2 虚拟化技术之KVM架构和部署
2.1 KVM概述
2.1.1 KVM介绍
KVM（Kernel-based Virtual Machine）是一个完整的虚拟化解决方案，适用于包含虚拟化扩展（Intel VT或AMD-V)的x86硬件上的Linux。目前也支持ARM等其它硬件平台，它由可加载的内核模块kvm.ko组成，它提供核心虚拟化基础架构和处理器特定模块，kvm-intel.ko或kvm-amd.ko，KVM的用户空间组件包含在QEMU1.3后续版本中，KVM目前已成为学术界的主流VMM(virtual machine monitor，虚拟机监视器，也称为hypervisor)之一
KVM是开源软件，可运行多个运行未修改的Linux或Windows映像的虚拟机
依赖于HVM；Intel VT-x，AMD AMD-V
2006年10月，以色列Qumranet公司发布KVM，早期开发者Avi Kivity
2007年2月，KVM内核组件收录至Linux 2.6.20及后续版本中
2008年9月，Redhat 1.7亿美元收购
2009年9月，RHEL5.4中在集成XEN的同时，也将KVM添加进来
2011年11月，RHEL6使用KVM代替XEN
红帽kvm介绍
https://www.redhat.com/zh/topics/virtualization/what-is-KVMRedHat虚拟化指南
https://access.redhat.com/documentation/zh-cn/red_hat_enterprise_linux/7/html/virtualization_getting_started_guide/indexRedHat创建虚拟机数量限制:
https://access.redhat.com/articles/rhel-kvm-limits
2.1.2 KVM架构
KVM是基于虚拟化扩展(Intel VT或者AMD-V)的X86硬件的开源的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进程。这使得KVM能够使用Linux内核的已有功能。
但是，KVM本身不执行任何硬件模拟，需要客户空间程序通过/dev/kvm接口设置一个客户机虚拟服务器的地址空间，向它提供模拟的I/O，并将它的视频显示映射回宿主的显示屏。目前这个应用程序是QEMU。
2.1.2.1 KVM体系结构
- KVM：初始化CPU硬件，打开虚拟机模式，负责CPU，内存，中断控制器，时钟，由内核模块kvm_xx.ko实现，工作于hypervisor，设备/dev/kvm，是一个字符设备，在用户空间可通过ioctl()系统调用来完成VM创建、启动，为VM分配内存、读写VCPU的寄存器、向VCPU注入中断、时钟等管理功能
- QEMU进程：工作于用户空间，主要用于实现模拟IO设备，如显卡，网卡，硬盘等，qemu-kvm进程：工作于用户空间，用于实现一个虚拟机实例
- Libvirt：提供统—APl，守护进程libvirtd和相关工具，如：virsh，virt-manager等
2.1.2.2 KVM模块载入后的系统的运行模式
内核模式：GuestOS执行I/O类操作，或其它的特殊指令的操作；称作"来宾-内核"模式
用户模式：代表GuestOS请求I/O类操作
来宾模式：GuestOS的非I/O类操作；它被称作"来宾-用户”模式，称作虚拟机的用户模式更贴切
2.1.2.3 KVM的组件
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的部分I/O被KVM拦截后，交给QEMU处理。
两类组件:
- (kvm.ko)/dev/kvm：工作为hypervisor，在用户空间可通过系统调用ioctl()与内核中的kvm模块交互，从而完成虚拟机的创建、启动、停止、删除等各种管理功能，可虚拟CPU和内存
- qemu-kvm进程：工作于用户空间，用于实现IO设备模拟；也用于实现一个虚拟机实例
2.1.2.4 KVM功能
KVM所支持的功能包括：
- 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)
- 支持实时迁移(Live Migration)
- 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)
2.1.2.5 QEMU
QEMU是一个广泛使用的开源计算机仿真器和虚拟机。当作为仿真器时，可在一种架构(如PC机)下运行另一种架构(如ARM)下的操作系统和程序。而通过动态转化，其可以获得很高的运行效率。当作为一个虚拟机时，qemu可以通过直接使用物理机的系统资源，让虚拟系统能够获得接近于物理机的性能表现。qemu支持xen或者kvm模式下的虚拟化。当用kvm时，qemu可以虚拟x86、服务器和嵌入式powerpc，以及s390的系统
QEMU当运行与主机架构相同的目标架构时可以使用 KVM。例如，当在一个x86兼容处理器上运行qemu-system-x86时，可以利用KVM加速——为宿主机和客户机提供更好的性能
Qemu是纯软件实现的虚拟化模拟器，几乎可以模拟任何硬件设备，最熟悉的就是能够模拟一台能够独立运行操作系统的虚拟机，虚拟机认为自己和硬件打交道，但其实是和Qemu模拟出来的硬件打交道，Qemu将这些指令转译给真正的硬件，正因为Qemu是纯软件实现的，所有的指令都要经Qemu，性能非常低，所以，在生产环境中，大多数的做法都是配合KVM来完成虚拟化工作，KVM完成复杂及要求比较高的设备虚拟化，而Qemu完成像鼠标、键盘等设备的虚拟化。
QEMU有如下几个部分组成：
- 处理器模拟器(x86、PowerPC和Sparc)
- 仿真设备(显卡、网卡、硬盘、鼠标等)
- 用于将仿真设备连接至主机设备(真实设备)的通用设备，实现透传
- 模拟机的描述信息
- 调试器
- 与模拟器交互的用户接口
2.1.2.6 KVM局限性
- CPU overcommit：过载使用，性能下降
- 时间记录难以精确，依赖于时间同步机制，如NTP
- VM量特别大时，MAC地址存在冲突的可能性
- 实时迁移：共享存储，CPU架构，版本等
- 性能局限性
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