《KVM实战：原理、进阶与性能调优》一1.3　KVM简介

       1.3　KVM简介

        1.3.1　KVM的历史

       KVM全称是Kernel-based Virtual Machine，即基于内核的虚拟机，是采用硬件虚拟化技术的全虚拟化解决方案。
       KVM最初是由Qumranet公司的Avi Kivity开发的，作为他们的VDI产品的后台虚拟化解决方案。为了简化开发，Avi Kivity并没有选择从底层开始新写一个Hypervisor，而是选择了基于Linux kernel，通过加载模块使Linux kernel本身变成一个Hypervisor。2006年10月，在先后完成了基本功能、动态迁移以及主要的性能优化之后，Qumranet正式对外宣布了KVM的诞生。同月，KVM模块的源代码被正式纳入Linux kernel，成为内核源代码的一部分。作为一个功能和成熟度都逊于Xen的项目，在这么快的时间内被内核社区接纳，主要原因在于：
       1）在虚拟化方兴未艾的当时，内核社区急于将虚拟化的支持包含在内，但是Xen取代内核由自身管理系统资源的架构引起了内核开发人员的不满和抵触。
       2）Xen诞生于硬件虚拟化技术出现之前，所以它在设计上采用了半虚拟化的方式，这让Xen采用硬件虚拟化技术有了更多的历史包袱，不如KVM新兵上阵一身轻。
       2008年9月4日，Redhat公司以1.07亿美元收购了Qumranet公司，包括它的KVM开源项目和开发人员。自此，Redhat开始在其RHEL发行版中集成KVM，逐步取代Xen，并从RHEL7开始，正式不支持Xen。

       1.3.2　KVM的功能概览

       KVM从诞生开始就定位于基于硬件虚拟化支持的全虚拟化实现。它以内核模块的形式加载之后，就将Linux内核变成了一个Hypervisor，但硬件管理等还是通过Linux kernel来完成的，所以它是一个典型的Type 2 Hypervisor，如图1-7所示。

       一个KVM客户机对应于一个Linux进程，每个vCPU则是这个进程下的一个线程，还有单独的处理IO的线程，也在一个线程组内。所以，宿主机上各个客户机是由宿主机内核像调度普通进程一样调度的，即可以通过Linux的各种进程调度的手段来实现不同客户机的权限限定、优先级等功能。
       客户机所看到的硬件设备是QEMU模拟出来的（不包括VT-d透传的设备，详见6.2节），当客户机对模拟设备进行操作时，由QEMU截获并转换为对实际的物理设备（可能设置都不实际物理地存在）的驱动操作来完成。

       下面介绍一些KVM的功能特性。

       1.内存管理
       KVM依赖Linux内核进行内存管理。上面提到，一个KVM客户机就是一个普通的Linux进程，所以，客户机的“物理内存”就是宿主机内核管理的普通进程的虚拟内存。进而，Linux内存管理的机制，如大页、KSM（Kernel Same Page Merge，内核的同页合并）、NUMA（Non-Uniform Memory Arch，非一致性内存架构）、通过mmap的进程间共享内存，统统可以应用到客户机内存管理上。
       早期时候，客户机自身内存访问落实到真实的宿主机的物理内存的机制叫影子页表（Shadow Page Table）。KVM Hypervisor为每个客户机准备一份影子页表，与客户机自身页表建立一一对应的关系。客户机自身页表描述的是GVA→GPA的映射关系；影子页表描述的是GPA→HPA的映射关系。当客户机操作自身页表的时候，KVM就相应地更新影子页表。比如，当客户机第一次访问某个物理页的时候，由于Linux给进程的内存通常都是拖延到最后要访问的一刻才实际分配的，所以，此时影子页表中这个页表项是空的，KVM Hypervisor会像处理通常的缺页异常那样，把这个物理页补上，再返回客户机执行的上下文中，由客户机继续完成它的缺页异常。
       影子页表的机制是比较拗口，执行的代价也是比较大的。所以，后来，这种靠软件的GVA→GPA→HVA→HPA的转换被硬件逻辑取代了，大大提高了执行效率。这就是Intel的EPT或者AMD的NPT技术，两家的方法类似，都是通过一组可以被硬件识别的数据结构，不用KVM建立并维护额外的影子页表，由硬件自动算出GPA→HPA。现在的KVM默认都打开了EPT/NPT功能。
       2.存储和客户机镜像的格式
       严格来说，这是QEMU的功能特性。
       KVM能够使用Linux支持的任何存储来存储虚拟机镜像，包括具有IDE、SCSI和 SATA的本地磁盘，网络附加存储（NAS）（包括NFS和SAMBA/CIFS），或者支持iSCSI和光线通道的SAN。多路径I/O可用于改进存储吞吐量和提供冗余。
       由于KVM是Linux内核的一部分，它可以利用所有领先存储供应商都支持的一种成熟且可靠的存储基础架构，它的存储堆栈在生产部署方面具有良好的记录。
       KVM还支持全局文件系统（GFS2）等共享文件系统上的虚拟机镜像，以允许客户机镜像在多个宿主机之间共享或使用逻辑卷共享。磁盘镜像支持稀疏文件形式，支持通过仅在虚拟机需要时分配存储空间，而不是提前分配整个存储空间，这就提高了存储利用率。KVM 的原生磁盘格式为QCOW2，它支持快照，允许多级快照、压缩和加密。
       3.实时迁移
       KVM支持实时迁移，这提供了在宿主机之间转移正在运行的客户机而不中断服务的能力。实时迁移对用户是透明的，客户机保持打开，网络连接保持活动，用户应用程序也持续运行，但客户机转移到了一个新的宿主机上。
除了实时迁移，KVM支持将客户机的当前状态（快照，snapshot）保存到磁盘，以允许存储并在以后恢复它。
       4.设备驱动程序
       KVM支持混合虚拟化，其中半虚拟化的驱动程序安装在客户机操作系统中，允许虚拟机使用优化的 I/O 接口而不使用模拟的设备，从而为网络和块设备提供高性能的 I/O。
       KVM 使用的半虚拟化的驱动程序是IBM和Redhat联合Linux社区开发的VirtIO标准；它是一个与Hypervisor独立的、构建设备驱动程序的接口，允许多种Hypervisor使用一组相同的设备驱动程序，能够实现更好的对客户机的互操作性。
       同时，KVM也支持Intel的VT-d 技术，通过将宿主机的PCI总线上的设备透传（pass-through）给客户机，让客户机可以直接使用原生的驱动程序高效地使用这些设备。这种使用是几乎不需要Hypervisor的介入的。
       5.性能和可伸缩性
       KVM也继承了Linux的性能和可伸缩性。KVM在CPU、内存、网络、磁盘等虚拟化性能上表现出色，大多都在原生系统的95%以上。KVM的伸缩性也非常好，支持拥有多达288个vCPU和4TB RAM的客户机，对于宿主机上可以同时运行的客户机数量，软件上无上限。
       这意味着，任何要求非常苛刻的应用程序工作负载都可以运行在KVM虚拟机上。