KVM 虚拟化详解

KVM虚拟化详解

目录

1. KVM虚拟化架构

1.1主流虚拟化架构

1.2 KVM虚拟化架构

2 CPU虚拟化

2.1 pCPU与vCPU

2.2 虚拟化类型对比

2.3 KVM CPU虚拟化

3 内存虚拟化

3.1 EPT与VPID

3.2 透明大页THB

3.3 内存超分Over-commit

4 IO设备虚拟化

4.1 IO设备虚拟化概述

4.2 设备模拟与virtio驱动

4.3 设备直通与设备共享

4.4 其他IO设备特性

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服务器虚拟化是云计算最核心的技术，而KVM是当前最主流的开源的服务器虚拟化技术。从Linux2.6.20起，KVM作为内核的一个模块 集成到Linux主要发行版本中。从技术架构（代码量、功能特性、调度管理、性能等）、社区活跃度，以及应用广泛度来看，KVM显现出明显优势，已逐渐替换另一开源虚拟化技术Xen。在公有云领域，2017年之后AWS、阿里云、华为云等厂商都逐渐从Xen转向KVM，而Google、腾讯云、百度云等也使用KVM。在私有云领域，目前VMware ESXi是领导者，微软Hyper-V不少应用，随着公有云厂商不断推进专有云/私有云方案，未来KVM应用也会逐渐增加。KVM目前已支持x86、PowerPC、S/390、ARM等平台。本文参考《KVM实战：原理、进阶与性能调优》等材料，简要梳理总结KVM在x86平台的关键技术原理。

1. KVM 虚拟化架构

1.1 主流虚拟化架构

图1对比了几种主流虚拟化技术架构：ESXi、Xen与KVM，其主要差别在与各组件（CPU、内存、磁盘与网络IO）的虚拟化与调度管理实现组件有所不同。在ESXi中，所有虚拟化功能都在内核实现。Xen内核仅实现CPU与内存虚拟化， IO虚拟化与调度管理由Domain0（主机上启动的第一个管理VM）实现。​KVM内核实现CPU与内存虚拟化，QEMU实现IO虚拟化，通过Linux进程调度器实现VM管理。

图1：虚拟化架构对比

1.2 KVM虚拟化架构

如图2，KVM虚拟化有两个核心模块：

1）KVM内核模块：主要包括KVM虚拟化核心模块KVM.ko，以及硬件相关的KVM_intel或KVM_AMD模块；负责CPU与内存虚拟化，包括VM创建，内存分配与管理、vCPU执行模式切换等。

2）QEMU设备模拟：实现IO虚拟化与各设备模拟（磁盘、网卡、显卡、声卡等），通过IOCTL系统调用与KVM内核交互。KVM仅支持基于硬件辅助的虚拟化（如Intel-VT与AMD-V），在内核加载时，KVM先初始化内部数据结构，打开CPU控制寄存器CR4里面的虚拟化模式开关，执行VMXON指令将Host OS设置为root模式，并创建的特殊设备文件/dev/kvm等待来自用户空间的命令，然后由KVM内核与QEMU相互配合实现VM的管理。KVM会复用部分Linux内核的能力，如进程管理调度、设备驱动，内存管理等。

图2：KVM虚拟化架构

2. CPU虚拟化

2.1 pCPU与vCPU

如图3，物理服务器上通常配置2个物理pCPU（Socket），每个CPU有多个核（core）；开启超线程Hyper-Threading技术后，每个core有2个线程（Thread）；在虚拟化环境中一个Thread对应一个vCPU。在KVM中每一个VM就是一个用户空间的QEMU进程，分配给Guest的vCPU就是该进程派生的一个线程Thread，由Linux内核动态调度到基于时分复用的物理pCPU上运行。KVM支持设置CPU亲和性，将vCPU绑定到特定物理pCPU，如通过libvirt驱动指定从NUMA节点为Guest分配vCPU与内存。KVM支持vCPU超分（over-commit）使得分配给Guest的vCPU数量超过物理CPU线程总量。

图3：pCPU与vCPU关系

2.2 虚拟化类型对比

Intel对x86 CPU指定了4种特权级别Ring0 - Ring3，其中Ring 0是内核态，运行OS内核，权限最高，可执行特权或敏感指令，对系统资源进行管理与分配等；ring 3权限最低，运行用户应用。如图4，ESXi属于全虚拟化，VMM运行在Ring0完整模拟底层硬件； GuestOS运行在ring1，无需任何修改即可运行，执行特权指令时需要通过VMM进行异常捕获、二进制翻译BT（Binary Translation）和模拟执行。Xen支持全虚拟化（HVM Guest）与半虚拟化（PV Guest）；使用半虚拟化时，GuestOS运行在Ring 0需要进行修改（如安装PV Driver），通过Hypercall调用VMM处理特权指令，无需异常捕获与模拟执行。

KVM是依赖于硬件辅助的全虚拟化（如Inter-VT、AMD-V），目前也通过virtio驱动实现半虚拟化以提升性能。Inter-VT引入新的执行模式：VMM运行在VMX Root模式， GuestOS运行在VMX Non-root模式，执行特权指令时两种模式可以切换。

图4：x86 CPU 特权级别与虚拟化分类

2.3 KVM CPU虚拟化

KVM中vCPU在三种模式下执行：

1） 客户模式（Guest Mode）运行GuestOS，执行Guest非IO操作指令。

2） 用户模式（User Mode）运行QEMU，实现IO模拟与管理。

3） 内核模式（Kernel Mode）运行KVM内核，实现模式的切换（VM Exit/VM Entry），执行特权与敏感指令。

如图5，KVM内核加载时执行VMXON指令进入VMX操作模式，VMM进入VMX Root模式，可执行VMXOFF指令退出。GuestOS执行特权或敏感指令时触发VM Exit，系统挂起GuestOS，通过VMCALL调用VMM切换到Root模式执行，VMExit开销是比较大的。VMM执行完成后，可执行VMLANCH或VMRESUME指令触发VM Entry切换到Non-root模式，系统自动加载GuestOS运行。

VMX定义了VMCS（Virtual Machine Control Structure）数据结构来记录vCPU相关的寄存器内容与控制信息，发生VMExit或VMEntry时需要查询和更新VMCS。VMM为每个vCPU维护一个VMCS，大小不超过4KB，存储在内存中VMCS区域，通过VMCS指针进行管理。VMCS主要包括3部分信息，control data主要保存触发模式切换的事件及原因；Guest state 保存Guest运行时状态，在VM Entry时加载；Host state保存VMM运行时状态，在VM Exit时加载。通过读写VMCS结构对Guest进行控制。

图5：VMX Root/Non-Root 模式切换

3. 内存虚拟化

3.1 EPT与VPID

内存存放CPU将要执行的指令或数据，内存大小与访问效率对系统性能至关重要。内存虚拟化目标是保障内存空间的合理分配、管理，隔离，以及高效可靠地使用。需要将Guest线性虚拟内存地址GVA（Guest Virtual Address）转换为Host上的物理内存地址HPA（Host Physical Address ）。没有硬件辅助虚拟化之前，VMM为每个Guest维护一份影子页表（Shadow Page Table），通过软件维护GVA到HPA的映射，由于内存访问与更新频繁导致影子页表的维护复杂，开销较大。

Intel引入了硬件辅助内存虚拟化扩展页表EPT（Extend Page Table），AMD 的是嵌入页表NPT（Nested Page Table），作为CPU内存管理单元MMU的扩展，通过硬件来实现GVA、GPA到HPA的转换。如图6，首先Guest通过CR3寄存器将GVA转换为GPA，然后查询EPT将GPA转换为HPA。EPT的控制权在VMM上，只有CPU工作在Non-Root模式时才参与该内存转换。引入EPT后，Guest读写CR3寄存器或Guest Page Fault，执行INVLPG指令等不会触发VM Exit，由此降低了内存转换复杂度，提升转换效率。

另外，CPU使用TLB（Translation Lookaside Buffer）缓存线性虚拟地址到物理地址的映射，地址转换时CPU先根据GPA先查找TLB，如果未找到映射的HPA，将根据页表中的映射填充TLB，再进行地址转换。不同Guest的vCPU切换执行时需要刷新TLB，影响了内存访问效率。Intel引入了VPID（Virtual-Processor Identifier）技术在硬件上为TLB增加一个标志，每个TLB表项与一个VPID关联，唯一对应一个vCPU，当vCPU切换时可根据VPID找到并保留已有的TLB表项，减少TLB刷新。

图6：基于EPT的内存地址转换

3.2 透明大页THP

x86 CPU默认使用4KB的内存页面，目前已经支持2MB，1GB的内存大页（Huge Page）。使用大页内存可减少内存页数与页表项数，节省了页表所占用的CPU缓存空间，同时也减少内存地址转换次数，以及TLB失效和刷新的次数，从而提升内存使用效率与性能。但使用内存大页也有一些弊端：如大页必须在使用前准备好；应用程序必须显式地使用大页（一般是调用mmap、shmget或使用libhugetlbfs库进行封装）；需要超级用户权限来挂载hugetlbfs文件系统；如果大页内存没有实际使用会造成内存浪费等。2009年实现的透明大页THP（Transparent Hugepage）技术创建了一个抽象层，能够自动创建、管理和使用传统大页，实现发挥大页优势同时也规避以上弊端。当前主流的Linux版本都默认支持。KVM中可以在Host和Guest中同时使用THB技术。

3.3 内存超分Over-Commit

由于Guest使用内存时采用瘦分配按需增加的模式，KVM支持内存超分（Over-Commit）使得分配给Guest的内存总量大于实际物理内存总量，从系统访问性能与稳定性考虑，在生产环境中一般不建议使用内存超分。内存超分有三种实现方式：

1） 内存交换（Swapping）：当系统内存不够用时，把部分长时间未操作的内存交换到磁盘上配置的Swap分区，等相关程序需要运行时再恢复到内存中。

2） 气球（Ballooning）：通过virtio_balloon驱动实现动态调整Guest与Host的可用内存空间。气球中的内存是Host可使用，Guest不能使用。当Host内存不足时，可以使气球膨胀，从而回收部分已分配给Guest的内存。当Guest内存不足时可请求压缩气球，从Host申请更多内存使用。

3） 页共享（Page Sharing）：通过KSM（Kernel Samepage Merging）让内核扫描正在运行进程的内存。如果发现完全相同的内存页就会合并为单一内存页，并标志位写时复制COW（Copy On Write）。如果有进程尝试修改该内存页，将复制一个新的内存页供其使用。KVM中QEMU通过madvise系统调用告知内核那些内存可以合并，通过配置开关控制是否企业KSM功能​。​Guest就是QEMU进程，如果多个Guest运行相同OS或应用，且不常更新，使用KSM能大幅提升内存使用效率与性能。当然扫描和对比内存需要消耗CPU资源对性能会有一定影响。

4. IO设备虚拟化

4.1 IO设备虚拟化概述

在虚拟化环境中，Guest的IO操作需要经过特殊处理才能在底层IO设备上执行。如表1，KVM支持5种IO虚拟化技术。

表1：虚拟化环境IO处理方式对比

4.2 设备模拟与virtio驱动

如图7，全虚拟化的设备模拟与半虚拟化的virtio驱动都是通过软件实现IO虚拟化。

设备模拟

KVM中通过QEMU来模拟网卡或磁盘设备。Guest发起IO操作时被KVM的内核捕获，处理后发送到IO共享页并通知QEMU；QEMU获取IO交给硬件模拟代码模拟IO操作，并发送IO请求到底层硬件处理，处理结果返回到IO共享页；然后通知IO捕获代码，读取结果并返回到Guest中。

Virtio驱动

在Guest中部署virtio前端驱动，如virtio-net、virtio-blk、virtio_pci、virtio_balloon、virtio_scsi、virtio_console等，然后在QEMU中部署对应的后端驱动，前后端之间定义了虚拟环形缓冲区队列virtio-ring，用于保存IO请求与执行信息。Guest的IO从前端驱动发送到virtio-ring，然后后端驱动或去IO并转发到底层设备处理，处理完后返回结果。目前主流的Linux与windows都支持virtio，以获得更好的IO性能。

图7：基于软件的IO虚拟化

vhost-net与vhost-user

virtio中后端驱动由用户空间的QEMU提供，但网络协议栈处于内核中，如果通过内核空间来处理网络IO，可以减少了网络IO处理过程中的多次上下文切换，从而提高网络吞吐量与性能。所以，新的内核中提供vhost-net驱动，使前端网络驱动virtio-net的后端处理任务从用户态的QEMU改到Host内核空间执行。

大规模云计算环境中会使用OVS（Open vSwitch）或SDN方案，而进程运行在用户态，如果继续用使用内核态的vhost-net，依然存在大量用户态与内核态的切换，所以引入了vhost-user（内核态vhost功能在用户态实现）。vhost-user定义了Master（QEMU进程）和slave（OVS进程）作为通信两端，Master与slave之间控制面通过共享的虚拟队列virtqueure交换控制逻辑，数据面通过共享内存交换信息。结合vhost-user、vSwitch与DPDK可以在用户态完成网络数据包交换处理，从而大幅提升了网络虚拟化性能。

4.3 设备直通与共享

通过软件方式实现IO虚拟化存在一定系统开销与性能损耗，所以Intel推出了硬件辅助虚拟化技术（AMD-V类似）。

表2：Intel 硬件辅助虚拟化技术

设备直通PCI Pass-through

基于硬件辅助虚拟化技术，KVM支持将Host的PCI/PCI-E物理设备（如网卡、磁盘、USB、显卡、GPU等）直接分配给Guest使用。Guest的对该设备的IO操作与物理设备一样，不经过QEMU/KVM处理。直通设备不能共享给多个Guest使用，且不能随Guest进行动态迁移，需要通过热插拔或libvirt工具来解决。

设备共享SR-IOV

为了实现多个Guest可以共享同一个物理设备，PCI-SIG发布了SR-IOV（Single Root-IO Virtualization）标准，让一个物理设备支持多个虚拟功能接口，可以独立分配给不同的Guest使用。SR-IOV定义了两个功能：

1） 物理功能PF（Physical Function）：拥有物理PCI-e设备的完整功能，可独立使用；以及SR-IOV扩展能力，可配置管理VF。

2） 虚拟功能VF（Virtual Function）：由PF衍生的轻量级PCI-e功能，包括数据传送的必要资源。不同的VF可以分配给不同的Guest，SR-IOV为Guest独立使用VF提供了独立的内存、中断与DMA流，数据传输过程无需VMM介入。

DPDK/SPDK

为了更好地提升虚拟化网络或磁盘IO性能，Intel等公司推出了数据平面开发工具集DPDK（Data Plance Development Kit）与存储性能开发工具集SPDK（Storage Performace Development Kit）。DPDK、vhost-user、OVS结合使用，可跳过Linux内核，直接在用户态完成网络数据包交换处理。SPDK通过环境抽象层EAL与UIO将存储驱动放在用户态处理，同时通过PMD轮询机制代替传统中断模式来处理IO。DPDK与SPDK大幅缩短了IO处理路径与系统开销， IO性能提升非常明显。DPDK与SPDK详情参考云网络介绍与云存储介绍部分。

4.4 其他IO设备特性

图像与声音

QEMU中对Guest的图像显示默认使用SDL（Simple DirectMedia Layer）实现。SDL是一个基于C语言的、跨平台的，开源的多媒体程序库，提供了简单的接口用于操作硬件平台的图形显示、声音、输入设备等，广泛应用于各种操作系统。同时在虚拟化环境中也广泛使用虚拟网络控制台VNC（Virtual Network Computing），采用RFB（Remote Frame Buffer）协议将客户端（浏览器或VNC Viewer）的键盘与鼠标输入传递到远程服务端VNC Server中，并返回输出结果。VNC不依赖操作系统，在VNC窗口断开后，已发出操作仍然会在服务端继续执行。由于VNC是GPL授权，衍生出多个版本RealVNC、TightVNC与UltraVNC，其对比如表3。

表3：VNC版本对比

热插拔Hot Plugging

热插拔就是在服务器运行时插上或拔出硬件，以保障服务器的扩展性与灵活性。热插拔需要总线电气特性、主板BIOS、操作系统以及设备驱动的支持。目前支服务器持硬盘、CPU、内存、网卡、USB设备与风扇等部件热插拔。在KVM中在Guest不关机情况下支持PCI设备（如模拟、半虚拟化或直通的网卡、硬盘、USB设备）。CPU和内存热插拔硬件平台和OS层面的限制还比较多。

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参考书籍：《KVM实战原理、进阶与性能调优》，任永杰、程舟著。

参考KVM - 随笔分类 - SammyLiu - 博客园

KVM - 随笔分类 - SammyLiu - 博客园