KVM--基于內(nèi)核的虛擬化技術(shù)

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介紹KVM，它的本質(zhì)以及如何配置和安裝。虛擬化最近幾年取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，首先由于有大量的開源虛擬機(jī)管理程序在不斷發(fā)展，這個(gè)改進(jìn)幾乎排除了操作系統(tǒng)與大功率服務(wù)器快速增長(zhǎng)的利用之間的障礙，公司立即受益。知道最近，軟件仿真虛擬化一直是關(guān)注的焦點(diǎn)，兩個(gè)常見的軟件仿真虛擬化途徑是完全虛擬化和半虛擬化。對(duì)于完全虛擬化，通常調(diào)用管理程序或虛擬機(jī)監(jiān)視器，存在于虛擬操作系統(tǒng)和硬件層之間，這個(gè)層在操作系統(tǒng)實(shí)例之間多路復(fù)用競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)資源。半虛擬化不同，管理程序在一個(gè)協(xié)作的環(huán)境中運(yùn)作，因?yàn)槊總€(gè)客戶操作系統(tǒng)都知道它正運(yùn)行在一個(gè)虛擬化環(huán)境中，因此每個(gè)使用管理程序的協(xié)作都在硬件下完成虛擬。

兩個(gè)途徑都有優(yōu)勢(shì)也有劣勢(shì)，半虛擬化的主要優(yōu)勢(shì)在于它運(yùn)行盡可能快地基于軟件的虛擬化，以不支持有專利的操作系統(tǒng)為代價(jià)。完全虛擬化沒有這個(gè)限制，但是，完全虛擬化管理程序非常復(fù)雜。VMware，一個(gè)商業(yè)虛擬化解決方案，它就是一個(gè)完全虛擬化的例子，Xen，用戶模式Linux(UML)和其他提供的是半虛擬化解決方案。

簡(jiǎn)單介紹一下基于硬件的虛擬化，這個(gè)線路已經(jīng)變得模糊起來，隨著Intel的VT技術(shù)和AMD的SVM技術(shù)的出現(xiàn)，編寫一個(gè)管理程序變得更加簡(jiǎn)單了，現(xiàn)在，保持管理程序復(fù)雜性到最小程度，對(duì)于完全虛擬化受益匪淺。

Xen作為最優(yōu)秀的半虛擬化引擎，在基于硬件的虛擬化的幫助下，現(xiàn)在也支持完全虛擬化MS windows了。KVM是一個(gè)相對(duì)較新的簡(jiǎn)單的，但也非常強(qiáng)大的虛擬化引擎，它已經(jīng)集成到Linux內(nèi)核中去了，讓內(nèi)核天生有虛擬化的能力，因?yàn)镵VM使用的是基于硬件的虛擬化技術(shù)，它不需要修改客戶操作系統(tǒng)，因此，部署在一個(gè)受支持的處理器上，它可以從Linux支持任何平臺(tái)。

KVM

kvm是一個(gè)獨(dú)特的管理程序，kvm開發(fā)者們發(fā)明了一個(gè)方法讓Linux內(nèi)核自身變成一個(gè)管理程序，通過將KVM作為一個(gè)內(nèi)核模塊實(shí)現(xiàn)，在虛擬環(huán)境下Linux內(nèi)核集成管理程序?qū)⑵渥鳛橐粋€(gè)可加載的模塊可以簡(jiǎn)化管理和提升性能。這可能是開發(fā)者將KVM添加到內(nèi)核的主要原因。

這種方法有許多優(yōu)勢(shì)，通過添加虛擬化功能到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核，虛擬環(huán)境能從所有正在Linux內(nèi)核上運(yùn)行的工作中受益，在這種模式下，每個(gè)虛擬機(jī)都是一個(gè)常規(guī)的Linux進(jìn)程，通過Linux調(diào)度程序進(jìn)行調(diào)度，通常，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Linux進(jìn)程都有兩個(gè)執(zhí)行模式：內(nèi)核模式和用戶模式。對(duì)于應(yīng)用程序而言用戶模式是默認(rèn)模式，當(dāng)它需要一些來自內(nèi)核的服務(wù)時(shí)就進(jìn)入內(nèi)核模式，如往磁盤上寫入時(shí)。KVM添加了第三個(gè)模式：客戶模式。

客戶模式進(jìn)程是運(yùn)行在虛擬機(jī)內(nèi)的，它非常象正常模式(無虛擬實(shí)例)，有它自己的內(nèi)核和用戶空間變量、在客戶模式下可以使用正常的kill和ps命令，因?yàn)闊o虛擬實(shí)例，KVM虛擬機(jī)表現(xiàn)為一個(gè)正常的進(jìn)程，能象其他進(jìn)程一樣被殺掉，KVM利用硬件虛擬技術(shù)虛擬處理器的形態(tài)，虛擬機(jī)的內(nèi)存管理由內(nèi)核直接處理，目前的版本I/O在用戶空間處理，主要通過QEMU完成。

一個(gè)典型的KVM安裝包括以下部件：

一個(gè)管理虛擬硬件的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，這個(gè)驅(qū)動(dòng)通過一個(gè)字符設(shè)備/dev/kvm陳列它的功能

一個(gè)模擬pc硬件的用戶空間部件，目前，這在用戶空間處理，它是一個(gè)稍微改動(dòng)過的QEMU進(jìn)程。

I/O模型直接衍生于QEMU，支持寫時(shí)復(fù)制磁盤映像和其他QEMU特征。

你如何查明你的系統(tǒng)是否能運(yùn)行KVM?首先，你需要一個(gè)支持虛擬化的處理器，這里有一個(gè)兼容KVM的處理器列表(http://wiki.xensource.com/xenwiki/HVM_Compatible_Processors)，看看你的處理器是否在其中。另外，你還可以檢查/proc/CPUinfo，如果在cpu flags字段看到了vmx或smx，那么你的處理器就支持KVM。

如何比較KVM和現(xiàn)存的管理程序

相對(duì)它的競(jìng)爭(zhēng)者而言，KVM還是一個(gè)比較新的項(xiàng)目，與KVM的主要開發(fā)者Avi Kivity會(huì)面時(shí)，他是這樣與其他解決方案做對(duì)比的：

在許多方面，VMware是一個(gè)基礎(chǔ)破壞技術(shù)，它只用軟件技術(shù)管理眾所周知地的復(fù)雜的x86架構(gòu)的完全虛擬化，達(dá)到了非常好的性能和穩(wěn)定性。結(jié)果，VMware變得非常大而其非常復(fù)雜的軟件了。換句話說，KVM依賴于最新的硬件的虛擬技術(shù)，就其本身而論，它非常小(大約1萬行代碼)且相當(dāng)簡(jiǎn)單，另外一個(gè)巨大的不同之處是VMware是有專利的，而KVM是開源的。

Xen是一個(gè)相當(dāng)大的項(xiàng)目，同時(shí)提供半虛擬化和完全虛擬化，它被設(shè)計(jì)為一個(gè)獨(dú)立的內(nèi)核，它只需要Linux執(zhí)行I/O，這樣使得它相當(dāng)?shù)拇螅凶约旱恼{(diào)度程序、內(nèi)存管理器、計(jì)時(shí)器和機(jī)器初始化程序。

相反，KVM使用標(biāo)準(zhǔn)Linux調(diào)度程序、內(nèi)存管理器和其他服務(wù)。這樣KVM開發(fā)者們可以集中精力在虛擬化上，將虛擬技術(shù)建立在內(nèi)核上而不是去替換內(nèi)核。

QEMU是一個(gè)用戶空間模擬器，它是一個(gè)相當(dāng)驚人的項(xiàng)目，可以在不同宿主處理器上模擬非常多的客戶處理器，而且性能非常好。但是，用戶空間架構(gòu)不允許它在無內(nèi)核加速器的情況下解決天生的速度問題。KVM認(rèn)可QEMU的實(shí)用價(jià)值，使用它進(jìn)行I/O硬件模擬。盡管KVM不帶有任何特殊的用戶空間，但QEMU代碼寫得非常好--因此我們使用了這些代碼。

但是，KVM也不是完美的，因?yàn)樗€是一個(gè)新技術(shù)，它包括下面的這樣一些限制：

在寫本文的時(shí)候，KVM僅支持Intel和AMD虛擬化，而Xen還支持IBM PowERPC和Itanium【安騰】處理器。

目前的版本最宿主SMP處理器的支持還比較弱。

性能調(diào)整

但是，這個(gè)項(xiàng)目在快速地發(fā)展，按照Avi Kivity所說的，KVM已經(jīng)在某些方面超過了Xen，將來在其他方面也將趕上Xen。

虛擬化如何工作

臺(tái)虛擬化是一個(gè)舊技術(shù)了，但是，最近幾年，硬件和操作系統(tǒng)都很成熟了，有望實(shí)現(xiàn)真正的虛擬化，大多數(shù)虛擬化基礎(chǔ)部分是管理程序，管理程序在虛擬客戶操作系統(tǒng)和真實(shí)硬件之間充當(dāng)一個(gè)中間層，有時(shí)候，管理程序就是操作系統(tǒng)，如Xen，其他時(shí)候，它是用戶層軟件，如VMware，虛擬客戶操作系統(tǒng)或虛擬實(shí)例是一個(gè)隔離的操作系統(tǒng)，但是，實(shí)際上是管理程序提供了這種幻覺。

支持虛擬化的處理器

由于虛擬技術(shù)的復(fù)活，微處理器廠商已經(jīng)更新了它們的處理器，天生就支持虛擬化了。允許處理器直接支持管理程序，使得開發(fā)管理程序的任務(wù)更簡(jiǎn)單了，處理器為宿主操作系統(tǒng)和客戶操作系統(tǒng)管理處理器的狀態(tài)，還以虛擬操作系統(tǒng)的名義管理I/O和中斷。

安裝KVM

KVM已經(jīng)被添加到許多發(fā)行版中了，包括OpenSUSE/SUSE，Fedora 7(內(nèi)置了KVM)，DeBIan和Ubuntu(Feisty)。

對(duì)于其他發(fā)行版而言，你需要下載2.6.20及以上的內(nèi)核版本，在自定義編譯內(nèi)核時(shí)，在進(jìn)行內(nèi)核配置時(shí)選擇Device?Virtualization，啟用support for hardware-based virtualization【支持基于硬件的虛擬化】，你還可以隨KVM模塊一起從http://sourceforge.net/project/showfiles.php?group_id=180599獲取用戶空間工具。

我已經(jīng)安裝了OpenSUSE軟件包，因此，在本文中例子中的文件名可能與你的發(fā)行版不一樣。

創(chuàng)建客戶操作系統(tǒng)

使用編譯好的支持虛擬化技術(shù)的內(nèi)核，下一步工作是為客戶操作系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)磁盤映像，你可以用qemu-img命令來完成，下面有展示，注意映像的大小是6GB，但是使用QEMU的寫時(shí)復(fù)制格式(qcow)時(shí)，文件將按需增大，而不是一次性占用6GB空間。

#qemu-img create -f qcow image.img 6G

在目前的KVM版本下I/O是由QEMU處理的，因此讓我們查看一些重要的QEMU參數(shù)：

-m：按兆字節(jié)(MB)顯示的內(nèi)存

-cdrom：理論上是一個(gè)iso鏡像文件，充當(dāng)虛擬機(jī)的一個(gè)cd-rom驅(qū)動(dòng)器，如果不指定cdrom參數(shù)，ide1主驅(qū)動(dòng)器將充當(dāng)cd-rom。

-hda：指向一個(gè)QEMU寫時(shí)復(fù)制鏡像文件，要指定多個(gè)磁盤，我們可以這樣：

#qemu-kvm -m 384 -hda vmdisk1.img -hdb vmdisk2.img -hdc vmdisk3.img

-boot：允許我們自定義啟動(dòng)選項(xiàng);-d參數(shù)指定從cd-rom啟動(dòng)。

默認(rèn)命令從一個(gè)子窗口啟動(dòng)客戶操作系統(tǒng)，但是你可以通過下面的參數(shù)以全屏模式啟動(dòng)：

-fulle-screen

另外，KVM允許在虛擬環(huán)境中進(jìn)行低級(jí)硬件控制，你可以通過特殊的參數(shù)重定向串口、并口和USB端口到指定的設(shè)備。聲音在虛擬機(jī)中也是支持的，你可以通過-soundhw參數(shù)在虛擬機(jī)中啟用你的聲卡。

下面是一些快捷鍵：

Ctrl-Alt-F：固定為全屏幕

Ctrl-Alt-N：切換到虛擬控制臺(tái)N

Ctrl-Alt：固定鼠標(biāo)和鍵盤

結(jié)論

隨著Linux內(nèi)核引入KVM，將來的Linux發(fā)行版將內(nèi)置支持虛擬化技術(shù)，將不再需要任何雙啟動(dòng)安裝，因?yàn)樗心阈枰乃袘?yīng)用程序都能直接從Linux桌面運(yùn)行，KVM只是眾多開源管理程序的其中一員，再一次肯定了開源已經(jīng)成為虛擬技術(shù)的前進(jìn)方向。