KVM虚拟化原理探究(一)

一、KVM虚拟化简介：

1、kvm介绍

KVM全称kernel-based virtual machine，由Qumranet公司发起，2008年被RedHat收购。

KVM实现主要基于Intel-V或者AMD-V提供的虚拟化平台（完全虚拟化），利用普通的Linux进程运行与虚拟态的指令集，模拟虚拟机监视器和CPU。KVM不提供硬件虚拟化操作，其IO操作等都借助QEMU来完成。

 

 

KVM有如下特点：

  • guest作为一个普通进程运行于宿主机
  • guest的CPU（Vcpu）作为进程的线程存在，并受到宿主机内核的调度
  • guest继承了宿主机内核的一些属性，比如huge pages（大页表）
  • guest的磁盘IO和网络IO会受到宿主机的设置影响
  • guest通过宿主机上的虚拟网桥与外部相连

 

 

提示：KVM是linux内核中的一个模块，而对于用户要操作Linux内核中的模块所提供的功能，必须在用户空间装上一个用户控件软件，通过系统调用的方式去操作；QMU就是KVM在用户空间的管理功能，有点类似iptables是netfilter的管理工具；上面架构图上kvm的主要作用是提供CPU和内存的虚拟化，以及客户机的I/O的拦截，Guest的部分I/O被kvm拦截后，交给QEMU处理。QEMU通过修改过的KVM虚机使用的QEMU代码，运行在用户空间，提供硬件I/O虚拟化，通过IOCTL/dev/kvm设备和KVM交互，但是，KVM本身不执行任何硬件模拟，需要用户空间程序通过/dev/KVM接口设置一个客户机虚拟服务器的地址空间，向它提供模拟I/O，并将它的视频显示映射回宿主机的显示屏。

 

二、虚拟化技术分类：

虚拟化是云计算的基础。简单的说，虚拟化使得在一台物理的服务器上可以跑多台虚拟化，虚拟化共享物理机的CPU、内存、IO硬件资源，但逻辑上虚拟机之间是相互隔离的。物理机我们一般称为宿主机（Host），宿主机上面的虚拟机称为客户机（guest）。

1、分类

（1）、模拟：Emulation

Qemu，PearPC，Bochs

（2）、完全虚拟化：Full Virtualization，Native Virtualization

  • 完全虚拟化提供底层物理系统的全部抽象化，且抽象一个新的虚拟系统，客户机操作系统可以在里面运行，不需要对客户机操作系统或者应用程序进行修改（客户机操作系统或者应用程序像往常一样运行，意识不到虚拟环境的存在）
  • VMware是一款完全虚拟化软件。完全虚拟的弱点是效率不如半虚拟化高。半虚拟化系统性能可以接近在裸机上的性能。
  • VMWare Workstation, VirtualBox, VMWare Server, Parallels Desktop, KVM(hvm), XEN(hvm)

（3）、半虚拟化：Para-Virutalization

  • 半虚拟化需要对运行在虚拟机上的客户机操作系统进行修改（这些客户机操作系统会意识到它们运行在虚拟环境里）并提供相近的性能，但半虚拟化的性能要比完全虚拟化更优越。
  • 特点：GuestOS明确知道自己运行在虚拟机之上
  • xen，UML(user-mode linux)

（4）、容器级虚拟化

LXC,OpenVZ,libcontainer,runC,rkt,Linux V Server,Virtuozzo

（5）、库级别虚拟化

wine

（6）、程序级虚拟化

jvm，pvm

 

2、主机虚拟化：

Emulation，Full Virtualization，Parz-Virutalization

Type-I：Hypervisor直接运行于硬件；

Type-II：Hypervisor运行主机OS之上；

 

3、云栈的类别：

  • IaaS（Infrastructure-as-a-Service）基础设施服务
  • Paas（Plantfrom-as-a-Service）系统平台服务
  • SAAS（Software-as-a-Service）软件服务
  • FWaaS（FireWall as a Service）防火墙服务
  • DBaaS（DataBasw-as-a-Service）数据库服务
  • LBaaS（load-balancer-as-a-Service）负载均衡服务

三、主流虚拟化架构

3.1 主流虚拟化技术架构：ESXI、Xen、KVM

主要差别在于各组件（CPU、内存、磁盘与网络IO）的虚拟化与调度管理实现组件有所不同。在ESXI中，所有虚拟化功能都在内核中实现。Xen内核仅实现CPU与内存虚拟化，IO虚拟化与调度管理由Domain0（主机上启动的第一个管理VM）实现。KVM内核实现CPU与内存虚拟化，QEMU实现IO虚拟化，通过Linux进程调度器实现VM管理。

 

3.2、KVM整体架构

 

 

1）kvm内核模块：主要包括kvm虚拟化核心模块KVM.ko，以及硬件相关的KVM_intel或KVM_AMD模块；负责CPU与内存虚拟化，包括VM创建，内存分配与管理、VCPU执行模式切换等；

2）QEMU设备模拟：实现IO虚拟化与各设备模拟(磁盘、网卡、显卡、声卡等)，通过IOCTL系统调用与KVM内核交互。KVM仅支持基于硬件辅助的虚拟化(如Intel-VT与AMD-V)，在内核加载时，KVM先初始化内部数据结构，打开CPU控制寄存器CR4里面的虚拟化开关，执行VMXON指令将Host OS设置为root模式，并创建的特殊设备文件/dev/kvm等待来自用户空间的命令，然后KVM内核与QEMU相互配合实现VM的管理。KVM会复用部分Linux内核的能力，如进程管理调度、设备驱动、内存管理等；

 

 

3）、虚拟cpu

guest的所有用户界别（user）的指令集，都会直接由宿主机线程执行，此线程会调用KVM的ioctl方式提供的接口加载guest的指令并在特殊的CPU模式下运行，不需要经过cpu指令集的软件模拟转化，大大的减少了虚拟化成本，这也是KVM优于其他虚拟化方式的点之一。

4）、虚拟IO设备

guest作为进程存在，但让他的内核的所有驱动等都存在，只是硬件被QEMU所模拟（后面介绍livtio的时候特殊）。guest的所有硬件操作都会有QEMU来接管，QEMU负责与真实宿主机打较交道。

5）、虚拟内存

guest的内存在host上emulator提供，对emulator来说，guest访问的内存就是他的虚拟地址空间，guest上需要经过一次虚拟地址到物理地址的转换，转换到guest的物理地址其实也就是emulator的虚拟地址，emulator再次经过一次转换，转换为host的物理地址。后面会有介绍各种虚拟化的优化手段，这里只是一个overview。 

guest的内存在host上由emulator提供，对emulator来说，guest访问的内存就是他的虚拟地址空间，guest上需要经过一次虚拟地址到物理地址的转换，

 

3.3 CPU虚拟化

1）、pCPU与vCPU：

物理服务器上通常配置2个物理PCPU(Socket)，每个CPU有多个核；开启超线程Hyper-Threading技术后，每个core有两个线程（Thread）；在虚拟化环境中一个Thread对应一个vCpu。在KVM中每个VM就是一个用户空间的QEMU进程，分配给Guest的vCPU就是该进程派生的一个线程Thread，由Linux内核动态调度到基于时分复用的物理pCPU上运行。KVM支持设置CPU亲和性，将vCPU绑定到特定物理pCPU，如通过libvirt驱动指定从NUMA节点为Guest分配vCPU与内存。KVM支持vCPU超分（over-commit）使得分配给Guest的vCPU数量超过物理CPU线程总量。

 

 

2）、虚拟化类型对比

posted @ 2021-12-28 17:23  Day__Day_Up  阅读(71)  评论(0)  编辑  收藏  举报