KVM基本原理和架构二 -- 基本原理

2 KVM基本原理

2.1 KVM架构

KVM：Kernel-based Virtual Machine，是基于Linux内核的开源虚拟化解决方案，从2.6.20版本开始被合入kernel主分支维护。最初只支持X86平台的上支持VMX或者SVM的CPU，不久后被确认为标准Linux内核的虚拟化方案并逐步支持S390、IA64和PowerPC等体系架构；KVM本身只提供部分的虚拟化功能（虚拟CPU和内存），而由经过特殊改造后的Qemu(Qemu-kvm)来帮助下提供完整的平台虚拟化功能。

KVM依赖于x86硬件的虚拟化特性，提供全虚拟化的虚拟机，其基本思想是在Linux内核的基础上添加虚拟机管理模块，重用Linux内核中已完善和成熟的机制和模块，比如进程调度、内存管理、IO管理等，使之成为一个可以支持运行虚拟机的Hypervisor。整体架构如下图所示：

 KVM是基于硬件辅助虚拟化技术(如Intel VT-x)的全虚拟化解决方案，如上图所示，说明如下：

ü VMM(即KVM内核)运行于根模式下的Ring0；

ü 主机上的用户态进程运行于根模式下的Ring3；

ü 虚拟机中的Kernel运行于非根模式下的Ring0；

ü 虚拟机中的用户态进程运行于非根模式下的Ring3；

ü Qemu-kvm是KVM官方提供并维护的改进后的Qemu，针对KVM解决方案，将标准Qemu做了针对性的改造，使其具有更好的性能，并与KVM进行了完美的融合；

ü 一个VM(虚拟机)就是一个传统的Linux进程，VM运行于Qemu-KVM进程的地址空间中；

ü VMM向上层提供/dev/kvm接口，/dev/kvm是一个标准的字符设备，通过ioctl接口控制；Qemu-kvm通过调用/dev/kvm设备的ioctl接口，对虚拟机进行相关控制，比如创建虚拟机、创建VCPU、运行虚拟机等；

ü 为提升KVM虚拟机中的IO性能，KVM还提供了Virtio驱动，相当于Xen环境中的半虚拟化驱动。

2.2 KVM运行视图

KVM运行的基本如下图所示：

 流程描述：

1、运行在用户态的Qemu-kvm通过ioctl系统调用操作/dev/kvm字符设备，创建VM和VCPU

2、内核KVM模块负责相关数据结构的创建即初始化，然后返回用户态

3、Qemu-kvm通过ioctl调用运行VCPU，即调度相应的VM运行

4、内核进行相关处理后，执行VMLAUNCH指令，通过VM-Entry进入Guest OS运行，Guest OS运行于非根模式下。

5、Guest OS执行相应的虚拟机代码，非敏感指令可直接在物理CPU上运行

6、当Guest OS中执行到敏感指令、发生外部中断、或Guest OS发生内部异常时，将产生VM-Exit，并将相关信息记录到VMCS结构中

7、VM-Exit使CPU退回到根模式下，由VMM读取VMCS结构判断VM-Exit的原因

8、如是IO操作或是其他外设指令，则返回到用户态Qemu-kvm(即根模式下的Ring3)，由Qemu-kvm完成对相关指令的模拟。

9、如果不是，则由VMM自行处理

10、处理完成后，重新VM-entry进入到Guest OS运行。

2.3 KVM内核模块组成

KVM主要由3个内核模块组成：

ü Kvm.ko

ü Kvm-intel.ko

ü Kvm-amd.ko

Kvm.ko是KVM的核心公共模块，kvm-intel.ko和kvm-amd.ko分别是针对Intel和AMD平台架构的独立模块。在KVM核心公共模块中，包含了IOMMU、中断控制、KVM arch、设备管理等部分代码，这些代码构成了虚拟机管理的核心功能，从这些模块的大致信息，也可以看出KVM自身并没有实现一个完整的PC系统的虚拟化，而只是实现了最核心的CPU虚拟化、内存虚拟化和IO虚拟化等部分功能并向上层提供了相应的API，其余虚拟化和管理工作主要交给了Qemu-kvm负责。