Libvirt 虚拟化库剖析
Libvirt 库是一种实现 Linux 虚拟化功能的 Linux® API，它支持各种虚拟机监控程序，包括 Xen 和 KVM，以及 QEMU 和用于其他操作系统的一些虚拟产品。本文主要探讨 libvirt 及其用途和架构。
讲到向外扩展计算（比如云计算），libvirt 可能是您从未听说过的最重要的库之一。libvirt 提供一种虚拟机监控程序不可知的 API 来安全管理运行于主机上的来宾操作系统。libvirt 本身不是一种工具， 它是一种可以建立工具来管理来宾操作系统的 API。libvirt本身构建于一种抽象的概念之上。它为受支持的虚拟机监控程序实现的常用功能提供通用的 API。libvirt 起初是专门为 Xen 设计的一种管理API，后来被扩展为可支持多个虚拟机监控程序。
首先让我们从用例模型视角来展开对 libvirt 的讨论，然后深入探究其架构和用途。libvirt 以一组 API的形式存在，旨在供管理应用程序使用（见图 1 ）。libvirt 通过一种特定于虚拟机监控程序的机制与每
个有效虚拟机监控程序进行通信，以完成API 请求。文章后面我将探讨如何通过 QEMU 来实现该功能。
图中还显示了 libvirt 所用术语对照。这些术语很重要，因为在对 API 命名时会用到它们。两个根本区别在于，libvirt 将物理主机称作节点，将来宾操作系统称作域。这里需要注意的是，libvirt（及其应用程序）在宿主 Linux 操作系统（域 0）中运行。
使用 libvirt，我们有两种不同的控制方式。第一种如 图 1 所示，其中管理应用程序和域位于同一节点上。 在本例中，管理应用程序通过 libvirt 工作，以控制本地域。当管理应用程序和域位于不同节点上时，便产生了另一种控制方式。在本例中需要进行远程通信（参见 图 2）。该模式使用一种运行于远程节点上、名为 libvirtd的特殊守护进程。当在新节点上安装 libvirt时该程序会自动启动，且可自动确定本地虚拟机监控程序并为其安装驱动程序（稍后讨论）。该管理应用程序通过一种通用协议从本地 libvirt连接到远程 libvirtd。对于 QEMU，协议在 QEMU 监视器处结束。QEMU包含一个监测控制台，它允许检查运行中的来宾操作系统并控制虚拟机（VM）各部分。
为支持各种虚拟机监控程序的可扩展性，libvirt 实施一种基于驱动程序的架构，该架构允许一种通用的 API以通用方式为大量潜在的虚拟机监控程序提供服务。这意味着，一些虚拟机监控程序的某些专业功能在 API中不可见。另外，有些虚拟机监控程序可能不能实施所有 API 功能，因而在特定驱动程序内被定义为不受支持。图 3 展示了 libvirt API 与相关驱动程序的层次结构。这里也需要注意，libvirtd 提供从远程应用程序访问本地域的方式。
在撰写此文时，libvirt 为表 1 所列的虚拟机监控程序实现了驱动程序。随着新的虚拟机监控程序在开源社区出现，其他驱动程序无疑也将可用。
| 虚拟机监控程序 | 描述 |
|---|---|
| Xen | 面向 IA-32，IA-64 和 PowerPC 970 架构的虚拟机监控程序 |
| QEMU | 面向各种架构的平台仿真器 |
| Kernel-based Virtual Machine (KVM) | Linux 平台仿真器 |
| Linux Containers（LXC） | 用于操作系统虚拟化的 Linux（轻量级）容器 |
| OpenVZ | 基于 Linux 内核的操作系统级虚拟化 |
| VirtualBox | x86 虚拟化虚拟机监控程序 |
| User Mode Linux | 面向各种架构的 Linux 平台仿真器 |
| Test | 面向伪虚拟机监控程序的测试驱动器 |
| Storage | 存储池驱动器（本地磁盘，网络磁盘，iSCSI 卷） |
上面已经介绍了 libvirt 的一些架构，接下来看一下如何使用 libvirt 虚拟化 API 的一些示例。首先介绍一种名为 virsh（虚拟 shell）的应用程序，它构建于 libvirt 之上。该 shell 允许以交互（基于 shell）方式使用多个 libvirt 功能。在本节中，我使用 virsh 演示了一些 VM 操作。
第一步是要定义域配置文件（如下面的 清单 1所示）。该代码指定了定义域所需的所有选项 —从虚拟机监控程序（仿真器）到域使用的资源以及外围配置（比如网络）。注意，这只是个简单的配置，libvirt真正支持的属性更加多样化。例如，您可以指定 BIOS 和主机引导程序，域要使用的资源，以及要用到的设备 — 从软盘和 CD-ROM 到 USB和 PCI 设备。
域配置文件定义该 QEMU域要使用的一些基本元数据，包括域名、最大内存、初始可用内存（当前）以及该域可用的虚拟处理器数量。您不需要自己分配 UniversallyUnique Idenifier (UUID)，而是让 libvirt 分配。您需要为该平台定义要仿真的机器类型 —在本例中是被完全虚拟化（hvm）的 686 处理器。您需要为域定义仿真器的位置（以备需要支持多个同类型仿真器时使用）和虚拟磁盘。这里注意要指明VM，它是以 Virtual Machine Disk（VMDK）格式存在的 ReactOS操作系统。最后，要指定默认网络设置，并使用面向图形的 Virtual Network Computing (VNC)。
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完成了域配置文件之后，现在开始使用 virsh 工具启动域。virsh 工具为要执行的特定动作采用命令参数。在启动新域时，使用 create 命令和域配置文件：
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这里要注意用于连接到域（qemu:///system）的 Universal Resource Indicator (URI)。该本地 URI 连接到本地 QEMU驱动程序的系统模式守护进程上。要通过主机 shinchan 上的 Secure Shell (SSH) 协议连接到远程 QEMU虚拟机监控程序，可以使用 URL qemu+ssh://shinchan/。
下一步，您可以使用 virsh 内的 list 命令列出给定主机上的活动域。这样做可以列出活动域，域 ID，以及它们的状态，如下所示：
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注意，这里定义的名称是在域配置文件元数据中定义过的名称。可以看到，该域的域名是 1 且正在运行中。
您也可以使用 suspend 命令中止域。该命令可停止处于调度中的域，不过该域仍存在于内存中，可快速恢复运行。下面的例子展示了如何中止域，执行列表查看状态，然后重新启动域：
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virsh 工具也支持许多其他命令，比如保存域的命令（save），恢复已存域的命令（restore），重新启动域的命令（reboot），以及其他命令。您还可以从运行中的域（dumpxml）创建域配置文件。
到目前为止，我们已经启动并操作了域，但是如何连接域来查看当前活动域呢？这可以通过 VNC 实现。要创建表示特定域图形桌面的窗口，可以使用 VNC：
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上一个例子说明了如何使用命令行工具 virsh 实现对域的控制。现在我们看一个使用 Python 来控制域的例子。Python 是受 libvirt 支持的脚本语言，它向 libvirt API 提供完全面向对象的接口。
在本例中，我研究了一些基本操作，与之前用 virsh 工具（list、suspend、resume 等）展示的操作类似。Python 示例脚本见 清单 6。在本例中，我们从导入 libvirt 模块开始。然后连接到本地 QEMU 虚拟机监控程序。从这里开始，重复可用的域 ID；对每个 ID 创建一个域对象，然后中止，继续，最后删除该域。
清单 6. 用于控制域的示例 Python 脚本（libvtest.py）
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虽然这只是个简单示例，我们仍然可以看到 libvirt 通过 Python 提供的强大功能。通过一个简单的脚本就能够重复所有本地 QEMU 域，发行有关域的信息，然后控制域。该脚本的结果如 清单 7 所示。
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高级 libvirt API 可划分为 5 个 API 部分：虚拟机监控程序连接 API、域 API、网络 API、存储卷 API 以及存储池 API。
为给定虚拟机监控程序创建连接后会产生所有 libvirt 通信（例如，清单 6 中所示的 open 调用）。该连接为所有其他要使用的 API 提供路径。在 C API 中，该行为通过 virConnectOpen 调用（以及其他进行认证的调用）提供。这些函数的返回值是一个 virConnectPtr 对象，它代表到虚拟机监控程序的一个连接。该对象作为所有其他管理功能的基础，是对给定虚拟机监控程序进行并发 API 调用所必需的语句。重要的并发调用是 virConnectGetCapabilities 和 virNodeGetInfo，前者返回虚拟机监控程序和驱动程序的功能，后者获取有关节点的信息。该信息以 XML 文档的形式返回，这样通过解析便可了解可能发生的行为。
进入虚拟机监控程序后，便可以使用一组 API 调用函数重复使用该虚拟机监控程序上的各种资源。virConnectListDomains API 调用函数返回一列域标识符，它们代表该虚拟机监控程序上的活动域。
API 实现大量针对域的函数。要探究或管理域，首先需要一个 virDomainPtr 对象。您可通过多种方式获得该句柄（使用 ID、UUID 或域名）。继续来看重复域的例子，您可以使用该函数返回的索引表并调用 virDomainLookupByID 来获取域句柄。有了该域句柄，就可以执行很多操作，从探究域（virDomainGetUUID、virDomainGetInfo、virDomainGetXMLDesc、virDomainMemoryPeek）到控制域（virDomainCreate、virDomainSuspend、virDomainResume、virDomainDestroy 和 virDomainMigrate）。
您还可使用 API 管理并检查虚拟网络和存储资源。建立了 API 模型之后，需要一个 virNetworkPtr 对象来管理并检查虚拟网络，且需要一个 virStoragePoolPtr（存储池）或 virStorageVolPtr（卷）对象来管理这些资源。
API 还支持一种事件机制，您可使用该机制注册为在特定事件（比如域的启动、中止、恢复或停止）发生时获得通知。
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libvirt 库用 C （支持 C++）实现，且包含对 Python 的直接支持。不过它还支持大量语言绑定。目前已经对 Ruby、Java™ 语言，Perl 和 OCaml 实施了绑定。在从 C# 调用 libvirt 方面我们已做了大量工作。libvirt 支持最流行的系统编程语言（C 和 C++）、多种脚本语言、甚至一种统一的函数型语言（Objective caml）。因此，不管您侧重何种语言，libvirt 都会提供一种路径来帮助您控制域。
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仅从本文已经展示的一小部分功能上便可看出 libvirt 提供的强大功能。且如您所愿，有大量应用程序正成功构建于 libvirt之上。其中一个有趣的应用程序就是 virsh（这里所示），它是一种虚拟 shell。还有一种名为 virt-install的应用程序，它可用于从多个操作系统发行版供应新域。virt-clone 可用于从另一个 VM 复制VM（既包括操作系统复制也包括磁盘复制）。一些高级应用程序包括多用途桌面管理工具 virt-manager 和安全连接到 VM图形控制台的轻量级工具 virt-viewer。
构建于 libvirt 之上的一种最重要的工具名为 oVirt。oVirt VM 管理应用程序旨在管理单个节点上的单个 VM 或多个主机上的大量 VM。除了可以简化大量主机和 VM 的管理之外，它还可用于跨平台和架构自动化集群，负载平衡和工作。
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从这篇简短的文章可以看出，libvirt是一种用来构建应用程序的强大库，能够跨系统的大型网络在不同的虚拟机监控程序环境中管理域。鉴于云计算的日渐流行，libvirt无疑也会随之发展，不断获得新的应用程序和用户。撰写本文时，libvirt也仅有四年的发展史，因此在大规模可伸缩计算领域中相对较新。libvirt 将来肯定会有很大发展。
查阅 libvirt Web 站点，了解 libvirt 最新信息并下载最新版本。还会找到完整版的 API 参考手册，它详细介绍了核心界面和错误处理界面。
