kvm(一)基本理论

KVM虚拟化技术详解

最新推荐文章于 2024-03-18 15:50:35 发布

钟明家

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本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/weixin_36888575/article/details/98640987

虚拟化模型：
type1: Hosted
hypervisor —-> virtual machine

type2: bare-metal
host —-> virtual machine manager

Xen:
hypevisor,Dom0

hypervisor === cpu memory 完成了cpu内存的虚拟化
Dom0 —–> IO等 io靠Dom0来实现
虚拟化技术：
full:完全虚拟化
para:半虚拟化
hybrid：pv on hvm硬件虚拟化
KVM：依赖于完全虚拟化（HVM），利用linux系统本身的就已经提供的内存管理、进程调度、IO栈、设备驱动、安全子系统、网络子系统。进程管理器依然被拿来当kvm主机的进程管理器。虚拟cpu的线程是有kvm 模块辅助在内核中完成。

kvm模块载入后的系统的运行模式：
内核模式： GuestOS执行的I/O类操作，或其它特殊指令的操作；
用户模式：代表guest请求I/O类操作
来宾模式：GuestOS的非IO操作；事实上，它被称作虚拟机用户模式更贴切。
虚拟化要求cpu架构一致，用户空间的程序就在虚拟机的用户空间就完成了执行。80%虚拟机用户空间运行，那么这80%实际上就是虚拟机的用户空间就完成了执行。
而系统调用是虚拟机发起系统调用，虚拟机的kernel没有权限执行特权指令，从而转换到kvm Driver 来处理。伪装返回，比如shutdown。
KVM主要两类组件组成：
◇ /dev/kvm：管理虚拟机的设备文件，用户空间的程序可通过其ioctl()系统调用集来完成虚拟机的创建启动等管理工作；它是一个字符设备；其主要完成的操作包括：
 创建虚拟机；
 为虚拟机分配内存；
 读、写VCPU的寄存器；
 向VCPU注入中断；
 运行VCPU；
◇ qemu进程：工作于用户空间的组件，用于仿真PC机的I/O类硬件设备；

KVM内存管理

KVM继承了Linux系统管理内存的诸多特性，比如，分配给虚拟使用的内存可以被交换至交换空间（swap）、能够使用大内存页（huge page）以实现更好的性能，以及对NUMA的支持能够让虚拟机高效访问更大的内存空间等。

KVM基于Intel的EPT（Extended Page Table）或AMD的RVI（Rapid Virtualization Indexing）技术可以支持更新的内存虚拟功能，这可以降低CPU的占用率，并提供较好的吞吐量。完成内存地址映射，从虚拟机的虚拟地址空间直接到物理的物理地址空间，避免使用影子列表

支持tagged TLB

此外，KVM还借助于KSM（Kernel Same-page Merging）这个内核特性实现了内存页面共享。KSM通过扫描每个虚拟机的内存查找各虚拟机间相同的内存页，并将这些内存页合并为一个被各相关虚拟机共享的单独页面。在某虚拟机试图修改此页面中的数据时，KSM会重新为其提供一个新的页面副本。实践中，运行于同一台物理主机上的具有相同GuestOS的虚拟机之间出现相同内存页面的概率是很高的，比如共享库、内核或其它内存对象等都有可能表现为相同的内存页，因此，KSM技术可以降低内存占用进而提高整体性能。

硬件支持：取决于linux内核

存储：
本地存储
网络附加存储：samba nass
存储区域网络：
分布式存储：GlusterFS
实时迁移:
底层hypervisor硬件故障
被攻击时可以考虑迁移
支持的GuestOS：
Linux，Windows，OpenBSD，FreeBSD，OpenSolaris；
设备驱动：
IO设备能够以模拟方式进行完全虚拟化：模拟硬件
IO设备能够在GuestOS中安装驱动实现半虚拟化：virtio
virtio-blk，virtio-net,virtio-pci,virtio-console（控制台的虚拟化）,virtio-ballon(内存的动态扩大缩减)
KVM局限性：
一般局限性：
CPU overcommit:比如物理cpu4 个虚拟机可以创建8个。但性能反而会降低。
任何虚拟机时钟都不会太精确：计时虚拟cpu频率跟真实cpu频率不一致。需要时间同步机制。
MAC地址：
VM量特别大时，存在冲突的可能性；
实时迁移：
拥有相同的共享存储
kvm版本号要兼容
挂载在同一路径位置
cpu相同类型特性 inter、amd
使用本地的物理设备当它的磁盘就无法迁移了
两台物理机时间同步
两台物理机有一致的网络配置
性能局限性：
cpu mmu：完全虚拟化的情况下性能有7%损耗
HVM (VT-x或者AMD-V, inter的EPT或者 AMD的RVI)：97%的性能运行
网络IO：
完全虚拟化情况只相当于物理性能的60%
半虚拟化模式下：75%
透传：95%
磁盘IO：
完全虚拟化：40%
半虚拟化：85%
透传：95%
显卡不支持半虚拟化，模拟（完全）虚拟化50%
kvm管理工具：
virt：还是会调用Qemu,支持远程管理。
GUI：virt-manager,virt-manager
CLI: virt-install,virsh
Qemu
qemu-kvm
qemu-img