kvm虛拟化簡述

 虛拟化使得在一台實體的伺服器上可以跑多台虛拟機，虛拟機共享實體機的 CPU、記憶體、IO 硬體資源，但邏輯上虛拟機之間是互相隔離的。

實體機我們一般稱為主控端（Host），主控端上面的虛拟機稱為客戶機（Guest）。Hypervisor是統載虛拟機的全稱，像kvm、xen、vmware、hyper-v都屬于Hypervisor。

Host通過Hypervisor将自己的硬體資源虛拟化，并提供給 Guest 使用。

虛拟化分為兩種：

1、全虛拟化

Hypervisor直接安裝在實體機上，然後Hypervisor上運作多個虛拟機。xen、vmware、ESXI都屬于全虛拟化！

2、半虛拟化

實體機器上先安裝作業系統，然後再實體機上的作業系統上再運作虛拟機。

KVM、VirtualBox 和 VMWare Workstation 都屬于半虛拟化。

3、兩種虛拟化的對比

a、全虛拟化一般對硬體虛拟化功能進行了特别優化，性能比半虛拟化好。

b、半虛拟化比較靈活，支援虛拟機嵌套。

本篇主要介紹比較主流的半虛拟化的Hypervisor--KVM

KVM

KVM 全稱是 Kernel-Based Virtual Machine。也就是說 KVM 是基于 Linux 核心實作的。

KVM有一個核心子產品叫 kvm.ko，隻用于管理虛拟 CPU 和記憶體。

那 IO 的虛拟化，比如存儲和網絡裝置由誰實作呢？

這個就交給 Linux 核心和Qemu來實作。

作為一個 Hypervisor，KVM 本身隻關注虛拟機排程和記憶體管理這兩個方面。IO 外裝置的任務交給 Linux 核心和 Qemu。

Libvirt

Libvirt就是 KVM的管理工具，除了能管理 KVM 這種 Hypervisor，還能管理 Xen，VirtualBox 等。

Libvirt 包含 3 個東西：背景 daemon 程式 libvirtd、API 庫和指令行工具 virsh。

1、libvirtd是服務程式，接收和處理API 請求；

2、API 庫使得其他人可以開發基于Libvirt 的進階工具，比如 virt-manager，這是個圖形化的 KVM 管理工具。

3、virsh 是經常要用的 KVM 指令行工具。

CPU虛拟化

檢視系統是否開啟虛拟化：egrep -o '(vmx|svm)' /proc/cpuinfo

一個 KVM 虛機在主控端中其實是一個 qemu-kvm 程序，與其他 Linux 程序一樣被排程。

虛機中的每一個虛拟 vCPU 則對應 qemu-kvm 程序中的一個線程。看下圖

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在這個例子中，主控端有兩個實體 CPU，上面起了兩個虛機 VM1 和 VM2。

VM1 有兩個 vCPU，VM2 有 4 個 vCPU。可以看到 VM1 和VM2 分别有兩個和 4 個線程在兩個實體 CPU 上排程。

這裡也示範了另一個知識點，即虛機的 vCPU 總數可以超過實體 CPU 數量，這個叫 CPU overcommit（超配）。

但前提是在同一時刻，不是所有的虛機都滿負荷運作。當然，如果每個虛機都很忙，反而會影響整體性能。

記憶體虛拟化

KVM 通過記憶體虛拟化共享實體系統記憶體，動态配置設定給虛拟機。

為了在一台機器上運作多個虛拟機，KVM 需要實作 VA（虛拟記憶體） -&gt; PA（實體記憶體） -&gt; MA（機器記憶體）直接的位址轉換。

虛機 OS 控制虛拟位址到客戶記憶體實體位址的映射（VA -&gt; PA），但是虛機 OS 不能直接通路實際機器記憶體，是以 KVM 需要負責映射客戶實體記憶體到實際機器記憶體 （PA -&gt; MA）。

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存儲虛拟化

KVM 的存儲虛拟化是通過存儲池（Storage Pool）和卷（Volume）來管理的。

Storage Pool 是主控端上可以看到的一片存儲空間。

Volume 是在 Storage Pool 中劃分出的一塊空間，主控端将 Volume 配置設定給虛拟機，Volume 在虛拟機中看到的就是一塊硬碟。

Storage Pool種類：

1、本地目錄或遠端挂載點目錄(比如nfs、Glusterfs)

2、主控端上 VG 中的 LV，無MBR引導記錄，隻能做資料盤。這種情況下主控端上的 VG 就是一個 Storage Pool，VG 中的LV 就是 Volume，LV 的優點是有較好的性能；

不足的地方是管理和移動性方面不如鏡像檔案，而且不能通過網絡遠端使用。

3、iSCSI，Ceph 等多種類型。

以lvm為例檢視及添加Storage Pool：

建立了一個 Storage Pool 的定義檔案/etc/libvirt/storage/HostVG.xml，内容為

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virsh pool-list –all

virsh pool-define /etc/libvirt/storage/HostVG.xml

virsh pool-start HostVG

Volume 檔案格式：

1、raw，預設格式，即原始磁盤鏡像格式，移植性好，性能好，但大小固定，不能節省磁盤空間，不支援快照。

2、qcow2，cow 表示 copy on write，能夠節省磁盤空間，支援 AES 加密，支援 zlib 壓縮，支援多快照，功能很多。

3、vmdk 是 VMWare 的虛拟磁盤格式，VMWare 虛機可以直接在 KVM上 運作。

網絡虛拟化

Linux Bridge：

Linux Bridge 是 Linux 上用來做 TCP/IP 二層協定交換的裝置，其功能可以簡單的了解為是一個二層交換機或者 Hub。

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virbr0 是 KVM 預設建立的一個 Bridge，其作用是為連接配接其上的虛機網卡提供 NAT 通路外網的功能。virbr0 預設配置設定了一個IP 192.168.122.1。

brctl show可以檢視的到，配置檔案位于/etc/libvirt/qemu/networks/default.xml

初始模闆位于/usr/share/libvirt/networks/default.xml

virbr0 使用 dnsmasq 提供 DHCP 服務，可以在主控端中檢視該程序資訊。

ps -elf|grep dnsmasq

VLAN

VLAN 表示Virtual Local Area Network，一個帶有 VLAN 功能的switch 能夠将自己的端口劃分出多個 LAN。一個 LAN 表示一個廣播域。VLAN 将一個交換機分成了多個交換機，限制了廣播的範圍。VLAN 的隔離是二層上的隔離，A 和 B 無法互相通路指的是二層廣播包（比如 arp）無法跨越 VLAN 的邊界。但在三層上（比如IP）是可以通過路由器讓 A 和 B 互通的。

通常交換機的端口有兩種配置模式： Access 和 Trunk

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Access 口

這些端口被打上了 VLAN 的标簽，表明該端口屬于哪個 VLAN。

不同 VLAN 用 VLAN ID 來區分，VLAN ID 的 範圍是 1-4096。

Access 口都是直接與計算機網卡相連的，這樣從該網卡出來的資料包流入 Access 口後就被打上了所在 VLAN 的标簽。

Access 口隻能屬于一個 VLAN。

Trunk 口

假設有兩個交換機 A 和 B。

A 上有 VLAN1（紅）、VLAN2（黃）、VLAN3（藍）；B 上也有 VLAN1、2、3

那如何讓 AB 上相同 VLAN 之間能夠通信呢？

辦法是将 A 和 B 連起來，而且連接配接 A 和 B 的端口要允許 VLAN1、2、3 三個 VLAN 的資料都能夠通過。這樣的端口就是Trunk口了。

VLAN1、2、3 的資料包在通過 Trunk 口到達對方交換機的過程中始終帶着自己的 VLAN 标簽。

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eth0 是主控端上的實體網卡，有一個命名為 eth0.10 的子裝置與之相連。

eth0.10 就是 VLAN 裝置了，其 VLAN ID 就是 VLAN 10

eth0.10 挂在命名為 brvlan10 的 LinuxBridge 上，虛機 VM1 的虛拟網卡 vent0 也挂在 brvlan10 上。

這樣的配置其效果就是：

主控端用軟體實作了一個交換機（當然是虛拟的），上面定義了一個 VLAN10。

eth0.10，brvlan10 和 vnet0 都分别接到 VLAN10 的 Access口上。而eth0 就是一個 Trunk 口。

VM1 通過 vnet0 發出來的資料包會被打上 VLAN10的标簽。

eth0.10 的作用是：定義了 VLAN10

brvlan10 的作用是：Bridge 上的其他網絡裝置自動加入到 VLAN10 中。

KVM 的網絡虛拟化總結：

1、實體交換機存在多個 VLAN，每個 VLAN擁有多個端口。

同一 VLAN 端口之間可以交換轉發，不同 VLAN 端口之間隔離。

是以交換機其包含兩層功能：交換與隔離。

2、Linux 的 VLAN 裝置實作的是隔離功能，但沒有交換功能。

一個 VLAN 母裝置（比如 eth0）不能擁有兩個相同 ID 的VLAN 子裝置，是以也就不可能出現資料交換情況。

3、Linux Bridge 專門實作交換功能。

将同一 VLAN 的子裝置都挂載到一個 Bridge 上，裝置之間就可以交換資料了。

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本文轉自Jacken_yang 51CTO部落格，原文連結：http://blog.51cto.com/linuxnote/1881721，如需轉載請自行聯系原作者