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前言
在我们介绍KVM之前，首先必须要认识什么是虚拟化，KMV就是在虚拟化不断发展和优化的过程中而逐渐成熟的一个技术。
根据统计，大部分企业的服务器和数据中心能效实际上很低，日常的服务器使用率甚至不足10%，其他的处理能力一直处于空闲状态。从资源成本的角度来看，这是很不合理的，给企业带来了很大的资源浪费。
考虑到这种情况，就有了虚拟化技术的发展，应如何高效的利用服务器资源？虚拟化使得在一台物理的服务器上可以跑多台虚拟机，虚拟机共享物理机的 CPU、内存、IO 硬件资源，但逻辑上虚拟机之间是相互隔离的。
一、虚拟化技术发展
- 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。
二、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。
三、虚拟化特性
1.优势
- 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）
2.劣势
- 前期高额费用（初期的硬件支持）
- 降低硬件利用率（特定场景，例：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、应用程序以及供应商结合使用）
- 安全性（虚拟化技术自身的安全隐患）
3.案例
- VMwareWorkstation： 使用软件达到虚拟多操作系统
- 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
- 硬件辅助虚拟化技术Intel-VT-x AMD-V
- 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
改进VMM (虚拟机监视器)的设计，更充分地利用硬件资源，提高服务器和数据中心的虚拟化效率
VMM(虚拟机监视器/管理程序) haperivisor
VMM是一个系统软件, 可以维护多个效、隔离的程序环境(虚拟机)，同时可以管理计算机系统的真实资源、为虚拟机提供接口
4.VMM主要功能
- 对物理资源进行逻辑分割（转化为虚拟资源）
- 调用虚拟资源供与
四、KVM架构及原理
1.KVM虚拟化架构/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，作用如下:
- 客户模式
- 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)
- 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
- 客户模式
2.KVM原理
以下组件构成一个完整的虚拟化平台
- 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-种受限制的CPU 模式下运行。 - KVM内核模块模拟处理器和内存以支持虚拟机运行
- Qemu 主要处理I/O以及为客户提供一个用户空间/dev/kvm 工具ibvirt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
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
- 客户机-----用户层/虚拟化层（QEMU）------内核（kvm）之间是通过API接口调用的。
3.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。
- KVM驱动为虚拟机创建虚拟CPU和虚拟内存
- 然后执行VMLAU.NCH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异常，则暂停Guest OS的运行并保存当前状态同时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，则由Qemu来处理I/O,处理完成后进入内核模式，再进入客户模式
4、虚拟化前后的对比
- 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—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