KVM虚拟化的简单概论

一、什么是虚拟化

• 虚拟化，是指通过虚拟化技术将一台计算机虚拟为多台逻辑计算机（对计算机物理资源的抽象，实现资源的模拟、隔离和共享）。在一台计算机上同时运行多个逻辑计算机，每个逻辑计算机可运行不同的操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。
• 虚拟化是一种资源管理技术，打破实体结构的不可分割的障碍，可以对数据中心的所有资源进行虚拟化和管理，可以实现服务虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化和桌面虚拟化。
• 在实际的生产环境中，虚拟化技术主要用来解决高性能的物理硬件产能过剩和老的、旧的硬件产能过低的重组、重用，透明化底层物理硬件，从而最大化的利用物理硬件，对资源充分利用。
• 解决的两个问题：
  • 资源充分利用
  • 缩短交付时间

二、虚拟化技术

• 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，例如ensp、workstation等
• 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和tomcat），从而实现一台宿主机搭建一个集群
• 通过软件/应用程序的方式，来实现物理硬件的功能，例：ensp以软件形式实现物理设备的功能（二层交换机、路由器、三层交换机等）

三、虚拟化技术的发展史

• 【1】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
• 【2】1972年，IBM公司正式将system370机器的分时系统命名为虚拟机
• 【3】1990年，IBM推出的system390机支持逻辑分区（将一个cpu分为多份，相互独立，也就是逻辑分分割）
• 【4】Xen：2003年问世，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：支持的虚拟化技术：全虚拟化、半虚拟化
• 【5】KVM：2007年问世，现已内置在kernel内核中，支持的虚拟化技术：全虚拟化

四、虚拟化类型

• 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
  • 使用的方法：使用hypervisor（VMM）软件，其原理是在底层硬件和服务器之间建立一个抽象层，而基于核心的虚拟机是面向Linux系统的开源产品hypervisor（VMM）可以捕捉CPU的指令
• 半虚拟化：需要修改操作系统
• 直通：直接使用物理硬件资源（需要设备支持，还不完善）

五、虚拟化特性

• 优势：
  • 集中化管理（远程管理、维护）
  • 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）
  • 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）
  • 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）
• 劣势：
  • 前期高额费用（初期的硬件支持）
  • 降低硬件利用率（特定场景，例：极度吃资源的应用不一定适合虚拟化）
  • 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）
  • 实施配置复杂、管理复杂（管理人员运维、排障困难）
  • 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、应用程序以及供应商结合使用）
  • 安全性（虚拟化技术自身的安全隐患）

六、KVM简介

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模拟I/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KM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

2、KVM架构及原理

①、KVM虚拟化架构/三种模式

• 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:
  • 【1】客户模式：
    • 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)
  • 【2】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

②、KVM工作原理

• 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-种受限制的CPU 模式下运行。
• KVM内核模块模拟处理器和内存以支持虚拟机运行
• Qemu 主要处理I/O以及为客户提供一个用户空间/dev/kvm 工具ibvirt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(ioctl) 虚拟机设备接口/dev/kvm来分配资源、管理、维护虚拟机

3、KVM工作流程

• 【1】用户模式的Qemu利用接口libkvm通过ioctl系统调用进入内核模式。
• 【2】KVM驱动为虚拟机创建 虚拟CPU和虚拟内存,
• 【3】然后执行VMLAU.NCH指令进入客户模式，装载Guest OS并运行。
• 【4】Guest OS运行过程中如果发生异常，则暂停Guest OS的运行并保存当前状态同时退出到内核模式来处理这些异常。
• 【5】内核模式处理这些异常时如果不需要I/O则处理完成后重新进入客户模式。如果需要I/O则进入到用户模式，则由Qemu来处理I/O，处理完成后进入内核模式，再进入客户模式

4、KVM各核心组件功能

• QEMU
  • 功能:控制I/O虚拟化，调用硬件资源
• KVM
  • 功能:为虚拟机提供CPU、内存(硬件资源)的虚拟化

总结

KVM工作原理

• 【1】QEMU：负责抽象化I/O资源
• 【2】KVM：内置在内核中，负责对实际物力资源进行抽象/逻辑分割
• 【3】QEMU：会借助libvirt工具对内核中（KVM逻辑分割的资源进行调用）
• 【4】然后。将资源传输至VM