虚拟化技术（ KVM ）

一、虚拟化技术概述

学习目标

• 能够了解虚拟化技术分类方法

• 能够了解虚拟化技术实现目的

• 能够了解虚拟化产品有哪些

• 能够了解QEMU功能

• 能够掌握KVM功能

• 能够掌握libvirt功能

1.虚拟化技术即是对资源的抽象

2.从资源提供角度分类

2.1 平台虚拟化

如果把X86、ARM架构平台的CPU ，内存和外设做为资源，那对应的虚拟化技术就是平台虚拟化 ，在同一个X86平台上面，可以虚拟多个X86平台，每个平台可以运行自己独立完整的操作系统。

例如： QEMU,KVM,XEN Server,EXSi ，Hyper-V等所管理的虚拟机

2.2 操作系统虚拟化

如果把操作系统及其提供的系统调用作为资源，那虚拟化就表现为操作系统虚拟化，例如Linux容器虚拟化技术就是在同一个Linux操作系统之上，虚拟出多个同样的操作系统，每个应用程序认为自己运行在一个独立的OS。

例如： LXC或Docker等所管理的容器

3.从虚拟化实现方式分类

3.1 虚拟化管理程序 Hypervisor（ VMM ）

一种运行在物理机和虚拟机操作系统之间的中间软件层 ，可以允许多个操作系统和应用共享硬件，即虚拟机监视器， 也可称之为VMM。

Hypervisor是一种在虚拟环境中的“元”操作系统。他们可以访问服务器上包括磁盘和内存在内的所有物理设备。

Hypervisor不但协调着这些硬件资源的访问，而且在各个虚拟机之间施加防护。当服务器启动并执行Hypervisor 时，它会加载所有虚拟机客户端的操作系统同时会分配给每一台虚拟机适量的内存， CPU ，网络和磁盘。

如下图所示：

3.1.1 Hypervisor作用

Hypervisor是所有虚拟化技术的核心。 非中断地支持多工作负载迁移的能力是Hypervisor的基本功能。

3.1.2 Hypervisors分类

目前市场上各种x86 管理程序(hypervisor)的架构存在差异，三个最主要的架构类别包括：

I型 ：虚拟机直接运行在系统硬件上，创建硬件全仿真实例，被称为 “裸机”型。 裸机型在虚拟化中Hypervisor直接管理调用硬件资源，不需要底层操作系统，也可以将Hypervisor看作一个很薄的操作系统。这种方案的性能处于主机虚拟化与操作系统虚拟化之间。

II型 ：虚拟机运行在传统操作系统(HOST OS)上，同样创建的是硬件全仿真实例，被称为“托管（宿主） ”型。托管型/ 主机型Hypervisor运行在基础操作系统上，构建出一整套虚拟硬件平台（CPU/Memory/Storage/Adapter），使用者根据需要安装新的操作系统和应用软件，底层和上层的操作系统可以完全无关化，如Windows运行Linux操作系统。主机虚拟化中VM的应用程序调用硬件资源时需要经过:VM内核->Hypervisor->主机内核，因此相对来说，性能是三种虚拟化技术中最差的。

Ⅲ型 ：虚拟机运行在传统操作系统上，创建一个独立的虚拟化实例（容器），指向底层托管操作系统，被称为“操作系统虚拟化”。操作系统虚拟化是在操作系统中模拟出运行应用程序的容器，所有虚拟机共享内核空间，性能最好， 耗费资源最少。但是缺点是底层和上层必须使用同一种操作系统。

3.2 Hypervisor type 1:半虚拟化（ Para-virtualization ）

对客户操作系统（ VM ）的内核进行修改，将运行在Ring 0上的指令转为调用Hypervisor ，例如：XEN

3.3 Hypervisor type 2:硬件辅助全虚拟化（ Hardware-Assisted Full Virtualzation ）

3.3.1)对CUP指令集进行改造，例如： Inter VT-x / AMD-V

3.3.2)客户操作系统可以直接使用Ring 0而无需要修改，例如： KVM

3.4 Hypervisor type 3:软件全虚拟化

所谓的软件全虚拟化，即非硬件辅助全虚拟化，模拟CPU让VM使用，效率低，例如： QEMU

3.5 操作系统虚拟化（ Hypervisor type 3 ）

称为轻量级虚拟化，允许操作系统内核拥有彼此隔离和分割的多用户空间实例（ instance），这些实例也被称之为容器。其是基于Linux内核中的namespace,cgroup实现。

例如： LXC,Docker

总结：

• typeI 半虚拟化

• typeII 硬件辅助全虚拟化

• typeIII 软件全虚拟化或者叫操作系统虚拟化

3.6 虚拟机与容器对比

3.7 Hypervisor管理工具的对比

3.8 QEMU

软件模拟虚拟化、可以模拟多种硬件，包括X86架构处理器、 AMD64架构处理器、 ARM、SPARC 与 PowerPC ，AIX 架构等。效率低， 一般用于研究测试场景。

此处使用QEMU的主要目的是为了方便管理KVM虚拟机镜像文件

注：

QEMU由Fabrice Bellard编写的模拟处理器的自由软件，它是一个完整的可以单独运行的软件，可以独立模拟出整台计算机，包括CPU ，内存，IO设备，通过一个特殊的“重编译器”对特定的处理器的二进制代码进行翻译，从而具有了 跨平台的通用性。 QEMU有两种工作模式：系统模式，可以模拟出整个电脑系统，另一种是用户模式，可以运行不同 与当前硬件平台的其他平台上的程序（比如在x86平台上运行跑在ARM平台上的程序）；其代码地址 http://git.qemu.org/qemu.git ，1.0以后版本就只能使用qemu-kvm（只支持Linux）进行加速了， 1.3版本后QEMU和QEMU-KVM合二为一了。

3.9 KVM

KVM kernel-based virtual machine 基于内核的虚拟机模块

是x86架构下硬件辅助的全虚拟化的首选解决方案

KVM 需要经过修改的QEMU软件（ qemu-kvm ）来实现虚拟机的管理

KVM就是内核的一个模块，用户空间通过QEMU模拟硬件提供给虚拟机使用， 一台虚拟机就是一个普通的Linux进程，虚拟机中的VCPU就是该进程中的线程。

注：

不同的基于KVM的虚拟化平台，可能会采用不同的虚拟化组件，目前主流的采用QEMU-KVM组件，但在不同的产品 里版本有所不同，功能也有差异。

KVM通过调用Linux本身内核功能，实现对CPU的底层虚拟化和内存的虚拟化，使Linux内核成为虚拟化层，需要x86 架构支持虚拟化功能的硬件支持（比如Intel-VT ，AMD-V），是一种全虚拟化架构。

KVM在2007年2月被导入Linux 2.6.20内核中。

从存在形式来看，它包括两个内核模块： kvm.ko 和 kvm_intel.ko（或kvm_amd.ko ），本质上，KVM是管理虚拟硬 件设备的驱动，该驱动使用字符设备/dev/kvm（由KVM本身创建）作为管理接口，主要负责vCPU的创建，虚拟内存 的分配，vCPU寄存器的读写以及vCPU的运行。

KVM是linux内核的模块，它需要CPU的支持，采用硬件辅助虚拟化技术Intel-VT ，AMD-V ，内存的相关如Intel的EPT 和AMD的RVI技术， Guest OS的CPU指令不用再经过Qemu转译，直接运行，大大提高了速度， KVM通过/dev/kvm 暴露接口，用户态程序可以通过ioctl函数来访问这个接口。

总结：

• 是基于内核的虚拟机

• 是内核模块

• 做为驱动出现

• 在硬件辅助全虚拟化下虚拟出CPU,MEM . 暴露接口/dev/kvm

3.10 QEMU-KVM

从前面对KVM内核模块的介绍知道，它只负责CPU和内存的虚拟化，加载了它以后，用户就可以进一步通过工具创建虚拟机（ KVM提供接口），但仅有KVM还是不够的，用户无法直接控制内核去做事情（ KVM只提供接口，怎么创建虚拟机，分配vCPU等并不在它上面进行），还必须有个运行在用户空间的工具才行， KVM的开发者选择了比较成熟 的开源虚拟化软件QEMU来作为这个工具，并对其进行了修改，最后形成了QEMU-KVM。

在QEMU-KVM中， KVM运行在内核空间， QEMU运行在用户空间，实际模拟创建，管理各种虚拟硬件， QEMU将KVM整合了进来，通过/ioctl 调用/dev/kvm ，从而将CPU指令的部分交给内核模块来做， KVM实现了CPU和内存的虚拟化，但kvm不能虚拟其他硬件设备，因此qemu还有模拟IO设备（磁盘，网卡，显卡等）的作用， KVM加上QEMU后就是完整意义上的服务器虚拟化。当然，由于qemu模拟io设备效率不高的原因，现在常常采用半虚拟化的 virtio方式来虚拟IO设备。

QEMU-KVM作用：

1.提供对cpu ，内存（ KVM负责）， IO设备（ QEMU负责）的虚拟

2.对各种虚拟设备的创建，调 用进行管理（ QEMU负责）

3.11 libvirt

libvirt是一套免费、开源的支持Linux下主流虚拟化管理程序的C函数库，其旨在为包括KVM在内的各种虚拟化管理程序提供一套方便、可靠的编程接口。

当前主流Linux平台上默认的虚拟化管理工具virt-manager,virsh等都是基于libvirt开发。

注：

一个针对各种虚拟化平台的虚拟机管理的API库，一些常用的虚拟机管理工具如virsh（类似vim编辑器）， virt-install ，virt-manager等和云计算框架平台（如OpenStack ，OpenNebula ，Eucalyptus等）都在底层使用libvirt提供的应用程序接口。 libvirt主要由三个部分组成： API库，一个守护进程 libvirtd 和一个默认命令行管理工具 virsh。

QEMU,KVM,Libvirt三者关系总结：

QEMU是一个独立的虚拟化解决方案，并不依赖KVM （它本身自己可以做CPU和内存的模拟，只不过效率较低），而 KVM是另一套虚拟化解决方案，对CPU进行虚拟效率较高（采用了硬件辅助虚拟化），但本身不提供其他设备的虚拟化，借用了QEMU的代码进行了定制，所以KVM方案一定要依赖QEMU 即使后来RedHat后来开发了libvirt ，也只能 简单的认为是个虚拟机管理工具，仍然需要通过用户空间QEMU来与KVM进行交互。