=/dev/ttyS0”：指定启动系统的内核及initrd文件；
8.5、VNC安装
因为上面指定的是用VNC显示图形界面。所以下载一个VNC viewer，连上IP:5900，进行图形化安装。安装完成后就可以正常操作了
8.6、安装电源模块
yum install acpid
ACPI是Advanced Configuration and PowerInterface缩写，高级配置和电源管理接口。
acpid中的d则代表daemon。Acpid是一个用户空间的服务进程，它充当linux内核与应用程序之间通信的接口，负责将kernel中的电源管理事件转发给应用程序。
如果没有这个服务，是不能virsh shutdown 掉虚机的
8.7、KVM的xml文件
xml文件是虚机的配置文件。里面有虚机名，磁盘大小，vcpu，ram，networ等等的信息。我们通过xml文件可以了解到虚机的整个基础配置。还可以通过复制xml文件，用define命令生成新的虚机
8.8、网络配置
1、将网络由vibr0桥接，变为br0桥接
在最初创建虚机时，设置虚机的网络是“network=default”。让虚机连入名为default的网络。当时我们也可设置“network=bridge_name”,让虚机连入桥设备。但我们没有这样做，所以现在虚机是连在virbr0桥设备上的。
1）vibr0是什么
vibr0是KVM默认创建的一个Bridge,它为连接其上的虚机网卡提供NAT访问外网的功能。virbr0默认会被分配一个IP地址，并为连接其上的其他KVM虚拟网卡提供DHCP服务（dnsmasq服务）。此时，虚机网络为NAT模式，访问外部网络简单，但外部网络不能访问进来
2）br0桥接
这里的br0桥接，就是将虚机的网络模式变为桥接模式。这样虚机与宿主机处于同一网络环境，类似于一台真实的宿主机。操作如下：
（1） 宿主机操作
brctl show #查看桥接连接
brctl addbr br0 #新建桥接连接
brctl addif br0 eth0 #将eth0网卡，绑到br0桥设备上
ip addr del dev eth0 192.168.56.11/24 #删除eth0网卡的IP地址
ifconfig br0 192.168.56.11/24 up #将eth0网卡的IP，配到br0上
route add default gw 192.168.56.2 #配置默认网关
修改KVM的xml文件（把端口类型改为bridge，源端口改为br0）
（2） 进入KVM虚机，为其配置网卡IP
BOOTPROTO=staic
IPADDR=192.168.56.111 （与宿主机同网段）
NETMASK=255.255.255.0
GATEWAY=192.168.56.2
2、创建VLAN
vconfig add eth0 10 # 创建VLAN (/proc/net/vlan/config)10，并将eth0加入VLAN
brctl addbr br10 # 创建网桥
brctl addif br10 eth0.10 # 将eth0绑到网桥
brctl addif br10 vnet0 # 将KVM虚机的网卡 加入网桥br10
3、参考文档
Linux系统配置kvm+vlan
(https://blog.51cto.com/fklinux/2045498)
KVM虚拟机网络配置 Bridge方式，NAT方式
(https://blog.csdn.net/hzhsan/article/details/44098537/)
KVM 虚拟机的网络模式学习及配置
(https://www.baidu.com/link?url=Cs-jCTF5gY6F3T73jhTWpR129jJwRnG2JqdsLZQSs2amaVgk8lf2LVjV9jevyzMdA1NpVzHja6-0riqJJZ7ZgK7AUj92XFzATOo48O441wy&wd=&eqid=b8fdc22300032726000000055b053d6f)
8.7、KVM与宿主机的关系
KVM在Linux中是一个进程的表现形式，它受的到CPU的调度
Libvirt是管理kvm的工具，关掉Libvird服务，不影响KVM虚机的正常运行，只是无法用libvirt管理而已
9、virsh命令
virsh命令，调用libvid，Libvirtd调用qemu-kvm操作虚拟机。通过virsh命令，我们可以实现在CLI对虚拟机的管理
virsh有命令模式和交互模式。
u 命令模式：直接在virsh后面接参数
u 交互模式：直接写virsh。
u 事实上交互模式和命令的参数都是一样的
9.1、常用命令
命令(前缀 virsh) |
含义 |
list |
显示显示本地活动虚拟机 -all：显示本地所有的虚拟机 |
creat KVM_name.xml |
创建虚机（创建后，虚机立即执行。虚机关机后自动消失） |
define KVM_name.xml |
通过配置文件定义一个虚机。（定以后虚机不是活动的） |
start KVM_name |
启动虚机 |
console KVM_name |
连接虚机 【KVM 通过virsh console连入虚拟机】 |
suspend KVM_name |
暂停虚机，虚拟机处于paused暂停状态 但是仍然消耗资源,只不过不被超级管理程序调度而已。 |
resume KVM_name |
唤醒虚机 |
shutdown KVM_name |
正常关闭虚机 |
destroy KVM_name |
强制关闭虚机，并删除 libvirt直接销毁demo，取消demo的定义 |
undefine KVM_name |
移除虚拟机 在虚拟机处于Running状态时，调用该指令，该指令暂时不生效 但是当虚拟机被关闭后，该指令生效移除该虚拟机，也可以在该指令生效之前调用define+TestKVM.xml取消该指令 |
9.2、显示虚机信息命令
命令（前缀为 virsh） |
含义 |
dominfo KVM_name |
显示虚机的基本信息 |
dumpxml KVM_name |
显示虚机的当前配置文件 |
dump KVM_name file |
将虚机的配置文件重定向到file |
domiflist KVM_name |
列出虚机网卡接口 |
domifstat KVM_name vnet0 |
显示网卡信息 |
domuuid KVM_name |
显示虚机UUID |
domid KVM_name/UUID |
显示虚机ID |
cpu-stats KVM_name |
显示虚机CPU状态 |
vncdisplay |
显示虚机的IP |
9.3、更改虚机
命令（前缀为 virsh） |
含义 |
exit KVM_name |
编辑虚机的配置文件 |
setmen KVM_name size |
设置虚机内存。要求虚机不活动 |
setvcpus KVM_name num |
设置虚机的虚拟CPU个数。要求虚机不活动 |
autostart KVM_name |
虚机将随宿主机一起启动 --disable KVM_name：取消自动启动 |
9.4、参考文档
virsh的详细命令解析 (https://blog.csdn.net/xxoo00xx00/article/details/49802367)