KVM基本原理

最新推荐文章于 2023-08-18 19:42:26 发布

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一、 KVM介绍

1. KVM简介

KVM 全称是 基于内核的虚拟机（Kernel-based Virtual Machine），它是一个 Linux 的一个内核模块，该内核模块使得 Linux 变成了一个 Hypervisor。
KVM最初是由以色列的公司Qumranet（//kju'ma,net//）开发的。KVM在2007年2月被正式合并到Linux 2.6.20核心中，成为内核源代码的一部分。
KVM必须在具备Intel VT或AMD-V功能的X86平台上运行。

- 它由 Quramnet 开发，该公司于 2008 年被 Red Hat 收购。
- 它支持 x86 (32 and 64 位), s390, Powerpc 等 CPU。
- 它从 Linux 2.6.20 起就作为一模块被包含在 Linux 内核中。
- 它需要支持虚拟化扩展的 CPU。
- 它是完全开源的。[官网](http://www.linux-kvm.org/page/Main_Page)。

2. KVM的优势

开源

	KVM是一个开源项目，这就决定了KVM一直是开放的姿态，许多虚拟化的新技术都是首先在KVM上应用，再到其他虚拟化引擎上推广。
	KVM背靠Linux这棵大树，和Linux系统紧密结合，在Linux上的新技术都可以马上应用到KVM上。围绕KVM的是一个开源的生态链，从底层的Linux系统，到中间层的Libvirt管理工具，到云管理平台OpenStack，莫不是如此。

性能

	KVM吸引许多人使用的一个动因就是性能，在同样的硬件条件下，能提供更好的虚拟机性能，主要是因为KVM架构简单，代码只有2万行，一开始就支持硬件虚拟化，这些技术特点保证了KVM的性能。

免费

	KVM因为是开源项目，绝大部分KVM的解决方案都是免费方案，随着KVM的发展， KVM虚拟机越来越稳定，兼容性也越来越好，因而也就得到越来越多的应用。

广泛免费的技术支持

	免费并不意味着KVM没有技术支持。在KVM的开源社区，数量巨大的KVM技术支持者都可以提供KVM技术支持。另外，如果需要商业级支持，也可以购买红帽公司的服务.

3. KVM与常用企业级虚拟化产品的PK

目前常见的企业级的虚拟化产品有4款：分别是VMware、HyperV、Xen、KVM。

二、虚拟化技术演变过程

虚拟化技术的演变过程可以分为软件模拟、虚拟化层翻译、容器虚拟化三个大的阶段。
其中，虚拟化层翻译又可以分为：

基于二进制翻译的全虚拟化，即软件全虚拟化。
改造虚拟机系统内核加虚拟化层翻译，即半虚拟化（超虚拟化或者操作系统辅助虚拟化）。
硬件支持的虚拟化层翻译，即硬件辅助的全虚拟化。

1. 软件模拟的技术方式

软件模拟是通过软件完全模拟CPU、芯片组、磁盘、网卡等计算机硬件，如下图所示。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-XhEyEDm0-1622158530876)(images/QEMU虚拟架构.png)]

2. CPU运行级别

X86平台指令集划分为4个特权模式(环ring[rɪŋ])：Ring0、Ring1、Ring2、Ring3，操作系统一般使用Ring0级别，应用程序使用Ring3级别，驱动程序使用Ring1和Ring2级别。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-TpPtDsec-1622158530879)(images/X86cpu指令级别.png)]

虚机怎么通过 VMM 实现 Guest CPU （客户[ɡest]CPU）对硬件的访问，根据其原理不同有三种实现技术：
软件全虚拟化
半虚拟化

硬件辅助的全虚拟化

三、虚拟化架构分类

1. 寄居架构

 	寄居架构 （Hosted Architecture [ˈɑːrkɪtektʃər] 建筑） 就是在操作系统之上安装和运行虚拟化程序，依赖于主机操作系统对设备的支持和物理资源的管理。

2. 裸金属架构

	裸金属架构 (“Bare [ber]  Metal [ˈmetl] ” Architecture) 就是直接在硬件上面安装虚拟化软件，再在其上安装操作系统和应用，依赖虚拟层内核和服务器控制台进行管理。 代表产品：xen server 、 VMware ESXi、RHEV（Red Hat Enterprise[ˈentərpraɪz] virtualization ）

四、 KVM的功能列表

KVM 所支持的功能包括：

1.支持CPU 和 memory 超分（Overcommit [ˈoʊvər kəˈmɪt] 过度承诺）
2.支持半虚拟化I/O （virtio）
3.支持热插拔 （cpu，块设备、网络设备等）
4.支持对称多处理（Symmetric Multi-Processing，缩写为 SMP，指在一个计算机上汇集了一组处理器(多CPU)，所有的CPU共享全部资源，如总线，内存和I/O系统等，操作系统或管理数据库的复本只有一个，这种系统有一个最大的特点就是共享所有资源。多个CPU之间没有区别，平等地访问内存、外设、一个操作系统。SMP 服务器的主要问题，那就是它的扩展能力非常有限。实验证明， SMP 服务器 CPU 利用率最好的情况是 2 至 4 个 CPU 。
5.支持实时迁移（Live Migration）
6.支持 PCI 设备直接分配和 单根I/O 虚拟化 （Single Root I/O Virtualization（SR-IOV） 允许Windows操作系统和微软的Hyper-V或VMware的ESXi等hypervisor对服务器的磁盘I/O设备，如现在SR-IOV对网卡设备一样进行封装，管理甚至共享。 ）
7.支持 内核同页合并 （KSM ）（ 简单说，就是把相同的内存合并，这样可以让物理机跑更多的虚拟机。 ）
8.支持 NUMA （Non-Uniform Memory Access，非一致存储访问结构， 一种计算机体系结构技术，它由多个 SMP 服务器通过一定的节点互联网络进行连接，协同工作，完成相同的任务，从用户的角度来看是一个服务器系统。其基本特征是由多个 SMP 服务器 ( 每个 SMP 服务器称节点 ) 通过节点互联网络连接而成，每个节点只访问自己的本地资源 ( 内存、存储等 ) ，是一种完全无共享 (Share Nothing) 结构。）

五、 KVM 工具集合

KVM主要工具：

1.libvirt：操作和管理KVM虚机的虚拟化 API，使用 C 语言编写，可以由 Python,Ruby, Perl, PHP, Java 等语言调用。可以操作包括 KVM，VMware，XEN，Hyper-v, LXC 等 Hypervisor。
2.Virsh：基于 libvirt 的 命令行工具 （CLI）
3.Virt-Manager：基于 libvirt 的 GUI 工具
4.virt-v2v：虚机格式迁移工具
5.virt-* 工具：包括 Virt-install （创建KVM虚机的命令行工具）， Virt-viewer - - （连接到虚机屏幕的工具），Virt-clone（虚机克隆工具），virt-top 等
6.sVirt：安全工具和selinux相关