KVM虚拟化平台部署解析

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前言

在企业服务中，总会出现设备硬件资源利用率处于“划水”状态，浪费企业资源，为解决这类情况，虚拟化技术得以孕育而生。

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一 虚拟化概述

1.1 介绍

虚拟化是一种资源管理技术, 是将计算机的各种物理资源, 如服务器、网络、内存及存储等，予以抽象、转换后呈现出来，打破物理设备结构间的不可切割的障碍，使用者可以比原本的架构更好的方式来应用这些资源。这些资源的虚拟部分是不受现有资源的架构方式、地域或物理设备所限制。

1.2 虚拟化产生的原因：

服务器的资源利用率没有达到企业需求或者可接受的值或范围，由此需要提高硬件资源利用率 

美国环境保护EPA报告中曾经统计过一组统计数据: EPA研究服务器和数据中心得能源效率时发现，实际上服务器只有5%得时间时在工作的，其他时间一直处于休眠状态

1.3 虚拟化技术

软件资源是没有硬件资源性能高的（稳定和效率）（相同功能情况下）

1.3.1 实现功能：

通过虚拟化技术将一台计算机虚拟为多台逻辑计算机，在一台计算机上同时运行多个逻辑计算机，
同时每个逻辑计算机可运行不同的操作系统，应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互相不影响，从而提高计算机的工作效率

1.4 虚拟化特点

1、在一个操作系统中(win10) 模拟多个操作系统(centos. win10、 suse) ，同时每个操作系统可以跑不同的服务(nginx+ tomcat)，从而实现一台宿主机搭建一个集群(从整体)

2、通过软件/应用程序的方式，来实现物理硬件的功能
ensp（华为应用工具）：二层交换机，三层路由器，防火墙等

3.提高利用率，而不是扩展，存在瓶颈（底层物理硬件）

1.5 虚拟化技术发展

雏形:

1961年，IBM709机器实现了分时系统，将CPU占用切分为多个极短的时间片(1/100sec)每一个时间片执行不同的工作，通过对这些时间片进行轮询从而将一个CPU伪装成多个CPU

1972年， IBM正式将system370机的分时系统命名为虚拟机

1990年， IBM推出的system390机支持逻辑分区(将个CPU分为多份，相互独立，也就是逻辑分割(隔离)

Xen 2003年问世，是一个外部的hypervisor/VMM程序 (虚拟机管理程序)，能够控制宿主机和给多个客户机分配资源

KVM: 2007年问世，现已内置在kernel内核中的

Xen支持的虚拟化技术:全虚拟化，半虚拟化
KVM:支持的虚拟化技术:全虚拟化

1.5.1 虚拟化类型

1、 全虚拟化:

将物理硬件资源全部通过软件的方式抽象化，最后进行调用
（将物理资源转换虚拟化资源）

使用的方法:使用hyperisor (VMM)软件，其原理是在底层硬件和服务器之间建立个抽象层，而基于核心的虚拟机是面向Linux系统的开源产品hypervisor(VMM)可以捕提CPU的指令，为指令访问硬件控制器和外设充当中介。

将所有的物理资源的功能全都通过软件形式去实现，将物理资源去进行分割或分方式去提高单个物理资源的利用率

2、 半虚拟化:

需要修改操作系统，需要硬件支持，让其性能，稳定性更趋于物理设备
虚拟引擎：开启硬件辅助-----软件形式的虚拟化功能

3、直通:

直接使用物理硬件资源(需要支持，还不完善)
       技术配置困难
       需要内核级别支持，芯片级别的集时，直接调用底层物理化资源给予虚拟机，同时还可以进行逻辑分割。

       直接调用底层物理硬件支持，底层架构资源，供给虚拟机
       直接接用

1.5.2 特性:

1.5.2.1 优势

1.集中化管理(远程管理、维护)
原4台服务器搭建一个集群，现一个服务器即可，管理方便

2.提高硬件利用率(物理资源利用率低;例如峰值，虚拟化解决了“空闲” 容量)
将单个物理硬件资源去模拟出多份形式，实现利用率最大

3.动态调整机器/资源配置(虚拟化把系统的应用程序和服务硬件分离、提高了灵活性)
可调整逻辑分隔数量（8G--16G--8G,根据实际情况进行对应调整）

4.高可靠(可部署额外的功能和方案，可提高透明负载均衡、迁移、恢复复制等应用环境)
可以基于某个状态进行保存，可以随时回滚状态。

1.5.2.2 劣势

1.前期高额费用(初期的硬件支持）
原3台，现1台，性能强悍，利用率，使用率提高

2.降低硬件利用率(特定场景-例如极度吃资源的应用不一定适合虚拟化)

3.更大的错误影响面(本地物理机down机会导致虚拟机均不可用，同时可能虚拟机中文件全部损坏)

单点故障：在没有任何备份的情况下，主节点/服务器出现故障，影响到该节点/服务器所牵连的所有集群

4.实施配置复杂、管理复杂(管理人员运维、排障困难)

5.一定的限制性 (虚拟化技术涉及各种限制，必须与支持/兼容虚拟化的服务器、应用程序及供应商结合使用)

6.安全性(虚拟化技术自身的安全隐患)
代码的健壮性：代码复杂，稳固程度
代码的健壮性决定虚拟化的稳定性

一个服务，研发出来之后，一般来说。10年（生命周期）
一条，增加新的技术来扩展原有的功能
一条， 被其他更轻量级、更有针对性的服务所替代.
Apache 和nginx (轻量、抗高并发、支持正则、负载均衡)
同样的功能，在不同的场景，会有各自的优势

二 虚拟化前后对比

2.1 虚拟化前

每台主机拥有一个操作系统
软硬件紧密结合
在同一个主机上运行多个应用程序通常会产生冲突
系统资源利用率低(例如: 5%)
硬件成本高昂并且不够灵活（物理资源有限）

2.2 虚拟化后

打破了操作系统和硬件的互相依赖
通过封装到虚拟机的技术，管理操作系统和应用程序为单一的个体
强大的安全和故障隔离
虚拟机时独立于硬件的，它们可以在任何硬件上运行

2.3 案例对比:

操作系统方面(虚拟化前) :

LAMP架构中(以一台主机实现)
LINUX + Apache + MySQL + PHP

其中Apache与MySQL资源是共享的如果架构要求服务间的安全性隔离比较高的话，Apache的页面和MySQL数据库的目录一定是不能互相碰面，如果Apache漏洞暴露出来攻击者就可以Apache的进程访问到MySQL的数据目录，从而获取MySQl中的数据，这种就是严重的安全隐患，而想解决这种潜在危险，可以通过实现内核级别的隔离(使用虚拟化技术)

软硬件结合

因为硬件和操作系统不兼容或者不支持，导致有些软、硬件功能无法正常使用(也是最难的问题)
使用虚拟化，软硬件之间是会通过虚拟化层驱动进行隔离(调配)的，只要虚拟化层可以识别软/硬件应用，就可以将软硬件结合使用

在同一个主机上运行多个应用程序通常会产生冲突

Apache和Nginx定位相同(80端口)，只能使用反向代理的方式进行分离，而同时如果在同一台机器使用这种方式，Apache和Nginx中重要的数据文件如果同时被泄露出...而虚拟化可以隔离服务

三 虚拟化架构解析

3.1 应用软件

VMwareWorkstation:使用软件达到虚拟多操作系统
VirtualBox: 使用软件虚拟出多物理设备功能

3.1.1 应用示例：

以VMwareworkstation为例

workstation支持intel公司和AMD公司的虚拟化技术
硬件辅助虚拟化技术lntel-VT-x, AMD-V

Intel VT-x技术主要包含CPU、内存和 I/O（输入/输出) 三方面的虚拟化技术，同时提供优化处理(早期为弥补X86架构虚拟化的缺陷)
AMD-V是对x86处理器系统架构的一组硬件扩展和硬件辅助虚拟化技术，可以简化纯软件的虚拟化解决方案，

改进VMM (虚拟机监视器)的设计，更充分地利用硬件资源，提高服务器和数据中心的虚拟化效率
VMM(虚拟机监视器/管理程序)
VMM是一个系统软件，可以维护多个高效、隔离的程序环境(虚拟机) ，同时可以管理计算机系统的真实资源、为虚拟机提供接口

3.2 KVM简介:

3.2.1 广义KVM:

KVM (Kernel- based Vritual Machine)----------基于内核的虚拟机

KVM是基于虚拟化扩展的X86硬件的开源Linux原生的全虚拟化方案(要求cpu支持Intel-VT-x或AMD-V)

KVM内嵌于内核模块中，模拟处理器和内存以支持虚拟机运行

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;

虚拟机的每个虚拟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KVM本身不执行任何模拟。需要客户空间程序(虚拟机)通过/dev/kvm (此虚拟设备需要开起硬件辅助虚拟化才能看到)接口设置一个客户机虚拟服务器的地址空间，并且由Qemu组件模拟/O (ioctl) 进行调度资源和维护管理

Libvirt: KVM的管理工具，除了可以管理KVM这类VMM,还可以管理Xen, VirtualBox, 甚至OpenStack底层

Libvirt包含3个组件:后台daemon程序libvirtd、 API库、命令行工具virsh

3.3 KVM架构及原理

KVM虚拟化架构/三种模式

1.、客户模式(guestOS):VM中的OS为GuestOS
客户机在操作系统中运行的模式，客户机分为内核模式和用户模式，作用如下:

   2、用户模式:
      为用户提供虚拟机管理的用户空间工具以及代表用户执行I/O，Qemu工作在此模式下(Qemu的主要功能)

   3、linux内核模式
      模拟CPU、内存，实现客户模式切换，处理从客户模式的推出，KVM即运行在此模式下

3.4 KVM原理

1、Guest: 客户机系统，包括CPU (vCPU) 、内存、驱动(Console、 网卡、I/O设备驱动等)，被KVM置于一种受限制的CPU 模式下运行。

2、 KVM内核模块模拟处理器和内存以支持虚拟机运行

3、Qemu主要处理I/O以及为客户提供一个用户空间/dev/kvm 具libvirt来进行虚拟机管理

ioctl (定义) 专用于设备输入输出操作的系统调用
libvirt: KVM管理工具

以上构成一个完整的虚拟化平台

简单理解:

KVM驱动提供处理器、内存的虚拟化，以及客户机I/O的拦截，guest的I/O被拦截后，交由Qemu处理，Qemu利用接口libkvm调用(ioct)虚拟机设备口/dev/kvm来分配资源、管理、维护虚拟机

四 KVM虚拟化平台部署

4.1 部署准备：

4.1.1 安装配置CentOS7

1.系统设置和环境准备

centos7系统安装完成后，需要勾选上KVM虚拟化功能（关机状态下），且网卡选择NAT模式

2.关闭防火墙

[root@localhost ~]# systemctl stop firewalld
[root@localhost ~]# setenforce 0
[root@localhost ~]# vi /etc/selinux/config
修改
 SELINUX=disabled

[root@localhost ~]# grep -v "#" /etc/selinux/config 

3.设置挂载

[root@localhost ~]# vi /etc/fstab 
[root@localhost ~]# mount -a    设置生效
[root@localhost ~]# df -Th            查看

添加
/dev/cdrom                /mnt                  iso9660   defaults        0 0

4.设置DNS反向解析
是否反解DNS，设置为NO可以让客户端连接服务器更快

[root@localhost ~]# vi /etc/ssh/sshd_config 

添加修改
UseDNS no

5.设置本地YUM仓库

[root@localhost ~]# cd /etc/yum.repos.d/
[root@localhost yum.repos.d]# ls -lh
[root@localhost yum.repos.d]# mkdir backup
[root@localhost yum.repos.d]# mv C* backup
[root@localhost yum.repos.d]# ls -lh
[root@localhost yum.repos.d]# vi abc.repo  

[abc]
name=test
baseurl=file:///mnt 
     路径  本地源 文件夹           
gpgcheck=0    不检查密钥
enabled=1       立即生效

[root@localhost yum.repos.d]# yum clean all   清除缓存
[root@localhost yum.repos.d]# yum makecache   建立缓存

完成以上设置，重启系统

[root@localhost ~]# reboot/init 6

4.2 部署流程

4.2.1 安装KVM

1.安装KVM基本组件

[root@localhost ~]# yum groupinstall -y "GNOME Desktop" 安装 GNOME 桌面环境  如果装了图形界面可以不安装
[root@localhost ~]# yum -y install qemu-kvm       安装KVM 模块
[root@localhost ~]# yum -y install qemu-kvm-tools 安装KVM 调试工具,可不安装
[root@localhost ~]# yum -y install virt-install  安装构建虚拟机的命令行工具
[root@localhost ~]# yum -y install qemu-img      安装qemu组件,创建磁盘、启动虚拟机等
[root@localhost ~]# yum -y install libvirt       虚拟机管理工具
[root@localhost ~]# yum -y install virt-manager  图形界面管理虚拟机
[root@localhost ~]# yum -y install bridge-utils  安装网络支持工具

2.检测CPU是否支持虚拟化

  [root@localhost ~]#  cat /proc/cpuinfo | grep vmx     

3.查看KVM模块是否已安装

[root@localhost ~]# lsmod | grep kvm

Lsmod：显示已载入的系统模块

4.设置开启启动界面的显示模式

[root@localhost ~]#  ln -sf /lib/systemd/system/graphical.target /etc/systemd/system/default.target
将系统的默认运行的target更改为graphical.targe 重启系统后进入图形化界面
[root@localhost ~]# systemctl start libvirtd    开启服务
[root@localhost ~]# systemctl enable libvirtd   自启动

4.2.2 设置KVM网络

宿主服务器安装完成 KVM， 首先要设定网络， 在 libvirt 中运行 KVM 网络有两种方法：

NAT 和 Bridge， 默认是 NAT

1.用户模式， 即 NAT 方式， 这种方式是默认网络设置， 数据包由 NAT 方式通过主机的接口进行传送， 可以访问外网， 但是无法从外部访问虚拟机网络

2.网桥，桥接模式， 这种模式允许虚拟机像一台独立的主机一样拥有网络， 外部的机器可以直接访问到虚拟机内部， 但需要网卡支持 （一般有线网卡都支持）

1.设置修改ens33网卡

[root@localhost ~]# vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
注释ip地址，子网掩码，网关，bns
TYPE=Ethernet
PROXY_METHOD=none
BROWSER_ONLY=no
BOOTPROTO=none
#IPADDR=20.0.0.18
#NETMASK=255.255.255.0
#GATEWAY=20.0.0.2
#DNS=20.0.0.2
DEFROUTE=yes
IPV4_FAILURE_FATAL=no
IPV6INIT=yes
IPV6_AUTOCONF=yes
IPV6_DEFROUTE=yes
IPV6_FAILURE_FATAL=no
IPV6_ADDR_GEN_MODE=stable-privacy
NAME=ens33
UUID=5868da39-034a-4151-9d92-e999978d8e60
DEVICE=ens33
ONBOOT=yes
BRIDGE=br0     

设置修改br0（桥接模式）

[root@localhost ~]# vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-br0
[root@localhost ~]# systemctl restart network         服务启动
添加修改
TYPE=Bridge
OTPROTO=static
DEFROUTE=yes
PEERDNS=yes
PEERROUTES=yes
IPV4_FAILURE_FATAL=no
IPV6INIT=yes
IPV6_AUTOCONF=yes
IPV6_DEFROUTE=yes
IPV6_PEERDNS=yes
IPV6_PEERROUTES=yes
IPV6_FAILURE_FATAL=no
IPV6_ADDR_GEN_MODE=stable-privacy
NAME=br0
DEVICE=br0
ONBOOT=yes
IPADDR=20.0.0.18
NETMASK=255.255.255.0
GATEWAY=20.0.0.2

4.2.3 KVM部署与管理

创建KVM存储和镜像数据的目录、上传centos7镜像

[root@localhost ~]# mkdir -p /data_kvm/iso   创建镜像文件存储文件
[root@localhost ~]#  mkdir -p /data_kvm/store 创建虚拟机存储
[root@localhost ~]#  mount.cifs //20.0.0.1/作业 /mnt   挂载上传镜像文件
[root@localhost ~]# cd /mnt
[root@localhost mnt]# ls -lh
[root@localhost mnt]# cp CentOS-7-x86_64-DVD-1708.iso /data_kvm/iso/   上传镜像CentOS7
[root@localhost mnt]# ls /data_kvm/iso/  查看上传情况
[root@localhost mnt]# cd

1.在虚拟机中打开虚拟系统管理器

[root@localhost ~]# virt-manager 

4.2.4 使用虚拟系统管理器管理创建虚拟机

创建设置流程：

1.创建存储池（ISO、STORE)
2.添加存储卷
3.创建虚拟机

1.创建存储池tree步骤

双击打开QEMU/KVM–>存储–>加号(+)–>填写名称–>前进–>浏览–>其他位置–>计算机–>data_kvm–store–>打开–>完成

双击打开QEMI/KVM





同理操作创建存储池apple
选择/data_kvm/iso文件夹

4.2.5 创建存储卷

选择tree存储池创建
即/data_kvm/store文件夹

4.2.6 创建虚拟机

选择镜像文件
在apple存储池中
即/data_kvm/iso

配置内存和CPU大小

配置虚拟机存储卷
在tree存储池中的
即/data_kvm/store/tree.qcow2

选择网络模式为（桥接）

安装前最后一步设置

4.2.7 开始安装

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总结

1.传统运维与云平台运维的区别：

   1.虚拟化
   2.OpenStack

2.注意:

1.虚拟化操作可以提高物理硬件的资源利用率，而不是扩展设备


2.软件资源是没有硬件资源性能高的（稳定和效率）（相同功能情况下）

3:调用与系统调用区别:
调用：是在软件层面暴露一个接口，实现调用与被调用。
系统调用：是在内核层面，将功能封装定义，通过接口暴露出来，当使用接口中的定义的命令时实现操作动作。
接口作用；使管理应用更为方便，简单。

4.解析KVM架构原理：
虚拟机的请求有些不是直接与底层进行交互的，需要通过Qemu进行请求传递
Qemu：隔离一些敏感指令（虚拟机没有权限的操作指令）,禁止越权，
KVM会进行拦截，并同时向Qemu发出提醒警告处理。