kvm基本原理

kvm基本原理1

KVM 是指基于 Linux 内核的(Kernel-based Virtual Machine)。增加 KVM 到 Linux 内核是 Linux 发展的一个重要里程碑，这也是第一个整合到 Linux 主线内核的虚拟化技术。在 KVM 模型中，每一个虚拟机都是一个由 Linux 调度程序管理的标准进程，你可以在用户空间启动客户机操作系统。一个普通的 Linux 进程有两种运行模式：内核和用户。 KVM 增加了第三种模式：客户模式(有自己的内核和用户模式)。

　  KVM 所使用的方法是通过简单地加载内核模块而将 Linux 内核转换为一个系统管理程序。这个内核模块导出了一个名为 /dev/kvm 的设备，它可以启用内核的客户模式(除了传统的内核模式和用户模式)。有了 /dev/kvm 设备，VM 使自己的地址空间独立于内核或运行着的任何其他 VM 的地址空间。设备树(/dev)中的设备对于所有用户空间进程来说都是通用的。但是每个打开 /dev/kvm 的进程看到的是不同的映射(为了支持 VM 间的隔离)。KVM安装 KVM 之后，您可以在用户空间启动客户操作系统。每个客户操作系统都是主机操作系统(或系统管理程序)的一个单个进程。 图中提供了一个使用 KVM 进行虚拟化的视图。

 
 KVM 然后会简单地将 Linux 内核转换成一个系统管理程序(在安装 kvm 内核模块时)。由于标准 Linux 内核就是一个系统管理程序，因此它会从对标准内核的修改中获益良多(内存支持、调度程序等)。对这些 Linux 组件进行优化(例如 2.6 版本内核中的新调度程序)都可以让系统管理程序(主机操作系统）和 Linux 客户操作系统同时受益。但是 KVM 并不是第一个这样做的程序。UML 很久以前就将 Linux 内核转换成一个系统管理程序了。使用内核作为一个系统管理程序，您就可以启动其他操作系统，例如另一个 Linux 内核或 Windows 系统。 
  安装 KVM 之后，可以在用户空间启动客户操作系统。每个客户操作系统都是主机操作系统(或系统管理程序)的一个单个进程。 图中提供了一个使用 KVM 进行虚拟化的视图。底部是能够进行虚拟化的硬件平台（目前指的是 Intel VT 或 AMD-SVM 处理器)。在裸硬件上运行的是系统管理程序(带有 KVM 模块的 Linux 内核)。这个系统管理程序与可以运行其他应用程序的普通 Linux 内核类似。但是这个内核也可以支持通过 kvm 工具加载的客户操作系统。最后，客户操作系统可以支持主机操作系统所支持的相同应用程序。 

 KVM 只是虚拟化解决方案的一部分。处理器直接提供了虚拟化支持(可以为多个操作系统虚拟化处器)。内存可以通过 kvm 进行虚拟化。最后，I/O 通过一个稍加修改的 QEMU 进程(执行每个客户操作系统进程的一个拷贝)进行虚拟化。
 KVM 向 Linux 中引入了一种除现有的内核和用户模式之外的新进程模式。这种新模式就称为客户模式，顾名思义，它用来执行客户操作系统代码(至少是一部分代码)。回想一下内核模式表示代码执行的特权模式，而用户模式则表示非特权模式（用于那些运行 在内核之外的程序)。根据运行内容和目的，执行模式可以针对不同的目的进行定义。客户模式的存在就是为了执行客户操作系统代码，但是只针对那些非 I/O 的代码。在客户模式中有两种标准模式，因此客户操作系统在客户模式中运行可以支持标准的内核，而在用户模式下运行则支持自己的内核和用户空间应用程序。客户操作系统的用户模式可以用来执行 I/O 操作，这是单独进行管理的。
 在客户操作系统上执行 I/O 的功能是由 QEMU 提供的。QEMU 是一个平台虚拟化解决方案，允许对一个完整的 PC 环境进行虚拟化(包括磁盘、图形适配器和网络设备)。客户操作系统所生成的任何 I/O 请求都会被中途截获，并重新发送到 QEMU 进程模拟的用户模式中。

 KVM 通过 /dev/kvm 设备提供了内存虚拟化。每个客户操作系统都有自己的地址空间，并且是在实例化客户操作系统时映射的。映射给客户操作系统的物理内存实际上是映射给这个进程 的虚拟内存。为了支持客户物理地址到主机物理地址的转换，系统维护了一组影子页表(shadow page table)。处理器也可以通过在访问未经映射的内存位置时使用系统管理程序(主机内核)来支持内存转换进程。
  实例化新客户操作系统
  新客户操作系统的实例化是由一个名为 kvm 的工具提供的。这个工具可以与 kvm 模块协同工作，使用 /dev/kvm 来加载客户操作系统，将它与虚拟磁盘(主机操作系统中的一个普通文件)关联起来，然后启动客户操作系统。
  通过一组在 /dev/kvm 设备上执行的 ioctls 可以提供控制支持。当第一次打开这个特殊文件时，就会创建一个新的 VM 对象，它与一个虚拟 CPU 关联在一起。您然后可以使用几个 ioctls 来创建一个虚拟 CPU，检查 kvm 版本，创建内存区域，然后启动一个虚拟 CPU。您可以使用 kvm 命令实现这种功能。

kvm基本原理2

 KVM的思想是在Linux内个的基础上添加虚拟机管理模块,重用Linux内核中已经完善的进程调度,内存管理,IO管理等部分,因此KVM并不是一个完整的模拟器,而只是一个提供虚拟化功能的内核插件,具体的模拟器工作是借助QEMU来完成的.
 
  在Xen的体系结构中,Xen Hypervisor运行于硬件之上,并且将系统资源进行了虚拟化,将虚拟化的资源分配给上层的虚拟机(VM),然后通过虚拟机VM来运行相应的客户机操作系统.

  在KVM中,一个虚拟机就是一个传统的Linux中的线程,拥有自己的PID号,也可以被kill系统调用直接杀死(在这种情况下,虚拟机的行为表现为"突然断电").在一个Linux系统中,有多少个VM,就有多少个进程.如:

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107   2349   1  4 Mar01 ?  1-10:21:43 /usr/bin/kvm -name instance-00000074 -S -M pc-1.2 -cpu Penryn,+dca,+pdcm,+xtpr,+tm2,+vmx,+ds_cpl,+monitor,+dtes64,+pbe,+tm,+ht,+ss,+acpi,+ds,+vme -enable-kvm -m 2048 -smp 2,sockets=2,cores=1,threads=1 -uuid f8450270-9d96-4dba-b1c2-8ebcef1ff012 -no-user-config -nodefaults -chardev socket,id=charmonitor,path=/var/lib/libvirt/qemu/instance-00000074.monitor,server,nowait -mon chardev=charmonitor,id=monitor,mode=control -rtc base=utc,driftfix=slew -no-kvm-pit-reinjection -no-shutdown -device piix3-usb-uhci,id=usb,bus=pci.0,addr=0x1.0x2 -drive file=/var/lib/nova/instances/instance-00000074/disk,if=none,id=drive-virtio-disk0,format=qcow2,cache=none -device virtio-blk-pci,scsi=off,bus=pci.0,addr=0x4,drive=drive-virtio-disk0,id=virtio-disk0,bootindex=1 -netdev tap,fd=20,id=hostnet0,vhost=on,vhostfd=22 -device virtio-net-pci,netdev=hostnet0,id=net0,mac=fa:16:3e:7b:8b:b6,bus=pci.0,addr=0x3 -chardev file,id=charserial0,path=/var/lib/nova/instances/instance-00000074/console.log -device isa-serial,chardev=charserial0,id=serial0 -chardev pty,id=charserial1 -device isa-serial,chardev=charserial1,id=serial1 -device usb-tablet,id=input0 -vnc 10.1.1.190:1 -k en-us -vga cirrus -device virtio-balloon-pci,id=balloon0,bus=pci.0,addr=0x5
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root  2350   2  0 Mar01 ?  00:00:00 [vhost-2349]
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root  2354   2  0 Mar01 ?  00:00:00 [kvm-pit/2349]

  以上VM进程信息是通过qemu-kvm来进行的,相关的控制开关作为命名行参数输入,如虚拟映像对应的磁盘,虚拟网卡,VNC设置,显卡设置和IO设置等.

  KVM的API是通过/dev/kvm设备进行访问的./dev/kvm是一个字符型设备.

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root@ubuntu:~# ls -l /dev/kvm
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crw-rw---- 1 root kvm 10, 232 Mar 14 14:20 /dev/kvm

  kvm仅仅是Linux内核的一个模块,管理和创建完整的KVM虚拟机,需要更多的辅助工具.
1.qemu-Kvm:仅有KVM模块是远远不够的,因为用户无法直接控制内核模块去做事情,还必须有一个用户空间的工具。关于用户空间的工具,KVM 的开发者选择了已经成型的开源虚拟化软件 QEMU.QEMU 是一个强大的虚拟化软件,它可以虚拟不同的 CPU 构架.
 运行在内核态的KVM模块通过/dev/kvm字符设备文件向外提供操作接口.KVM通过提供libkvm这个操作库,将/dev/kvm这一层面的ioctl类型的API转化成为通常意义上的函数API调用,提供给QEMU的相应适配层. 
 比如说在x86 的CPU上虚拟一个Power的CPU,并利用它编译出可运行在 Power上的程序.KVM使用了QEMU的基于x86的部分,并稍加改造,形成可控制KVM内核模块的用户空间工具QEMU-KVM.所以Linux发行版中分为kernel部分的KVM内核模块和QEMU-KVM工具.这就是KVM和QEMU 的关系.

2.Libvirt,virsh,virt-manager:尽管QEMU-KVM工具可以创建和管理KVM虚拟机,RedHat为KVM开发了更多的辅助工具,比如 libvirt、libguestfs 等。原因是QEMU工具效率不高,不易于使用.Libvirt 是一套提供了多种语言接口的API,为各种虚拟化工具提供一套方便,可靠的接口,不仅支持KVM,而且支持 Xen 等其他.使用 libvirt,你只需要通过 libvirt 提供的函数连接到 KVM 或 Xen 宿主机,便可以用同样的命令控制不同的虚拟机了.Libvirt不仅提供了 API,还自带一套基于文本的管理虚拟机的命令—— virsh,你可以通过使用 virsh命令来使用libvirt的全部功能。但最终用户更渴望的是图形用户界面,这就是 virt-manager.它是一套用 python编写的虚拟机管理图形界面,用户可以通过它直观地操作不同的虚拟机.Virt-manager 就是利用libvirt的API实现的。