KVM虚拟化理论
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前言
KVM虚拟化
美国环境保护EPA报告曾经统计过一组数据：EPA研究服务器和数据中心的能源效率时发现，实际上服务器只有5%的时间在工作，其他时间一直处于休眠状态。
而KVM的诞生正是为了解决计算机使用率不高的现象
一、虚拟化技术
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的操作系统，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，
1、在一个操作系统中（win10）模拟多个操作系统（centos、win10、suse），同时每个操作系统可以跑不同的服务（nginx和tomcat），从而实现一台宿主机搭建一个集群
2、通过软件/应用程序的方式，来实现物理硬件的功能
例：ensp以软件形式实现物理设备的功能（二层交换机、路由器、三层交换机等）、workstation等
二、虚拟化技术发展
雏形：
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公司正式将system370机器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，也就是逻辑分分割）
Xen：
2003年问世，一个外部的hypervisor/VMM程序（虚拟机管理程序），能够控制宿主机和给多个客户机分配资源
支持的虚拟化技术：全虚拟化、半虚拟化
KVM：
2007年问世，现已内置在kernel内核中，支持的虚拟化技术：全虚拟化
问：KVM为什么要放在内核中？
答：放在内核中是为了提高电脑性能的利用率
补充：
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
使用的方法：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，而基于核心的虚拟机是面向Linux系统的开源产品hypervisor（VMM）可以捕捉CPU的指令
半虚拟化：需要修改操作系统
直通：直接使用物理硬件资源（需要设备支持，还不完善）
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
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
1）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
2）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
3）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
总结
1、KVM技术介绍
是什么技术:虚拟化
2、KVM技术定位(实际应用)
workstation、 virtualbox
模以硬件资源/设备/操作系统
3、KVM虚拟化技术核心功能(原理方面)
QEMU (工作在用户层，控制ibkvm工具( I具作用，控制内核中的KVM)来调用物理虚拟化资源
(调用物理虚拟化资源的方式是ioctl,供给虚拟机)
KVM (工作在内核层，虚拟化/抽象化物理硬件资源，供给Qemu组件调用)
4、KVM各核心组件功能
QEMU
功能:控制I/O虚拟化，调用硬件资源
KVM
功能:为虚拟机提供CPU、内存(硬件资源)的虚拟化