libvirt学习

本文对libvirt概念和原理做简单介绍，作为对libvirt使用入门。

libvirt 简介

libvirt是为了更方便地管理平台虚拟化技术而设计的开放源代码的应用程序接口、守护进程和管理工具，它不仅提供了对虚拟化客户机的管理，也提供了对虚拟化网络和存储的管理。
libvirt支持多种虚拟化方案，既支持包括KVM、QEMU、Xen、VMware、VirtualBox、Hyper-V等在内的平台虚拟化方案，也支持OpenVZ、LXC等Linux容器虚拟化系统，还支持用户态Linux（UML）的虚拟化。

libvirt本身提供了一套较为稳定的C语言应用程序接口，目前，在其他一些流行的编程语言中也提供了对libvirt的绑定，在Python、Perl、Java、Ruby、PHP、OCaml等高级编程语言中已经有libvirt的程序库可以直接使用。libvirt还提供了为基于AMQP（高级消息队列协议）的消息系统（如Apache Qpid）提供QMF代理，这可以让云计算管理系统中宿主机与客户机、客户机与客户机之间的消息通信变得更易于实现。libvirt还为安全地远程管理虚拟客户机提供了加密和认证等安全措施。

libvirt对多种不同的Hypervisor的支持是通过一种基于驱动程序的架构来实现的。libvirt对不同的Hypervisor提供了不同的驱动：对Xen有Xen的驱动，对QEMU/KVM有QEMU驱动，对VMware有VMware驱动。在libvirt源代码中，可以很容易找到qemu_driver.c、xen_driver.c、xenapi_driver.c、VMware_driver.c、vbox_driver.c这样的驱动程序源代码文件。

ibvirt作为中间适配层，可以让底层Hypervisor对上层用户空间的管理工具是完全透明的，因为libvirt屏蔽了底层各种Hypervisor的细节，为上层管理工具提供了一个统一的、较稳定的接口（API）。通过libvirt，一些用户空间管理工具可以管理各种不同的Hypervisor和上面运行的客户机

节点、Hypervisor和域

在libvirt中涉及几个重要的概念，解释如下：

• 节点（Node）是一个物理机器，上面可能运行着多个虚拟客户机。Hypervisor和Domain都运行在节点上。
• Hypervisor也称虚拟机监控器（VMM），如KVM、Xen、VMware、Hyper-V等，是虚拟化中的一个底层软件层，它可以虚拟化一个节点让其运行多个虚拟客户机（不同客户机可能有不同的配置和操作系统）。
• 域（Domain）是在Hypervisor上运行的一个客户机操作系统实例。域也被称为实例（instance，如在亚马逊的AWS云计算服务中客户机就被称为实例）、客户机操作系统（guest OS）、虚拟机（virtual machine），它们都是指同一个概念。

节点、Hypervisor和域的关系:

libvirt 安装和配置

libvirt的XML配置文件

在使用libvirt对虚拟化系统进行管理时，很多地方都是以XML文件作为配置文件的，包括客户机（域）的配置、宿主机网络接口配置、网络过滤、各个客户机的磁盘存储配置、磁盘加密、宿主机和客户机的CPU特性，等等。本节只针对客户机的XML进行较详细介绍，因为客户机的配置是最基本的和最重要的，了解了它之后就可以使用libvirt管理客户机了。
关于各种配置的XML，可以直接参考libvirt官方文档：XML Format

libvirt API

ibvirt的核心价值和主要目标就是提供一套管理虚拟机的、稳定的、高效的应用程序接口（API）。libvirt API本身是用C语言实现的，本节以其提供的最核心的C语言接口的API为例进行简单的介绍。
从libvirt官方文档看，主要API分成以下几类：

Main libvirt APIs

libvirt-common

common macros and enums for the libvirt and libvirt-admin library

libvirt-domain-checkpoint

APIs for management of domain checkpoints

libvirt-domain-snapshot

APIs for management of domain snapshots

libvirt-domain

APIs for management of domains

libvirt-event

APIs for management of events

libvirt-host

APIs for management of hosts

libvirt-interface

APIs for management of interfaces

libvirt-network

APIs for management of networks

libvirt-nodedev

APIs for management of nodedevs

libvirt-nwfilter

APIs for management of nwfilters

libvirt-secret

APIs for management of secrets

libvirt-storage

APIs for management of storage pools and volumes

libvirt-stream

APIs for management of streams

Error handling

virterror

error handling interfaces for the libvirtlibrary

Special specific APIs

admin interface

APIs for management of the libvirt daemons

qemu driver

qemu-driver specific APIs

lxc driver

lxc-driver specific APIs

建立到Hypervisor的连接

对于一个libvirt连接，可以使用简单的客户端-服务器端（C/S）的架构模式来解释，一个服务器端运行着Hypervisor，一个客户端去连接服务器端的Hypervisor，然后进行相应的虚拟化管理。当然，如果通过libvirt API实现本地的管理，则客户端和服务器端都在同一个节点上，并不依赖于网络连接。一般来说（如基于QEMU/KVM的虚拟化方案），不管是基于libvirt API的本地管理还是远程管理，在服务器端的节点上，除了需要运行相应的Hypervisor以外，还需要让libvirtd这个守护进程处于运行中的状态，以便让客户端连接到libvirtd，从而进行管理操作。

由于支持多种Hypervisor，libvirt需要通过唯一的标识来指定如何才能准确地连接到本地或远程的Hypervisor。为了达到这个目的，libvirt使用了在互联网应用中广泛使用的URI（Uniform Resource Identifier，统一资源标识符）来标识到某个Hypervisor的连接。libvirt中连接的标识符URI，其本地URI和远程URI有一些区别，下面分别介绍一下它们的使用方式。

1. 本地URI
   在libvirt的客户端使用本地的URI连接本系统范围内的Hypervisor，本地URI的一般格式如下：

driver[+transport]:///[path][?extraparameters]

其中，driver是连接Hypervisor的驱动名称（如qemu、xen、xbox、lxc等），transport是选择该连接所使用的传输方式（可以为空，也可以是“unix”这样的值），path是连接到服务器端上的某个路径，?extraparameters是可以额外添加的一些参数（如Unix domain sockect的路径）。

2. 远程URI
   除了本地管理，libvirt还提供了非常方便的远程的虚拟化管理功能。libvirt可以使用远程URI来建立到网络上的Hypervisor的连接。远程URI和本地URI是类似的，只是会增加用户名、主机名（或IP地址）和连接端口来连接到远程的节点。远程URI的一般格式如下：

driver[+transport]://[user@][host][:port]/[path][?extraparameters]

其中，transport表示传输方式，其取值可以是ssh、tcp、libssh2等；user表示连接远程主机使用的用户名，host表示远程主机的主机名或IP地址，port表示连接远程主机的端口。其余参数的意义与本地URI中介绍的完全一样。
在远程URI连接中，也存在使用system实例和session实例两种方式，这二者的区别和用途，与本地URI中介绍的内容是完全一样的。

更加详细的内容说明可以参考官方文档：Connection URIs

libvirt API使用

如下一个简单的C程序就是通过调用libvirt的API来查询一些关于某个域的信息。该示例程序比较简单易懂，它仅仅是使用libvirt API的一个演示程序，这里不做过多的介绍。不过，这里有三点需要注意：

1. 需要在示例代码的开头引入<libvirt/libvirt.h>这个头文件；
2. 由于只是实现查询信息的功能，所以可以使用virConnectOpenReadOnly来建立只读连接；
3. 这里使用了空值（NULL）作为URI，是让libvirt自动根据默认规则去建立到Hypervisor的连接。这里由于本地已经运行了libvirtd守护进程，并启动了两个QEMU/KVM客户机，所以它默认会建立到QEMU/KVM的连接。

/*** Get domain information via libvirt C API.* Tested with libvirt-devel-2.0.0 on a RHEL 7.3 host system.*/
#include <libvirt/libvirt.h>
#include <stdio.h>int getDomainInfo(int id) {virConnectPtr conn = NULL; /* the hypervisor connection */virDomainPtr dom = NULL;   /* the domain being checked */virDomainInfo info;        /* the information being fetched *//* NULL means connect to local QEMU/KVM hypervisor */conn = virConnectOpenReadOnly(NULL);if (conn == NULL) {fprintf(stderr, "Failed to connect to hypervisor\n");return 1;}/* Find the domain by its ID */dom = virDomainLookupByID(conn, id);if (dom == NULL) {fprintf(stderr, "Failed to find Domain %d\n", id);virConnectClose(conn);return 1;}/* Get virDomainInfo structure of the domain */if (virDomainGetInfo(dom, &info) < 0) {fprintf(stderr, "Failed to get information for Domain %d\n", id);virDomainFree(dom);virConnectClose(conn);return 1;}/* Print some info of the domain */printf("Domain ID: %d\n", id);printf(" vCPUs: %d\n", info.nrVirtCpu);printf(" maxMem: %d KB\n", info.maxMem);printf(" memory: %d KB\n", info.memory);if (dom != NULL)virDomainFree(dom);if (conn != NULL)virConnectClose(conn);return 0;
}
int main(int argc, char **argv) {int dom_id = 1;printf("-----Get domain info by ID via libvirt C API -----\n");getDomainInfo(dom_id);return 0;
}

编译

gcc libvirt-demo.c -o libvirt-demo -lvirt

运行

$ sudo ./libvirt-demo 
-----Get domain info by ID via libvirt C API -----
Domain ID: 1vCPUs: 2maxMem: 4194304 KBmemory: 4194304 KB

编译libvirt

libvirt 源码地址：https://gitlab.com/libvirt/libvirt.git
编译过程参考源码中的docs/compiling.rst文档即可，编译完之后在构建目录下有对应的库、管理工具、deamon程序和测试程序。

工具

许多工具都在使用libvirt提供的功能，下面介绍几个常见的工具，更多的介绍参考官方文档：Applications using libvirt。

virsh

libvirt项目的源代码中就包含了virsh这个虚拟化管理工具的代码。virsh 是用于管理虚拟化环境中的客户机和Hypervisor的命令行工具，与virt-manager等工具类似，它也是通过调用libvirt API来实现虚拟化的管理的，是完全在命令行文本模式下运行的用户态工具。
virsh是用C语言编写的一个使用libvirt API的虚拟化管理工具。virsh程序的源代码在libvirt项目源代码的tools目录下，实现virsh工具最核心的一个源代码文件是virsh.c。
通过virsh，我们可以在命令行管理虚拟化环境，如何使用virsh可以通过查看virsh帮助文档或者查看其他资料。

virt-clone

Allows the disk image(s) and configuration for an existing virtual machine to be cloned to form a new virtual machine. It automates copying of data across to new disk images, and updates the UUID, MAC address, and name in the configuration.

virt-df

Examine the utilization of each filesystem in a virtual machine from the comfort of the host machine. This tool peeks into the guest disks and determines how much space is used. It can cope with common Linux filesystems and LVM volumes.

virt-image

Provides a way to deploy virtual appliances. It defines a simplified portable XML format describing the pre-requisites of a virtual machine. At time of deployment this is translated into the domain XML format for execution under any libvirt hypervisor meeting the pre-requisites.

virt-install

Provides a way to provision new virtual machines from a OS distribution install tree. It supports provisioning from local CD images, and the network over NFS, HTTP and FTP.

virt-top

Watch the CPU, memory, network and disk utilization of all virtual machines running on a host.

virt-what

virt-what is a shell script for detecting if the program is running in a virtual machine. It prints out a list of facts about the virtual machine, derived from heuristics.

virt-p2v

Convert a physical machine to run on KVM. It is a LiveCD which is booted on the machine to be converted. It collects a little information from the user, then copies the disks over to a remote machine and defines the XML for a domain to run the guest. (Note this tool is included with libguestfs)

virt-v2v

virt-v2v converts guests from a foreign hypervisor to run on KVM, managed by libvirt. It can convert guests from VMware or Xen to run on OpenStack, oVirt (RHEV-M), or local libvirt. It will enable VirtIO drivers in the converted guest if possible. (Note this tool is included with libguestfs) For RHEL customers of Red Hat, conversion of Windows guests is also possible. This conversion requires some Microsoft signed pieces, that Red Hat can provide.

virt-manager

A general purpose desktop management tool, able to manage virtual machines across both local and remotely accessed hypervisors. It is targeted at home and small office usage up to managing 10-20 hosts and their VMs.

virt-viewer

A lightweight tool for accessing the graphical console associated with a virtual machine. It can securely connect to remote consoles supporting the VNC protocol. Also provides an optional mozilla browser plugin.

qt-virt-manager

The Qt GUI for create and control VMs and another virtual entities (aka networks, storages, interfaces, secrets, network filters). Contains integrated LXC/SPICE/VNC viewer for accessing the graphical or text console associated with a virtual machine or container.

qt-remote-viewer

The Qt VNC/SPICE viewer for access to remote desktops or VMs.

guestfish

Guestfish is an interactive shell and command-line tool for examining and modifying virtual machine filesystems. It uses libvirt to find guests and their associated disks.

libguestfs

A library and set of tools for accessing and modifying virtual machine disk images. It can be linked with C and C++ management programs, and has bindings for Perl, Python, Ruby, Java, OCaml, PHP, Haskell, and C#. Using its FUSE module, you can also mount guest filesystems on the host, and there is a subproject to allow merging changes into the Windows Registry in Windows guests.

总结

libvirt是一套用于管理硬件虚拟化的开源API、守护进程与管理工具，是目前使用最广泛的虚拟化管理工具，可以协助我们从0到1构建一个基础的虚拟化管理平台。

参考

libvirt
libvirt-git
KVM实战：原理、进阶与性能调优
虚拟化技术之kvm管理工具virsh常用基础命令（一）
虚拟化技术之kvm管理工具virsh常用基础命令（二）