KVM 虚拟化 介绍

一：虚拟化概述

1：虚拟化的定义

• 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
• CPU的虚拟化技术可以将单CPU模拟多CPU并行，允许一个平台同时运行多个操作系统，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

2：虚拟化的特性

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

3：虚拟化的发展历程

1. 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
2. 1972年，IBM 正式将system370机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，也就是逻辑分割)
4. 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

4：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)

5：虚拟化的特点

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)

劣势

• 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)

6：虚拟化开启前后对比

开启前

• ①每台主机拥有一个操作系统
• ②软硬件紧密结合
• ③在同一个主机上运行多个应用程序通常会产生冲突
• ④系统资源利用率低(例如:5%)
• ⑤硬件成本高昂并且不够灵活

开启后

• ①打破了操作系统和硬件的互相依赖
• ②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
• ③强大的安全和故障隔离
• ④虚拟机时独立于硬件的,它们可以在任何硬件上运行

二：KVM 概述

1：KVM 的定义

• (1)）KVM (Kernel-based Vritual Machine)-基于内核的虚拟机
• (2)）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Inte-VT-x或AMD-V)
• (3)）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
• (4）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
• (5）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/devlkvm(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

2：KVM 虚拟化架构/3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lO，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：KVM 工作原理

• 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 0S 并运行。Guest OS运行过程中如果发生异常，则暂停Guest 0S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O则处理完成后重新进入客户模式。如果需要IO则进入到用户模式，则由Qemu来处理IO，处理完成后进入内核模式，再进入客户模式