KVM虛擬化的簡單概論

• 一、什么是虛擬化
• 二、虛擬化技術(shù)
• 三、虛擬化技術(shù)的發(fā)展史
• 四、虛擬化類型
• 五、虛擬化特性
• 六、KVM簡介
• • 1、廣義KVM
  • 2、KVM架構(gòu)及原理
  • • ①、KVM虛擬化架構(gòu)/三種模式
    • ②、KVM工作原理
  • 3、KVM工作流程
  • 4、KVM各核心組件功能
• 總結(jié)
• • KVM工作原理

一、什么是虛擬化

• 虛擬化，是指通過虛擬化技術(shù)將一臺計算機虛擬為多臺邏輯計算機（對計算機物理資源的抽象，實現(xiàn)資源的模擬、隔離和共享）。在一臺計算機上同時運行多個邏輯計算機，每個邏輯計算機可運行不同的操作系統(tǒng)，并且應用程序都可以在相互獨立的空間內(nèi)運行而互不影響，從而顯著提高計算機的工作效率。
• 虛擬化是一種資源管理技術(shù)，打破實體結(jié)構(gòu)的不可分割的障礙，可以對數(shù)據(jù)中心的所有資源進行虛擬化和管理，可以實現(xiàn)服務虛擬化、存儲虛擬化、網(wǎng)絡虛擬化和桌面虛擬化。
• 在實際的生產(chǎn)環(huán)境中，虛擬化技術(shù)主要用來解決高性能的物理硬件產(chǎn)能過剩和老的、舊的硬件產(chǎn)能過低的重組、重用，透明化底層物理硬件，從而最大化的利用物理硬件，對資源充分利用。
• 解決的兩個問題：
  • 資源充分利用
  • 縮短交付時間

二、虛擬化技術(shù)

• 通過虛擬化技術(shù)將一臺計算機虛擬為多臺邏輯計算機，在一臺計算機上同時運行多個邏輯計算機，同時每個邏輯計算機可運行不同的操作系統(tǒng)，應用程序都可以在相互獨立的空間內(nèi)運行而互相不影響，從而提高計算機的工作效率，例如ensp、workstation等
• 在一個操作系統(tǒng)中（win10）模擬多個操作系統(tǒng)（centos、win10、suse），同時每個操作系統(tǒng)可以跑不同的服務（nginx和tomcat），從而實現(xiàn)一臺宿主機搭建一個集群
• 通過軟件/應用程序的方式，來實現(xiàn)物理硬件的功能，例：ensp以軟件形式實現(xiàn)物理設備的功能（二層交換機、路由器、三層交換機等）

三、虛擬化技術(shù)的發(fā)展史

• 【1】1961年，IBM709機器實現(xiàn)了分時系統(tǒng)，將CPU占用切分為多個極短的時間片（1/100sec）每個時間片執(zhí)行不同的工作，通過對這些時間片進行輪詢從而將一個cpu偽裝成多個cpu
• 【2】1972年，IBM公司正式將system370機器的分時系統(tǒng)命名為虛擬機
• 【3】1990年，IBM推出的system390機支持邏輯分區(qū)（將一個cpu分為多份，相互獨立，也就是邏輯分分割）
• 【4】Xen：2003年問世，一個外部的hypervisor/VMM程序（虛擬機管理程序），能夠控制宿主機和給多個客戶機分配資源：支持的虛擬化技術(shù)：全虛擬化、半虛擬化
• 【5】KVM：2007年問世，現(xiàn)已內(nèi)置在kernel內(nèi)核中，支持的虛擬化技術(shù)：全虛擬化

四、虛擬化類型

• 全虛擬化：將物理硬件資源全部通過軟件的方式抽象化，最后進行調(diào)用
  • 使用的方法：使用hypervisor（VMM）軟件，其原理是在底層硬件和服務器之間建立一個抽象層，而基于核心的虛擬機是面向Linux系統(tǒng)的開源產(chǎn)品hypervisor（VMM）可以捕捉CPU的指令
• 半虛擬化：需要修改操作系統(tǒng)
• 直通：直接使用物理硬件資源（需要設備支持，還不完善）

五、虛擬化特性

• 優(yōu)勢：
  • 集中化管理（遠程管理、維護）
  • 提高硬件利用率（物理資源利用率低，例如峰值，虛擬化解決了“空閑”容量）
  • 動態(tài)調(diào)整機器/資源配置（虛擬化把系統(tǒng)的應用程序和服務硬件分離、提高了靈活性）
  • 高可靠（可部署額外的功能和方案，可提高透明負載均衡、遷移、恢復復制等應用環(huán)境）
• 劣勢：
  • 前期高額費用（初期的硬件支持）
  • 降低硬件利用率（特定場景，例：極度吃資源的應用不一定適合虛擬化）
  • 更大的錯誤影響面（本地物理機down機會導致虛擬機均不可用，同時可能虛擬機中文件全部損壞）
  • 實施配置復雜、管理復雜（管理人員運維、排障困難）
  • 一定的限制性（虛擬化技術(shù)涉及各種限制，必須與支持/兼容虛擬化的服務器、應用程序以及供應商結(jié)合使用）
  • 安全性（虛擬化技術(shù)自身的安全隱患）

六、KVM簡介

1、廣義KVM

• KVM (Kernel-based vritual Machine)——基于內(nèi)核的虛擬機
• KVM是基于虛擬化擴展的X86硬件的開源Linux原生的全虛擬化方案(要求cpu支持Intel-vT-x或AMD-V)
• KVM內(nèi)嵌于內(nèi)核模塊中，模擬處理器和內(nèi)存以支持虛擬機運行
• 虛擬機被實現(xiàn)為常規(guī)的Linux進程，由標準Linux調(diào)度程序進行調(diào)度；虛擬機的每個虛擬CPU被實現(xiàn)為一個常規(guī)的Linux進程。這使得KMV能夠使用Linux內(nèi)核的已有功能但KVM本身不執(zhí)行任何模擬。
• 需要客戶空間程序(虛擬機)通過/dev/kvm (此虛擬設備需要開起硬件輔助虛擬化才能看到)接口設置一個客戶機虛擬服務器的地址空間，并且由Qemu模擬I/O (ioctl)進行調(diào)度資源和維護管理
• Libvirt：KVM的管理工具，除了可以管理KM這類VMM，還可以管理xen，VirtualBox，甚至Openstack底層
• Libvirt包含3個組件：后臺daemon程序libvirtd、 API庫、命令行工具virsh

2、KVM架構(gòu)及原理

①、KVM虛擬化架構(gòu)/三種模式

• 客戶機在操作系統(tǒng)中運行的模式，客戶機分為內(nèi)核模式和用戶模式，作用如下:
  • 【1】客戶模式：
    • 為用戶提供虛擬機管理的用戶空間工具以及代表用戶執(zhí)行I/O，Qemu_ 工作在此模式下(Qemu的主要功能)
  • 【2】linux內(nèi)核模式：
    • 模擬CPU、內(nèi)存，實現(xiàn)客戶模式切換，處理從客戶模式的推出，KVM即運行在此模式下

②、KVM工作原理

• Guest: 客戶機系統(tǒng)，包括CPU (vCPU) 、內(nèi)存驅(qū)動(Console、 網(wǎng)卡、I/O設備驅(qū)動等)，被KVM置于-種受限制的CPU 模式下運行。
• KVM內(nèi)核模塊模擬處理器和內(nèi)存以支持虛擬機運行
• Qemu 主要處理I/O以及為客戶提供一個用戶空間/dev/kvm 工具ibvirt來進行虛擬機管理
• ioctl (定義) 專用于設備輸入輸出操作的系統(tǒng)調(diào)用
• libvirt: KVM管理工具
• 以上構(gòu)成一個完整的虛擬化平臺

簡單理解:

• KVM驅(qū)動提供處理器、內(nèi)存的虛擬化，以及客戶機I/O的攔截，guest的I/O被攔截后，交由Qemu處理
• Qemu利用接口libkvm調(diào)用(ioctl) 虛擬機設備接口/dev/kvm來分配資源、管理、維護虛擬機

3、KVM工作流程

• 【1】用戶模式的Qemu利用接口libkvm通過ioctl系統(tǒng)調(diào)用進入內(nèi)核模式。
• 【2】KVM驅(qū)動為虛擬機創(chuàng)建 虛擬CPU和虛擬內(nèi)存,
• 【3】然后執(zhí)行VMLAU.NCH指令進入客戶模式，裝載Guest OS并運行。
• 【4】Guest OS運行過程中如果發(fā)生異常，則暫停Guest OS的運行并保存當前狀態(tài)同時退出到內(nèi)核模式來處理這些異常。
• 【5】內(nèi)核模式處理這些異常時如果不需要I/O則處理完成后重新進入客戶模式。如果需要I/O則進入到用戶模式，則由Qemu來處理I/O，處理完成后進入內(nèi)核模式，再進入客戶模式

4、KVM各核心組件功能

• QEMU
  • 功能:控制I/O虛擬化，調(diào)用硬件資源
• KVM
  • 功能:為虛擬機提供CPU、內(nèi)存(硬件資源)的虛擬化

總結(jié)

KVM工作原理

• 【1】QEMU：負責抽象化I/O資源
• 【2】KVM：內(nèi)置在內(nèi)核中，負責對實際物力資源進行抽象/邏輯分割
• 【3】QEMU：會借助libvirt工具對內(nèi)核中（KVM邏輯分割的資源進行調(diào)用）
• 【4】然后。將資源傳輸至VM

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的KVM虚拟化的简单概论的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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