虚拟化技术-KVM详解

一、 KVM概述

1.1 KVM 即 Kernel-based Virtual Machine 基于内核的虚拟机。
KVM，是一个开源的系统虚拟化模块，自 Linux 2.6.20 之后集成在 Linux 的各个主要发行版本中。它使用 Linux 自身的调度器进行管理，所以相对于Xen，其核心源码很少。KVM 目前已成为学术界的主流 VMM(虚拟机监控器)之一。KVM 的虚拟化需要硬件支持（如 Intel VT 技术戒者 AMD V 技术)。是基于硬件的完全虚拟化。而 Xen 早期则是基于软件模拟的 Para-Virtualization。

1.2 虚拟化技术

例如很常见的VMWare、VirtualBox、Citrix Xen、kvm等。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。还有服务器虚拟化。包括全虚拟化(Full-Virtulization)：
无需修改操作系统，VM ESXi、Linux KVM
• 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
• 操作系统层虚拟化
开发、测试环境，VM Workstation、VM Server
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

1.3构成
KVM： 是指基于 Linux 内核的虚拟机(Kernel-based Virtual Machine)。是第一个整合到 Linux内核的虚拟化技术。在 KVM 模型中，每一个虚拟机都是一个由 Linux 调度程序管理的标准进程，你可以在用户空间启动客户机操作系统。
一个普通的 Linux 进程有两种运行模式：内核和用户。 KVM 增加了第三种模式：客户模式(有自己的内核和用户模式)
XEN ：需要升级内核，只能支持和物理机系统一样的操作系统。 xen 虚拟上，可以运行 windows ？
KVM： 支持 linux 以外的其它系统。比如:windows
QEMU：是一套由 Fabrice Bellard 所编写的以 GPL 许可证分发源码的模拟处理器，在 GNU/Linux平台上使用广泛。QEMU 具有高速度和跨平台的特性，QEMU 能模拟至接近真实电脑的速度。
QEMU 能模拟整个电脑系统，包括中央处理器及其他周边设备。
QEMU 和 vmware 一样都是支持仿真虚拟化，效率比较低。

二、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
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，为指令访问硬件控制器和外设充当中介。
2、半虚拟化：需要修改操作系统
3、直通：直接使用物理硬件资源（需要支持，还不完善)

三 虚拟化的优缺点
特性：
优势
① 集中化管理（远程管理、维护）
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）
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）
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）

缺点
① 前期高额费用（初期的硬件支持）
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）
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）

四 KVM架构及原理：

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，处理从客户模式的退出，KVM即运行在此模式下

五 KVM实际应用：
Vmware workstation、virtualbox等，是模拟硬件资源/设备

六 KVM工作流程
用户模式的 Qemu 利用接口 libkvm 通过 ioctl 系统调用进入内核模式。 KVM驱动为虚拟机创建虚拟 CPU 和虚拟内存，
然后执行 VMLAU·NCH 指令进入客户模式，装载 Guest OS 并运行。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。
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