【虚拟化】KVM概念和架构

目录

一、什么是KVM？

二、KVM的功能

2.1 主要的功能

2.2 其它功能

三、KVM核心组件及作用

四、KVM与VMware的优势

五、KVM架构

六、qemu介绍

七、创建虚拟机流程

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一、什么是KVM？

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Kernel-based Virtual Machine的简称，KVM 是基于虚拟化扩展（Intel VT 或者 AMD-V）的 X86 硬件的 Linux 原生的全虚拟化解决方案。KVM 中，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；虚机的每个虚拟 CPU 被实现为一个常规的 Linux 线程。这使得 KMV 能够使用 Linux 内核的已有功能。

KVM的虚拟化需要硬件支持（如Intel VT技术或者AMD V技术)，是基于硬件的完全虚拟化。而Xen早期则是基于软件模拟的Para-Virtualization，新版本则是基于硬件支持的完全虚拟化。但Xen本身有自己的进程调度器，存储管理模块等，所以代码较为庞大。广为流传的商业系统虚拟化软件VMware ESX系列是基于软件模拟的Full-Virtualization。

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二、KVM的功能

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2.1 主要的功能

基于kvm，可以执行热迁移，将一个运行的虚拟机从一个运行vm从一台物理机移动到另外一台物理主机，而vm里的运行不受影响（几台部署kvm虚拟化的物理机共享一个存储，存储内存放虚拟机的xml文件，这样在另外一台主机启一个虚拟机的进程是很快的，然后关联上待迁移主机的xml文件，就实现了热迁移）；

可以保存当前虚拟机的运行状态到硬盘，然后可以重新启动虚拟机，这是虚拟机的运行状态和之前一样。

2.2 其它功能

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• 支持CPU 和 memory 超分（Overcommit）
• 支持半虚拟化I/O （virtio）
• 支持热插拔 （cpu，块设备、网络设备等）
• 支持对称多处理（Symmetric Multi-Processing，缩写为 SMP ）
• 支持 PCI 设备直接分配和 单根I/O 虚拟化 （SR-IOV）
• 支持 内核同页合并 （KSM ）
• 支持 NUMA （Non-Uniform Memory Access，非一致存储访问结构 ）

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三、KVM核心组件及作用

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• 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。
• KVM：运行在内核空间，提供CPU 和内存的虚级化，以及客户机的 I/O 拦截。Guest 的 I/O 被 KVM 拦截后，交给 QEMU 处理。
• QEMU：修改过的为 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。

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四、KVM与VMware的优势

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ESXI的底层是VMkernel + linux，VMkernel启动后开始接管对硬件管理，然后启动第一个linux虚拟机，协助VMkernel一起来管理和调度硬件资源。

KVM是直接将linux kernel变成hypervisor，只需要从标准linux内核启动即可，linux kernel拥有的特性可以全部利用上。KVM架构上的优势使得它非常简洁，在开发出来仅三个多月就被合并到了标准内核。

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五、KVM架构

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① 虚拟化是云计算的基础。一种资源管理技术，是计算机将各种实体资源（CPU、内存、磁盘空间、网络适配器等）做虚拟化、将虚拟化后的整体做为一个可供分割且组合的操作系统。

② KVM全称是Kernel-Based Virtual Machine。KVM基于Linux内核实现，属于半虚拟化的Hypervisor。KVM有一个内核模块叫 kvm.ko，只用于管理虚拟 CPU 和内存，而Qemu则协助提供IO设备半虚拟化，用于虚拟磁盘IO和网络IO等。不过IO设备的虚拟化方向都是往直接透传到宿主机的方向走，比如vhost-net，直接在硬件或内核级别支持。

③ 一个 KVM虚机在宿主机中其实是一个qemu-kvm进程。而每个虚机中的vCPU则为宿主机中的一个线程。

④ OpenStack底层也使用Libvirt，Libvirt是KVM的管理工具，还可以管理Xen，VirtualBox等Hypervisor。Libvirt包含3个东西：后台daemon服务libvirtd、API 库和命令行工具 virsh。

⑤ 虚机的vCPU总数可以超过物理CPU数量，这个叫CPU overcommit（超配）。

总结如下:

vm就是一个普通的linux进程，由linux内核调度程序进行调度，vm因此可以使用linux内核已有的功能。vm的执行本质就是vm中cpu的执行，因此vm的每个cpu就是普通的linux进程。

KVM有一个内核模块叫 kvm.ko ，kvm.ko只提供 CPU 和内存的虚拟化，而针对于IO及其他硬件设备（网络及存储等）的虚拟化，则是交给qemu实现，qemu运行在用户态通过/dev/kvm接口设置一个客户机虚拟机服务器的地址空间，向kvm提供模拟的I/O，并且将它的视频显示映射回宿主的显示屏。

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六、qemu介绍

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qemu本身就是一种虚拟化技术，它与kvm的区别如下：　　

（1）上图的左侧：完全基于Qemu纯软件（不包含操作系统内核）实现的虚拟化

　　kqemu是通过kqemu模块实现内核态的加速，在用户态的qemu通过访问/dev/kqemu设备文件接口调用改进加速。不过，此类模式主要针对Guest os与Host os属于统一cpu架构（比如都是x86的架构），一个明显的缺点是性能低下。

（2）上图的右侧：qemu+kvm实现的虚拟化（即qemu-kvm）

kvm只是Linux标准内核加载了一个 模块kvm.ko。也就是说KVM仅可以在 VT技术的基础上，提供虚拟的处理器和虚拟内存，至于IO硬件的模仿都交给qemu去做。

七、创建虚拟机流程

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（1）标准的Linux内核中加入KVM的模块kvm.ko变身成为一个VMM（VMM Virtual-Machine-Monitor）

（2）在原有的用户模式（工作在cpu-ring3）和内核模式（工作在cpu-ring0）两种模式的基础上增加了新的客户模式。客户模式存在的特权级别与ring0-3正交。（也就是说客户模式也存在4个特权级别）

（3）用户创建虚拟机，通过调用用户模式的qemu程序，qemu与kvm提供的libkvm库为接口，传递创建指令。

（4）打开/dev/kvm文件并获得文件描述符fd后，通过ioctl指令写入KVM_CREATE_KVM，即可创建一个虚拟机，并返回一个fd_vm的虚拟机文件描述符。、

（5）获得fd_vm后，通过ioctl调用KVM_CREATE_VCPU指令，可以对fd_vm所对应的虚拟机创建vCPU，并对vCPU做初始化操作。

（6）然后通过KVM_RUN指令对fd_vcpus操作，启动运行虚拟机。

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KVM 虚拟化技术:实战与原理解析 kvm虚拟化管理系统

https://blog.51cto.com/u_14402/6420529

https://zhuanlan.zhihu.com/p/702712061

KVM 介绍及作用详解_Kvm_脚本之家