KVM虚拟化平台部署（理论）

2024-01-18 16:24:58

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前言：

美国环境保护EPA报告中曾经统计过一组统计数据：EPA研究服务器和数据中心得能源效率时发现，实际上服务器只有5%的时间是在工作的，其他时间一直处于休眠状态。

软件资源是没有硬件资源性能高 (稳定和效率) 的 (相同功能)

一、KVM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

三、虚拟化特性

1、优势

1、集中化管理 (远程管理、维护)
2、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)
3、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)
4、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

1、前期高额费用(初期的硬件支持)
2、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)
3、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)
4、实施配置复杂、管理复杂 (管理人员运维、排障困难)
5、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)
6、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 (虛拟机监视器)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 (虛拟机监视器/管理程序) haperivisor
VMM 是一个系统软件，可以维护多个高效、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功能

1、对物理资源进行逻辑分割(转化为虚拟资源)
2、调用虚拟资源供与应用程序(虚拟机)

四、KVM简介

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KVM本身不执行任何模拟，需要客户空间程序(虛拟机)通过==/dev/kvm==(此虚拟设备需要开起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，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

五、KVM架构及原理

（一）、KVM虛拟化架构/三种模式

1、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:
2、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)
3、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

（二）、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 来进行虛拟机管理

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

六、KVM的工作流程

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

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