本文详细介绍了OpenStack Nova如何使用libvirt管理KVM虚机，涵盖了虚机创建、生命周期管理、网络接口及Cinder卷的添加与删除等关键流程。深入解析了域配置XML的生成与解析，以及不同场景下如从image或bootable volume启动的配置差异。
学习 KVM 的系列文章：
- （1）介绍和安装
- （2）CPU 和 内存虚拟化
- （3）I/O QEMU 全虚拟化和准虚拟化（Para-virtulizaiton）
- （4）I/O PCI/PCIe设备直接分配和 SR-IOV
- （5）libvirt 介绍
- （6）Nova 通过 libvirt 管理 QEMU/KVM 虚机
- （7）快照 （snapshot）
- （8）迁移 （migration）
1. Libvirt 在 OpenStack 架构中的位置
在 Nova Compute 节点上运行的 nova-compute 服务调用 Hypervisor API 去管理运行在该 Hypervisor 的虚机。Nova 使用 libvirt 管理 QEMU/KVM 虚机，还使用别的 API 去管理别的虚机。
libvirt 的实现代码在 /nova/virt/libvirt/driver.py 文件中。
这里是 OpenStack Hypervisor Matrix。
这里是 每个 Linux 发行版里面 libvirt， QEMU/KVM 的版本号。
请注意Juno 版本 Nova 对 libvirt 和 QEMU 的各种最低版本要求：
| 功能 | 最低 libvirt 版本 | 最低 QEMU 版本 | 不支持的后果 |
| 所有 | 0.9.11 | Nova 不能使用 libvirt driver | |
| 支持 device callback | 1.1.1 | 不支持的话，就无法支持 Detach PCI/SR-IOV 设备 | |
| Live snapshot | 1.3.0 | 1.3.0 | 只能使用 Clod Snapshot |
| 挂载卷时设置卷的 block 大小（Block IO） | 0.10.2 | 不能使用的话，就不能设置卷的特定 block size，只能使用其默认的 block size。 | |
| Block Job Info | 1.1.1 | 不能在线删除卷的快照 （online deletion of volume snapshots） | |
| Discard | 1.0.6 | 1.6.0 | 不支持 image 设置 hw_disk_discard 属性，具体参考 BluePrint |
| NUMA topology | 1.0.4 | 无法获取 node 的 NUMA topology 信息，就无法将虚机的 vCPU 指定到特定的 node CPU 上，会影响虚机的性能 |
2. Nova 中 libvirt 的使用
Nova 使用 libvirt 来管理虚机，包括：
- 创建虚机
- 虚机的生命周期管理（参考这篇文档）
- 添加和删除连接到别的网络的网卡 （interface）
- 添加和删除 Cinder 卷 （volume）
2.1 创建 QEMU/KVM 虚机
创建虚机的配置有几个来源：
- 用户的选项，包括虚机的基本信息，比如 name，flavor，image，network，disk等。
- image 的属性，比如 hw_vif_model，hw_scsi_model 等。完整的供 libvirt API 使用的属性列表 在这里。
- 管理员在 nova.conf 中的配置
（注意：image 的元数据属性的优先级高于 nova.conf 中的配置。只有在没有property的情况下才使用nova.conf中的配置）
创建虚机的过程的几个主要阶段：
（1）消息由 nova-api 路由到某个 nova compute 节点 (API -> Scheduler -> Compute (manager) -> Libvirt Driver)
（2）调用 Neutron REST API 去准备网络。其返回的数据类似：
[VIF({'profile': {}, 'ovs_interfaceid': u'59cfa0b8-2f5c-481a-89a8-7a8711b368a2', 'network': Network({'bridge': 'br-int', 'subnets': [Subnet({'ips': [FixedIP({'meta': {}, 'version': 4, 'type': 'fixed', 'floating_ips': [], 'address': u'10.0.10.14'})], 'version': 4, 'meta': {'dhcp_server': u'10.0.10.11'}, 'dns': [], 'routes': [], 'cidr': u'10.0.10.0/24', 'gateway': IP({'meta': {}, 'version': 4, 'type': 'gateway', 'address': u'10.0.10.1'})})], 'meta': {'injected': False, 'tenant_id': u'74c8ada23a3449f888d9e19b76d13aab'}, 'id': u'a924e87a-826b-4109-bb03-523a8b3f6f9e', 'label': u'demo-net2'}), 'devname': u'tap59cfa0b8-2f', 'vnic_type': u'normal', 'qbh_params': None, 'meta': {}, 'details': {u'port_filter': True, u'ovs_hybrid_plug': True}, 'address': u'fa:16:3e:e0:30:e7', 'active': False, 'type': u'ovs', 'id': u'59cfa0b8-2f5c-481a-89a8-7a8711b368a2', 'qbg_params': None})]
（3）从 image 启动话，nova 会调用 Glane REST API 后者 image metadata 和准备本地启动盘
image metadata：
{u'status': u'active', u'deleted': False, u'container_format': u'bare', u'min_ram': 0, u'updated_at': u'2015-04-26T04:34:40.000000', u'min_disk': 0, u'owner': u'74c8ada23a3449f888d9e19b76d13aab', u'is_public': False, u'deleted_at': None, u'properties': {}, u'size': 13167616, u'name': u'image', u'checksum': u'64d7c1cd2b6f60c92c14662941cb7913', u'created_at': u'2015-04-26T04:34:39.000000', u'disk_format': u'qcow2', u'id': u'bb9318db-5554-4857-a309-268c6653b9ff'}
本地启动盘：
{'disk_bus': 'virtio', 'cdrom_bus': 'ide', 'mapping': {'disk': {'bus': 'virtio', 'boot_index': '1', 'type': 'disk', 'dev': u'vda'}, 'root': {'bus': 'virtio', 'boot_index': '1', 'type': 'disk', 'dev': u'vda'}, 'disk.local': {'bus': 'virtio', 'type': 'disk', 'dev': 'vdb'}, 'disk.swap': {'bus': 'virtio', 'type': 'disk', 'dev': 'vdc'}}}
本地启动盘的文件信息：
root@compute2:/home/s1# qemu-img info /var/lib/nova/instances/02699155-940f-4401-bc01-36220db80639/disk.local
image: /var/lib/nova/instances/02699155-940f-4401-bc01-36220db80639/disk.local
file format: qcow2
virtual size: 1.0G (1073741824 bytes) #由 flavor.ephemeral_disk 指定其 size
disk size: 324K
cluster_size: 65536
backing file: /var/lib/nova/instances/_base/ephemeral_1_default
Format specific information:
compat: 1.1
lazy refcounts: false
root@compute2:/home/s1# qemu-img info /var/lib/nova/instances/02699155-940f-4401-bc01-36220db80639/disk.swap
image: /var/lib/nova/instances/02699155-940f-4401-bc01-36220db80639/disk.swap
file format: qcow2
virtual size: 30M (31457280 bytes) # 由 flavor.swap_disk 指定其size
disk size: 196K
cluster_size: 65536
backing file: /var/lib/nova/instances/_base/swap_30
Format specific information:
compat: 1.1
lazy refcounts: false
（4）根据这些信息，生成 domain xml，然后生成其配置使得它是一个持久性虚机 （调用 libvirt Python DefineXML API）。
一个从 image 启动的 Domain 的配置 XML 实例（蓝色部分是注释说明）：
<domain type="qemu">
<uuid>8352e969-0a25-4abf-978f-d9d0ec4de0cd</uuid>
<name>instance-0000002f</name>
<memory>51200</memory> # guest.memory = flavor.memory_mb * units.Ki 即 50 * 1024 = 51200
<vcpu cpuset="0">1</vcpu> #flavor.vcpus
<metadata>
<nova:instance xmlns:nova="http://openstack.org/xmlns/libvirt/nova/1.0">
<nova:package version="2014.2.2"/>
<nova:name>vm11</nova:name> #input.name
<nova:creationTime>2015-06-09 23:54:04</nova:creationTime>
<nova:flavor name="tiny2"> #input.flavor
<nova:memory>50</nova:memory>
<nova:disk>1</nova:disk>
<nova:swap>30</nova:swap>
<nova:ephemeral>1</nova:ephemeral>
<nova:vcpus>1</nova:vcpus>
</nova:flavor>
<nova:owner>
<nova:user uuid="bcd37e6272184f34993b4d7686ca4479">admin</nova:user>
<nova:project uuid="74c8ada23a3449f888d9e19b76d13aab">admin</nova:project>
</nova:owner>
<nova:root type="image" uuid="bb9318db-5554-4857-a309-268c6653b9ff"/> #input.source
</nova:instance>
</metadata>
<sysinfo type="smbios"> # Nova 中写死的
<system>
<entry name="manufacturer">OpenStack Foundation</entry>
<entry name="product">OpenStack Nova</entry>
<entry name="version">2014.2.2</entry>
<entry name="serial">03bb1a0f-ae04-4765-9f3c-d200a2540675</entry>
<entry name="uuid">8352e969-0a25-4abf-978f-d9d0ec4de0cd</entry>
</system>
</sysinfo>
<os>
<type>hvm</type> #表示 Guest OS 需要 full virtualiaiton 支持
<boot dev="hd"/> #指定启动盘
<smbios mode="sysinfo"/> #去读取 <sysinfo> 的定义
</os>
<features>
<acpi/> # Soft Reboot 需要 ACPI 的支持，否则只能使用 Hard reboot。 https://bugs.launchpad.net/horizon/+bug/1346741
<apic/> # 没 APIC 的话，Windows Guest 会在 Xen 或者 KVM 上崩溃。 https://bugs.launchpad.net/nova/+bug/1086352
</features>
<clock offset="utc"/> #如果Guest OS 是 MS，则是 localtime，否则都是 utc
<cpu mode="host-model" match="exact"> # 对于 KVM，如果 CONF.libvirt.cpu_mode 是 none，mode 则设为 "host-model"。具体可参考 https://wiki.openstack.org/wiki/LibvirtXMLCPUModel
<topology sockets="1" cores="1" threads="1"/> #默认的时候，sockets 数目设为 vcpu 的数目，cores 和 threads 都设为 1. 可以通过设置 image 的 hw_cpu_topology 属性来改变这里的设置，具体请参考 https://blueprints.launchpad.net/nova/+spec/support-libvirt-vcpu-topology 以及 https://wiki.openstack.org/wiki/VirtDriverGuestCPUMemoryPlacement
</cpu>
<devices>
<disk type="file" device="disk"> # 从 image 启动时候的启动盘（flavor.root_disk）
<driver name="qemu" type="qcow2" cache="none"/>
<source file="/var/lib/nova/instances/8352e969-0a25-4abf-978f-d9d0ec4de0cd/disk"/>
<target bus="virtio" dev="vda"/> #对于 KVM，disk 的 bus 为 "virtio"，cdrom 的 bus 为 "ide"，floppy 的 bus 为 "fdc"
</disk>
<disk type="file" device="disk"> #临时分区 (falvor.ephemeral_disk)
<driver name="qemu" type="qcow2" cache="none"/>
<source file="/var/lib/nova/instances/8352e969-0a25-4abf-978f-d9d0ec4de0cd/disk.local"/>
<target bus="virtio" dev="vdb"/>
</disk>
<disk type="file" device="disk"> #swap 分区 (flavor.swap_disk)
<driver name="qemu" type="qcow2" cache="none"/>
<source file="/var/lib/nova/instances/8352e969-0a25-4abf-978f-d9d0ec4de0cd/disk.swap"/>
<target bus="virtio" dev="vdc"/>
</disk>
<interface type="bridge"> # 虚机通过网桥连接到 OVS
<mac address="fa:16:3e:e0:30:e7"/>
<model type="virtio"/> #该 type 可以由 image metadata hw_vif_type 指定。未指定的话，如果配置了 conf.libvirt.use_virtio_for_bridges = true (默认就是 true)的话，QEMU/KVM 会使用 virtio 类型。
<driver name="qemu"/>
<source bridge="qbr59cfa0b8-2f"/> #qbr59cfa0b8-2f 连接虚机的 vNIC tap59cfa0b8-2f 和 qvb59cfa0b8-2f ，而 qvb59cfa0b8-2f 练到 OVS 的 br-int 上。
<target dev="tap59cfa0b8-2f"/>
</interface>
<serial type="file"> 当 CONF.serial_console.enabled = true 时，type 为 "tcp"，使用 config 配置，其 XML 为 <serial type="tcp"> <source host="127.0.0.1" mode="bind" service="10000"/> </serial>；当为 false 时，使用 console.log 文件，type 为 file。
<source path="/var/lib/nova/instances/8352e969-0a25-4abf-978f-d9d0ec4de0cd/console.log"/>
</serial>
<serial type="pty"/> #每个domain都有 type 为 "pty" 的 serial 配置。
<input type="tablet" bus="usb"/> #当 CONF.vnc_enabled = true 或者 CONF.spice.enabled = true 并且 CONF.spice.agent_enabled = false 时添加 tablet，type 和 bus 都是固定的。
<graphics type="vnc" autoport="yes" keymap="en-us" listen="0.0.0.0"/> #如果 CONF.vnc_enabled = true，那么 keymap=CONF.vnc_keymap；listen=CONF.vncserver_listen
<video> #如果 CONF.vnc_enabled 或者 CONF.spice.enabled，则添加该 video 配置
<model type="cirrus"/> #如果 CONF.spice.enabled，则 type 为 qxl；否则为 cirrus。
</video>
<memballoon model="virtio"> #如果 CONF.libvirt.mem_stats_period_seconds >0 则添加 memballoon；对 KVM，model 固定为 "virtio"
<stats period="10"/>
</memballoon>
</devices>
</domain>
从 bootable volume 启动的话，disk 部分为：
<disk type="file" device="disk">
<driver name="qemu" type="qcow2" cache="none"/>
<source file="/var/lib/nova/instances/02699155-940f-4401-bc01-36220db80639/disk.local"/>
<target bus="virtio" dev="vdb"/>
</disk>
<disk type="file" device="disk">
<driver name="qemu" type="qcow2" cache="none"/>
<source file="/var/lib/nova/instances/02699155-940f-4401-bc01-36220db80639/disk.swap"/>
<target bus="virtio" dev="vdc"/>
</disk>
<disk type="block" device="disk">
<driver name="qemu" type="raw" cache="none"/>
<source dev="/dev/disk/by-path/ip-10.0.2.41:3260-iscsi-iqn.2010-10.org.openstack:volume-26446902-5a56-4c79-b839-a8e13a66dc7a-lun-1"/>
<target bus="virtio" dev="vda"/>
<serial>26446902-5a56-4c79-b839-a8e13a66dc7a</serial>
</disk>
（5）. 启动 domain （调用 libvirt Python createWithFlags API）
2.2 添加 volume 到虚机 （nova volume-attach）
（1）使用 volume id 通过 volume driver 找到指定的 volume
（2）调用 volume driver 来建立主机和 Volume 之间的连接
主机信息为：
{'ip': '192.168.1.15', 'host': 'compute2', 'initiator': 'iqn.1993-08.org.debian:01:a9f2b45c24f9'}
建立的 iSCSI 连接信息为：
{u'driver_volume_type': u'iscsi', u'data': {u'access_mode': u'rw', u'target_discovered': False, u'encrypted': False, u'qos_specs': None, u'target_iqn': u'iqn.2010-10.org.openstack:volume-51da0d1f-0a17-4e7f-aeff-27438963348a', u'target_portal': u'10.0.2.41:3260', u'volume_id': u'51da0d1f-0a17-4e7f-aeff-27438963348a', u'target_lun': 1, u'auth_password': u'hXG64qrzEjNt8MDKnERA', u'auth_username': u'fKSAe6vhgyeG88U9kcBV', u'auth_method': u'CHAP'}}
volume 在主机上的磁盘为：
root@compute2:/home/s1# ls /dev/disk/by-path/ -ls
total 0
0 lrwxrwxrwx 1 root root 9 Jun 10 12:18 ip-10.0.2.41:3260-iscsi-iqn.2010-10.org.openstack:volume-51da0d1f-0a17-4e7f-aeff-27438963348a-lun-1 -> ../../sdc
Disk /dev/sdc: 1073 MB, 1073741824 bytes
34 heads, 61 sectors/track, 1011 cylinders, total 2097152 sectors
Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disk identifier: 0x00000000
Disk /dev/sdc doesn't contain a valid partition table
（3）通过 domain name 来找到指定 domain 对象 （通过调用 lookupByName API）
（4）生成 volume 连接的配置 xml，比如：
<disk type="block" device="disk">
<driver name="qemu" type="raw" cache="none"/>
<source dev="/dev/disk/by-path/ip-10.0.2.41:3260-iscsi-iqn.2010-10.org.openstack:volume-51da0d1f-0a17-4e7f-aeff-27438963348a-lun-1"/>
<target bus="virtio" dev="vdd"/>
<serial>51da0d1f-0a17-4e7f-aeff-27438963348a</serial>
</disk>
（5）调用 attachDeviceFlags API 将 volume 挂载到该虚机
2.3 添加连接到新的网络的 interface 给虚机 （nova interface-attach）
（1）运行 nova interface-attach，传入 network-id，Neutron 会分配如下network info 给 Nova
VIF({'profile': {}, 'ovs_interfaceid': u'0142efee-7382-43ef-96e8-d0084ecc893c', 'network': Network({'bridge': u'br-int', 'subnets': [Subnet({'ips': [FixedIP({'meta': {}, 'version': 4, 'type': u'fixed', 'floating_ips': [], 'address': u'10.0.0.40'})], 'version': 4, 'meta': {u'dhcp_server': u'10.0.0.3'}, 'dns': [], 'routes': [], 'cidr': u'10.0.0.0/24', 'gateway': IP({'meta': {}, 'version': 4, 'type': u'gateway', 'address': u'10.0.0.1'})})], 'meta': {u'injected': False, u'tenant_id': u'74c8ada23a3449f888d9e19b76d13aab'}, 'id': u'01630966-b21f-4a6d-95ff-10c4575f1fe2', 'label': u'demo-net'}), 'devname': u'tap0142efee-73', 'vnic_type': u'normal', 'qbh_params': None, 'meta': {}, 'details': {u'port_filter': True, u'ovs_hybrid_plug': True}, 'address': u'fa:16:3e:14:32:d9', 'active': True, 'type': u'ovs', 'id': u'0142efee-7382-43ef-96e8-d0084ecc893c', 'qbg_params': None})
（2）执行下面的命令，将 Neutron 分配的 port 连接到 OVS
#添加 linux bridge brctl addbr qbr0142efee-73 #名字是 devname 的后半部分 brctl setfd qbr0142efee-73 0 brctl stp qbr0142efee-73 off tee /sys/class/net/qbr0142efee-73/bridge/multicast_snooping ip link add qvb0142efee-73 type veth peer name qvo0142efee-73 ip link set qvb0142efee-73 ip link set qvb0142efee-73 promisc on #在 OVS 上添加端口 ovs-vsctl --timeout=120 -- --if-exists del-port qvo0142efee-73 -- add-port br-int qvo0142efee-73 -- set Interface qvo0142efee-73 external-ids:iface-id=0142efee-7382-43ef-96e8-d0084ecc893c external-ids:iface-status=active external-ids:attached-mac=fa:16:3e:14:32:d9 external-ids:vm-uuid=8352e969-0a25-4abf-978f-d9d0ec4de0cd
（3）生成 interface 配置的xml，比如：
<interface type="bridge">
<mac address="fa:16:3e:14:32:d9"/>
<model type="virtio"/>
<driver name="qemu"/>
<source bridge="qbr0142efee-73"/>
<target dev="tap0142efee-73"/>
</interface>
（4）调用 attachDeviceFlags API 来挂载该 interface 到虚机
至于其他的虚机操作，会在另一篇文章中描述。
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