KVM虚拟化

一、虚拟化技术

1.虚拟化技术概述

通过虚拟化技术将一台计算机虚拟为多台逻辑计算机，在一台计算机上同时运行多个逻辑计算机，同时每个逻辑计算机可运行不同操作系统，应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互相不影响，从而提高计算机的工作效率。

2.虚拟化技术发展

• 雏形：最初虚拟化技术是从CPU的分片开始，高效的利用CPU。1961年，IBM709机器实现了兼容性分时系统，将CPU占用切分为多个极短的时间片(1/100sec)每一个时间片执行不同的工作，通过对这些时间片进行轮询，从而将一个CPU伪装成多个CPU。
• 1972年， IBM正式将system370机的分时系统命名为虚拟机。
• 1990年， IBM推出的system390机支持逻辑分区（将一个CPU分为多份，相互独立，也就是逻辑分割）
• 2003年， Xen问世，它是一个外部的hypervisor程序（虚拟机管理程序），能够控制虚拟机和给多个客户机分配资源。但是，由于它是外部程序软件，在和内核的联系过程过程中中，有性能损耗，以及性能的瓶颈。支持全虚拟化和半虚拟化。
• 2007年， KVM问世，Kernel-based Virtual Machine的简称，现已内置在kernel内核中，支持全虚拟化。

Xen支持的虚拟化技术：全虚拟化，半虚拟化
KVM支持的虚拟化技术：全虚拟化

3.虚拟化类型

全虚拟化

将物理硬件资源全部通过软件的方式抽象化，最后进行调用，使用hypervisor（VMM）软件，其原理是在底层硬件和服务器之间建立一个抽象层。Hypervisor 直接安装在物理机上，多个虚拟机在 Hypervisor 上运行。Hypervisor 实现方式一般是一个特殊定制的 Linux 系统。Xen 和 VMWare 的 ESXi 都属于这个类型。

半虚拟化

物理机上首先安装常规的操作系统，比如 Redhat、Ubuntu 和 Windows。Hypervisor 作为 OS上的一个程序模块运行，并对虚拟机进行管理。KVM、VirtualBox 和 VMWare Workstation 都属于这个类型。需要修改操作系统。

直通

直接使用物理硬件资源（需要支持，还不完善)
总结：
全虚拟化一般对硬件虚拟化功能进行了特别优化，性能上比半虚拟化要高；
半虚拟化因为基于普通的操作系统，会比较灵活，比如支持虚拟机嵌套。嵌套意味着可以在KVM虚拟机中再运行KVM。

3.虚拟化技术的优劣

优点：

• 集中化管理（远程管理、维护）
• 提高硬件利用率（物理资源利用率低-例如峰值，虚拟化解决了“空闲”容量）
• 动态调整机器/资源配置（虚拟化把系统的应用程序和服务硬件分离、提高了灵活性）
• 高可靠（可部署额外的功能和方案，可提高透明负载均衡、迁移、恢复复制等应用环境）

劣势：

• 前期高额费用（初期的硬件支持），才能保证后期的可扩展应用
• 降低硬件利用率（特定场景-例如极度吃资源的应用不一定适合虚拟化）
• 更大的错误影响面（本地物理机down机会导致虚拟机均不可用，同时可能虚拟机中文件全部损坏）
• 实施配置复杂、管理复杂（管理人员运维、排障困难）
• 一定的限制性（虚拟化技术涉及各种限制，必须与支持/兼容虚拟化的服务器、应用程序及供应商结合使用）
• 安全性（虚拟化技术自身的安全隐患）

二、常见的虚拟化技术

KVM

KVM是指基于Linux内核（Kernel-based）的虚拟机（Virtual Machine）。也有人将KVM架构分解为两部分：KVM驱动，即linux kernel的一个模块和Qemu，即用于模拟虚拟机的用户空间组件，提供I/O设备模型，访问外设的途径。KVM最大的好处就在于它是与Linux内核集成的，所以速度很快。KVM的宿主操作系统必须是Linux，支持的客户机操作系统包括Linux、Windows、Solaris和BSD，运行在支持虚拟化扩展的x86和x86_64硬件架构上,cpu支持VT技术。KVM是一套虚拟化解决方案，不过因为这个方案实际上只实现了内核中对处理器(Intel VT, AMDSVM)虚拟化特性的支持，它缺乏设备虚拟化以及相应的用户空间管理虚拟机的工具，而Qemu是一套独立的虚拟化解决方案，KVM借用了QEMU的代码并加以精简，连同KVM一起构成了另一个独立的虚拟化解决方案，不妨称之为：KVM+QEMU。
Intel VT-x技术主要包含CPU、内存和I／O三方面的虚拟化技术，同时提供优化处理（早期为弥补X86架构虚拟化的缺陷）
AMD-V 是对x86处理器系统架构的一组硬件扩展和硬件辅助虚拟化技术，可以简化纯软件的虚拟化解决方案。

Xen

Xen是另一套独立的虚拟化解决方案，最初的Xen只支持半虚拟化，Intel VT技术出现后，添加了全虚拟化功能，这个全虚拟化功能也是借助了qemu实现，但不是完全依赖qemu。Xen是一个开放源代码虚拟机监视器，由剑桥大学开发。Xen的缺点是操作系统必须进行显式地修改（“移植”）以在Xen上运行（但是提供对用户应用的兼容性），所以比较麻烦。使得Xen无需特殊硬件支持，就能达到高性能的虚拟化。Linux的官方内核在较早之前已经去掉了对Xen的支持。

VMWare

VMWare (Virtual Machine ware)是一个“虚拟PC”虚拟机管理软件。它的产品可以使你在一台机器上同时运行二个或更多Windows、DOS、LINUX系统。与“多启动”系统相比，VMWare采用了完全不同的概念。多启动系统在一个时刻只能运行一个系统，在系统切换时需要重新启动机器。VMWare是真正“同时”运行，多个操作系统在主系统的平台上，就象标准Windows应用程序那样切换。而且每个操作系统你都可以进行虚拟的分区、配置而不影响真实硬盘的数据，你甚至可以通过网卡将几台虚拟机用网卡连接为一个局域网，极其方便。安装在VMware操作系统性能上比直接安装在硬盘上的系统低不少，因此，比较适合学习和测试。

三、虚拟化前、后对比

虚拟化前

1每台主机拥有一个操作系统
2.软硬件紧密结合
3在同一个主机上运行多个应用程序通常会产生冲突
4.系统资源利用率低(例如:5%)
5.硬件成本高昂并且不够灵活

虚拟化后

1打破了操作系统和硬件的互相依赖
2.通过封装到虚拟机的技术，管理操作系统和应用程序为单一的个体
3.强大的安全和故障隔离
4.虚拟机时独立于硬件的，它们可以在任何硬件上运行

对比:

操作系统方面(虚拟化前)︰
LAMP架构中(以一台主机实现)
LINUX + Apache + MySQL + PHP
其中Apache与 MySQL资源是共享的
如果架构要求服务间的安全性隔离比较高的话，Apache的页面和MySQL数据库的目录一定是不能互相碰面,如果Apache漏洞暴露出来,攻击者就
可以Apache的进程访问到MySQL的数据目录，从而获取MySQL中的数据，这种就是严重的安全隐患而想解决这种潜在危险，可以通过实现内核级别的隔离（使用虚拟化技术)

软硬件结合

因为硬件和操作系统不兼容或者不支持，导致有些软、硬件功能无法正常使用（也是最难的问题)使用虚拟化，软硬件之间是会通过虚拟化层驱动进行隔离(调配)的,
只要虚拟化层可以识别软/硬件应用，就可以将软硬件结合使用
在同一个主机上运行多个应用程序通常会产生冲突

• 例：Apache和Nginx定位相同(80端口)
  只能使用反向代理的方式进行分离，而同时如果在同一台机器使用这种方式，Apache设置"以激活Windows.。和Nainx中重要的数摇文件如里同时被泄霞出去.……而虚拟化可L隔离眠务

四、KVM

1.KVM技术介绍

广义KVM

• KVM (Kernel-based Vritual Machine)–基于内核的虚拟机
• KVM是基于虚拟化扩展的X86硬件的开源Linux原生的全虚拟化方案(要求cpu支持Intel-VT-x或
• AMD-V)KVM内嵌于内核模块中，模拟处理器和内存以支持虚拟机运行
• 虚拟机被实现为常规的 Linux进程,由标准Linux调度程序进行调度
• 虚拟机的每个虚拟CPU被实现为一个常规的 Linux进程。这使得KMV能够使用Linux内核的已有功能
• 但KM本身不执行任何模拟。需要客户空间程序(虚拟机)）通过/dev/Kkom(此虚拟设备需要开启硬件辅助虚拟化才能看到)接口设置一个客户机虚拟服务器的地址空间,并且由Qemu模拟I/O (ioctl)进行调度资源和维护管理
• Libvirt: KVM的管理工具，除了可以管理KVM这类VMM，还可以管理Xen， VirtualBox，甚至OpenStack底层
• Libvirt包含3个组件:后台daemon程序libvirtd、API库、命令行工具virsh

KVM技术定位（实际应用）

VMwareWorkstation：使用软件达到虚拟多操作系统（硬件资源）
VirtualBox：使用软件虚拟出多物理设备功能
以VMwareworkstation为例：
workstation支持intel公司和AMD公司的虚拟化技术，通过硬件辅助虚拟化技术（Intel-VT-x 或AMD-V）支持KVM。

2.KVM架构及三种模式

VKVM架构

kvm基本结构有2个部分构成

• kvm 驱动，现在已经是linux kernel的一个模块了。其主要负责虚拟机的创建，虚拟内存的分配，VCPU寄存器的读写以及VCPU的运行。
• Qemu，用于模拟虚拟机的用户空间组件，提供I/O设备模型，访问外设的途径。
  KVM 虚拟化架构/三种模式：

三种模式

• 客户模式 (guestOS):
  VM中的OS为GuestOS，客户机在操作系统中运行的模式，客户机分为内核模式和用户模式。
• 用户模式：
  为用户提供虚拟机管理的用户空间工具以及代表用户执行I/O。
  Qemu工作在此模式下（Qemu的主要功能：控制I/O虚拟化，调用硬件资源），工作原理：控制libkvm工具（工具作用，控制内核中的KVM）来调用虚拟化的物理资源，调用的方式是ioctl，将资源供给虚拟机。
• linux内核模式：
  模拟CPU、内存，实现客户模式切换，处理从客户模式的推出。KVM即运行在此模式下，实现虚拟机硬件资源（CPU/内存）的虚拟化，虚拟化/抽象化硬件资源，并供给QEMU组件调用。

3.KVM原理及工作流程

KVM原理

1.Guest：客户机系统，包括CPU（vCPU）、内存、驱动（Console、网卡、I/O 设备驱动等）， 被KVM 置于一种受限制的CPU模式下运行。
2.KVM 内核模块模拟处理器和内存以支持虚拟机运行
3.Qemu主要处理I/O以及为客户提供一个用户空间/dev/kvm工具libvirt 来进行虚拟机管理ioctl(定义)专用于设备输入输出操作的系统调用
libvirt: KVM管理工具
以上构成一个完整的虚拟化平台
简单理解:
KVM驱动提供处理器、内存的虚拟化，以及客户机I/O的拦截，guest的I/O被拦截后，交由Qemu处理
Qemu利用接口libkvm调用(ioctl)虚拟机设备接口/dev/kvm来分配资源、管理、维护虚拟机

KVM工作流程

用户模式的Qemu利用接口libkvm通过ioctl系统调用进入内核模式。KVMDriver为虚拟机创建虚拟CPU和虚拟内存，然后执行VMLAUNCH指令进入客户模式，装载Guest OS并运行。Guest OS运行过程中如果发生中断或者影子缺页等异常，将暂停Guest OS的运行并保存当前上下文退出到内核模式来处理这些异常。内核模式处理这些异常时如果不需要I/O则处理完成后重新进入客户模式，如果需要I/O则进入到用户模式，由Qemu来处理I/O，处理完成后进入内核模式，再进入客户模式。

五、KVM项目部署过程

kvm部署拓扑图

安装KVM前的环境部署

win10系统下，在VMware软件中新建虚拟机，并安装centos7系统
注意：
处理器数量:4 每个处理器内核数:2 处理器内核总数:8
虚拟化Intel VT-X 选项√下
内存大小为8G 网络NAT模式 声卡和打印机移除 挂载光盘 硬盘300G
安装GNOME桌面 点开发工具 分区自动分配 安装操作系统

1.修改主机名,关闭防火墙

[root@localhost ~]# hostnamectl set-hostname kvm
[root@localhost ~]# su
[root@kvm ~]# setenforce 0
[root@kvm ~]# systemctl stop firewalld
[root@kvm ~]# systemctl disable firewalld.service 
Removed symlink /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/firewalld.service.
Removed symlink /etc/systemd/system/dbus-org.fedoraproject.FirewallD1.service.

2.配置静态IP地址，保证与nat模式的网段一致,保证能上网

[root@kvm ~]# vi /etc/resolv.conf
nameserver 8.8.8.8

3.设置镜像光盘自动挂载

[root@kvm ~]# vim /etc/fstab 
/dev/sr0 /mnt iso9660 defaults 0 0	'//尾行添加'

4.优化ssh

[root@kvm ~]# vim /etc/ssh/sshd_config 
UseDNS no	'//取消注释，并将yes改成no'

5.yum本地仓库搭建

[root@kvm ~]# cd /etc/yum.repos.d/
[root@kvm yum.repos.d]# mkdir bak
[root@kvm yum.repos.d]# mv * bak
mv: 无法将目录"bak" 移动至自身的子目录"bak/bak" 下
[root@kvm yum.repos.d]# ls
bak
[root@kvm yum.repos.d]# vim local.repo
##输入以下信息
[local]
name=CentOS
baseurl=file:///mnt
enabled=1
gpgcheck=0
[root@kvm yum.repos.d]# yum clean all	'//清空yum仓库'
[root@kvm yum.repos.d]# mount /dev/sr0 /mnt	'//因为没有重启，所以需要手动挂载一下光盘镜像'
[root@kvm yum.repos.d]# yum makecache	'//加载yum数据'

安装KVM和网络配置

1.修改ens33网卡

[root@kvm ~]# vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
TYPE="Ethernet"
PROXY_METHOD="none"
BROWSER_ONLY="no"
BOOTPROTO=static
#IPADDR=192.168.91.60           ##注释掉原本的IP地址
#NETMASK=255.255.255.0
#GATEWAY=192.168.91.2
#DNS1=192.168.91.2
DEFROUTE="yes"
IPV4_FAILURE_FATAL="no"
IPV6INIT="yes"
IPV6_AUTOCONF="yes"
IPV6_DEFROUTE="yes"
IPV6_FAILURE_FATAL="no"
IPV6_ADDR_GEN_MODE="stable-privacy"
NAME="ens33"
UUID="5eb452be-fd5c-4ea8-9e7d-c40c69200955"
DEVICE="ens33"
ONBOOT=yes
BRIDGE=br0             ##添加此处

2.新建桥接网卡

[root@kvm ~]# vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-br0
##添加上述内容即可
TYPE=Bridge
OTPROTO=static
DEFROUTE=yes
PEERDNS=yes
PEERROUTES=yes
IPV4_FAILURE_FATAL=no
IPV6INIT=yes
IPV6_AUTOCONF=yes
IPV6_DEFROUTE=yes
IPV6_PEERDNS=yes
IPV6_PEERROUTES=yes
IPV6_FAILURE_FATAL=no
IPV6_ADDR_GEN_MODE=stable-privacy
NAME=br0
DEVICE=br0
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.91.60
NETMASK=255.255.255.0
GATEWAY=192.168.91.2
DNS1=8.8.8.8
[root@kvm ~]# systemctl restart network	     ##重启网卡
[root@kvm ~]# ifconfig 
br0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.91.60  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.91.255
        inet6 fe80::63df:a936:18c4:87d8  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 00:0c:29:41:8e:26  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 27  bytes 2226 (2.1 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 50  bytes 5478 (5.3 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

ens33: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        ether 00:0c:29:41:8e:26  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 79  bytes 7526 (7.3 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 144  bytes 15430 (15.0 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

3.安装一些需要的软件

[root@kvm ~]# yum groupinstall -y "GNOME Desktop"   #安装 GNOME 桌面环境  如果装了图形界面不需要装了
[root@kvm ~]# yum -y install qemu-kvm               ##安装KVM 模块
[root@kvm ~]# yum -y install qemu-kvm-tools         ##安装KVM 调试工具
[root@kvm ~]# yum -y install virt-install           ##构建虚拟机的命令行工具
[root@kvm ~]# yum -y install libvirt                ##虚拟机管理工具
[root@kvm ~]# yum -y install virt-manager           ##图形界面管理虚拟机
[root@kvm ~]# reboot	             ##重启

4.进行检查

[root@kvm ~]# cat /proc/cpuinfo | grep vmx        ##查看CPU是否支持虚拟化  
[root@kvm ~]# lsmod | grep kvm         ##查看KVM模块是否安装
kvm_intel             170086  0 
kvm                   566340  1 kvm_intel
irqbypass              13503  1 kvm
[root@kvm ~]# ln -sf /lib/systemd/system/graphical.target /etc/systemd/system/default.target            ##优化,将系统的默认运行target更改为graphical.targe
[root@kvm ~]# systemctl start libvirtd      ##开启libvirtd服务
[root@kvm ~]# systemctl enable libvirtd       ##设置开机自启动

5.创建kvm存储
创建镜像文件夹，上传镜像

[root@kvm ~]# mkdir -p /data_kvm/iso        ##上传镜像centos 7.6的镜像
##用ftp把CentOS7镜像文件拖进/data_kvm/iso下
[root@kvm ~]# mkdir -p /data_kvm/store       ##虚拟机存储
[root@kvm ~]# cd /data_kvm/iso
[root@kvm iso]# ls
CentOS-7-x86_64-DVD-1708.iso
[root@kvm iso]# virt-manager         ##图形界面敲，打开虚拟系统管理器

6.进入后按下图步骤在KVM上创建虚拟机







在KVM中创建虚拟机
打开虚拟系统管理器，右击QEMU/KVM，选择新建

选择用本地安装介质

选择使用ISO镜像

虚拟机内存和CPU设置，前进


点击在安装前自定义配置，选择网络（桥接）

击引导选项–，勾选主机引导时启动虚拟机，应用后开始安装

后面的步骤就是正常安装CentOS7系统