KVM详解

kvm ginotang 1481℃ 0评论

什么是虚拟化

我们常说的虚拟化通常是指平台虚拟化(plaform virtualization),通过在原有的硬件资源的基础上,利用某些技术手段创建一套虚拟的硬件资源,然后在这个虚拟的硬件平台上安装一个完整的操作系统。一台性能良好的服务器可以安装多个系统,这些虚拟的系统称为客户操作系统。

虚拟化的类型

按照实现方式的不同,虚拟化可以分为完全虚拟化(full virtualization)和半虚拟化(paravirtualization),在解释这两种虚拟化的区别之前,需要先了解一些知识:cpu的运行级别。如下图

protection ring

protection ring

从内到外,一共有4个运行级别:它们是ring0、ring1、ring2还有ring3,ring0通常称为内核空间,ring3则称为用户空间。内核代码运行于ring0中,它要求的权限是最高的,任何直接操作硬件的代码都必须运行在ring0中,例如cpu操作、内存操作和其他IO操作。再来看ring3,它的权限是最低的,我们平时使用的应用程序基本上都是运行在这个级别,这些程序必须通过ring0的协助,才能完成它们的指令,例如写硬盘。在linux中,ring3和ring0之间的交互层称为系统调用(system call),例如read、write函数,这些都是典型的系统调用,由Linux kernel提供。

hypervisor和VMM

可以把hypervisor和VMM(virtual machine monitor)理解为同一样东西,它们都是用于监控和控制虚拟机操作系统。在创建虚拟机的过程中,会虚拟出一整套的硬件资源,例如硬盘、内存、CPU、网络设备等,这些工作都是由hypervisor负责,除此之外,它还负责虚拟系统运行过程的资源分配和虚拟机的生命周期管理等。

type 1虚拟化和type 2虚拟化

根据hypervisor所处的位置不同,可以划分为type 1虚拟化和type 2虚拟化。

一个显著的特点是:

  • type 1虚拟化的hypervisor可以直接运行在裸机上面,hypervisor和实体硬件之间不存在操作系统层面。VMware ESXi就属于典型的1型虚拟化。
  • type 2虚拟化的hypervisor必须基于现有操作系统(host system),不能直接运行于裸机中。virtualbox和vmware workstation就属于这一类,有人说kvm也是属于type 2虚拟化,但RedHat 官方把kvm归为type 1虚拟化。

下面是Redhat的原文:

KVM converts Linux into a type-1 (bare-metal) hypervisor. All hypervisors need some operating system-level components—such as a memory manager, process scheduler, input/output (I/O) stack, device drivers, security manager, a network stack, and more—to run VMs. KVM has all these components because it’s part of the Linux kernel. Every VM is implemented as a regular Linux process, scheduled by the standard Linux scheduler, with dedicated virtual hardware like a network card, graphics adapter, CPU(s), memory, and disks.

文章链接: What is KVM

全虚拟化和半虚拟化

现在回过头来解释全虚拟化和半虚拟化。下面是它们的一些区别

  • 全虚拟化中的虚拟系统不知道自己安装在虚拟机中,它像安装在实体机中一样执行任务
  • 全虚拟化系统的内核不需要经过修改
  • 半虚拟化的系统知道自己处于虚拟机环境
  • 半虚拟化系统的内核必须经过更改才能被安装

在虚拟化中,我们的宿主操作系统的内核已经占据了CPU的ring0运行级别,也就是说客户机操作系统已经不能在这个级别运行,怎么办呢?虽然客户机操作系统不能运行在ring0,但是hypervisor可以。所以客户操作系统退而求其次,运行于ring1中,造成的问题是:内核空间中的代码无法运行。解决办法如下:

  • 客户操作系统如常运行
  • hypervisor捕捉客户操作系统无法执行ring0指令时抛出的异常,把指令翻译后进行模拟,最后返回给客户操作系统

这个翻译的过程称为二进制翻译(binary transaction),它的问题是这样一来一回,会造成性能损耗。针对这个问题,出现了半虚拟化,半虚拟化的核心是:

  • 一个被修改过内核的操作系统,替换掉不能虚拟化的指令(把正常的system call变为hyper call)
  • hyper call直接和hypervisor打交道,省去了捕获和翻译的过程,从而提升性能

就目前的趋势来看,全虚拟化的性能现在已经越来越高,在x64平台上甚至已经超过了半虚拟化,因此未来基本上都是全虚拟化的天下。

QEMU和KVM的关系

QEMU初期是一个完整的虚拟化解决方案,但它的缺点是笨重,且性能不怎样。但后来被KVM项目组的人看中,经过精简和优化后整合到KVM,因此现在它们被称为QEMU-KVM,qemu的作用就是模拟虚拟机的硬件。虽然它们两是一个整体,但是它们的运行级别不同:

  • KVM是一个内核模块,因此它运行于内核空间
  • QEMU是运行于用户空间的一个应用程序

KVM包含三个模块:

  • kvm.ko
  • kvm-intel.ko
  • kvm-amd.ko

kvm.ko是一个和cpu架构无关的通用内核模块,其他两个是cpu相关的。如果内核检测到vmx标记,那么就加载kvm-intel.ko,相反,如果检测到svm标记,就加载kvm-amd.ko。

单独的内核不是hypervisor,qemu和kvm也不是hypersior;qemu-kvm加上已经加载了kvm模块的内核,就组成了一个功能完整的hypervisor。

除了模拟硬件外,QEMU有两个重要功能:

  • 执行二进制翻译功能 ,前面已经介绍了binary transaction的重要性,这个功能就是由qemu负责的
  • 初始化vcpu线程和IO线程

一个虚拟机实际上是内存中的一个qemu进程,vcpu和io线程就在qemu进程中。一开始我们已经说过,qemu被kvm项目组的人优化过,那么优化了什么?

在解释全虚拟化的时候,我们说过hypervisor会执行动态二进制翻译过程,结果是导致虚拟机性能低下,为了解决这个问题,kvm项目组在优化和整合qemu的时候,使它可以直接和kvm模块交互,从而可以不使用二进制翻译就能安全地执行虚拟机的指令

既然kvm和qemu的运行级别不同,那么它们是如何通讯的呢?答案是/dev/kvm设备。只要加载了kvm模块,这个设备就存在,通过这个设备,qemu就可以实现ioctl操作。

libvirt

libvirt是一个应用程序编程接口,它提供了一系列的API,便于我们和hypervisor通讯。简单来说,libvirt包含一个守护进程(libvirtd)和一系列hypervisor管理工具。基于libvirt开发的程序有virsh、ovirt、virt-manager等。它不仅可以用于kvm/qemu,还支持Xen、LXC、Vmware ESX等。

libvirt不仅可以管理本地节点,通过--connect参数,还可以管理远程节点。以virsh为例子,可用于virsh的connection URI有两种类型:

  • qemu://xxxxx/system
  • qumu://xxxxx/session

第一个URI用于连接本地虚拟机节点,且请求连接的用户是root,第二个URI同样用于连接本地节点,但它的请求连接用户则是一个普通用户。

例如:

对于远程节点,connection URI格式如下:

例如:

但是请不要误解:libvirt连接的只是hypervisor,而不是虚拟机。

转载请注明:Pure nonsense » KVM详解

喜欢 (1)
0 0 投票数
文章评分
订阅评论
提醒
guest
0 评论
内联反馈
查看所有评论
0
希望看到您的想法,请您发表评论x
()
x