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KVM虚拟化

时间:2021/5/31 18:56:57|来源:|点击: 次

文章目录

  • 前言
  • 一、虚拟化技术发展
  • 二、虚拟化类型
  • 三、虚拟化特性
    • 1.优势
    • 2.劣势
    • 3.案例
    • 4.VMM主要功能
  • 四、KVM架构及原理
    • 1.KVM虚拟化架构/模式
    • 2.KVM原理
    • 3.KVM工作流程
    • 4、虚拟化前后的对比

前言

在我们介绍KVM之前,首先必须要认识什么是虚拟化,KMV就是在虚拟化不断发展和优化的过程中而逐渐成熟的一个技术。

根据统计,大部分企业的服务器和数据中心能效实际上很低,日常的服务器使用率甚至不足10%,其他的处理能力一直处于空闲状态。从资源成本的角度来看,这是很不合理的,给企业带来了很大的资源浪费。

考虑到这种情况,就有了虚拟化技术的发展,应如何高效的利用服务器资源?虚拟化使得在一台物理的服务器上可以跑多台虚拟机,虚拟机共享物理机的 CPU、内存、IO 硬件资源,但逻辑上虚拟机之间是相互隔离的。

一、虚拟化技术发展

  • 最初虚拟化技术是从CPU的分片开始,高效的利用CPU。1961年,IBM709机器实现了分时系统,将CPU占用切分为多个极短的时间片(1/100sec)每一个时间片执行不同的工作,通过对这些时间片进行轮询,从而将一个CPU伪装成多个CPU。
  • 1972年, IBM正式将system370机的分时系统命名为虚拟机。
  • 1990年, IBM推出的system390机支持逻辑分区(将一个CPU分为多份,相互独立,也就是逻辑分割)
  • 2003年Xen 问世,它是一个外部的hypervisor程序(虚拟机管理程序),能够控制虚拟机和给多个客户机分配资源。但是,由于它是外部程序软件,在和内核的联系过程过程中中,有性能损耗,以及性能的瓶颈。支持全虚拟化和半虚拟化。
  • 2007年KVM问世,Kernel-based Virtual Machine的简称,现已内置在kernel内核中,支持全虚拟化。

二、虚拟化类型

  • 全虚拟化:将物理硬件资源全部通过软件的方式抽象化,最后进行调用,使用hypervisor(VMM)软件,其原理是在底层硬件和服务器之间建立一个抽象层。
    Hypervisor 直接安装在物理机上,多个虚拟机在 Hypervisor 上运行。Hypervisor 实现方式一般是一个特殊定制的 Linux 系统。Xen 和 VMWare 的 ESXi 都属于这个类型。
  • 半虚拟化:
    物理机上首先安装常规的操作系统,比如 Redhat、Ubuntu 和 Windows。Hypervisor 作为 OS 上的一个程序模块运行,并对虚拟机进行管理。KVM、VirtualBox 和 VMWare Workstation 都属于这个类型。

三、虚拟化特性

1.优势

  • 集中化管理(远程管理、维护)
  • 提高硬件利用率(物理资源利用率低,例如峰值,虚拟化解决了“空闲”容量)
  • 动态调整机器/资源配置(虚拟化把系统的应用程序和服务硬件分离、提高了灵活性)
  • 高可靠(可部署额外的功能和方案,可提高透明负载均衡、迁移、恢复复制等应用环境)

2.劣势

  • 前期高额费用(初期的硬件支持)
  • 降低硬件利用率(特定场景,例:极度吃资源的应用不一定适合虚拟化)
  • 更大的错误影响面(本地物理机down机会导致虚拟机均不可用,同时可能虚拟机中文件全部损坏)
  • 实施配置复杂、管理复杂(管理人员运维、排障困难)
  • 一定的限制性(虚拟化技术涉及各种限制,必须与支持/兼容虚拟化的服务器、应用程序以及供应商结合使用)
  • 安全性(虚拟化技术自身的安全隐患)

3.案例

  • VMwareWorkstation: 使用软件达到虚拟多操作系统
  • VirtualBox: 使用软件虚拟出多物理设备功能

以VMwareworkstation为例

  • workstation支持intel公司和AMD公司的虚拟化技术
  • 硬件辅助虚拟化技术Intel-VT-x AMD-V
    • Intel VT -x技术主要包含CPU、内存和I / O三方面的虚拟化技术,同时提供优化处理(早期为弥补X86架构虚拟化的缺陷)
    • AMD-V是对x86处理器系统架构的一组硬件扩展和硬件辅助虚拟化技术,可以简化纯软件的虚拟化解决方案

改进VMM (虚拟机监视器)的设计,更充分地利用硬件资源,提高服务器和数据中心的虚拟化效率
VMM(虚拟机监视器/管理程序) haperivisor
VMM是一个系统软件, 可以维护多个效、隔离的程序环境(虚拟机),同时可以管理计算机系统的真实资源、为虚拟机提供接口

4.VMM主要功能

  • 对物理资源进行逻辑分割(转化为虚拟资源)
  • 调用虚拟资源供与

四、KVM架构及原理

1.KVM虚拟化架构/模式

客户模式(guestOS):VM中的OS为GuestOS

  • 客户机在操作系统中运行的模式,客户机分为内核模式和用户模式,作用如下:
    • 客户模式
      • 为用户提供虚拟机管理的用户空间工具以及代表用户执行I/O,Qemu_ 工作在此模式下(Qemu的主要功能)
    • linux内核模式
      • 模拟CPU、内存,实现客户模式切换,处理从客户模式的推出,KVM即运行在此模式下

2.KVM原理

以下组件构成一个完整的虚拟化平台

  • Guest: 客户机系统,包括CPU (vCPU) 、内存驱动(Console、 网卡、I/O设备驱动等),
    被KVM置于-种受限制的CPU 模式下运行。
  • KVM内核模块模拟处理器和内存以支持虚拟机运行
  • Qemu 主要处理I/O以及为客户提供一个用户空间/dev/kvm 工具ibvirt来进行虚拟机管理
    • ioctl (定义) 专用于设备输入输出操作的系统调用
    • libvirt: KVM管理工具

简单理解

  • KVM驱动提供处理器、内存的虚拟化,以及客户机I/O的拦截,guest的I/O被拦截后,交由Qemu处理
  • Qemu利用接口libkvm调用(ioctl) 虚拟机设备接口/dev/kvm来分配资源、管理、维护虚拟机
  • 客户机-----用户层/虚拟化层(QEMU)------内核(kvm)之间是通过API接口调用的。

3.KVM工作流程

  • 用户模式的Qemu利用接口libkvm通过ioctl系统调用进入内核模式。
  • KVM驱动为虚拟机创建虚拟CPU和虚拟内存
  • 然后执行VMLAU.NCH指令进入客户模式,装载Guest OS并运行。
  • Guest OS运行过程中如果发生异常,则暂停Guest OS的运行并保存当前状态同时退出到内核模式来处理这些异常。
  • 内核模式处理这些异常时如果不需要I/O则处理完成后重新进入客户模式。
  • 如果需要I/O则进入到用户模式,则由Qemu来处理I/O,处理完成后进入内核模式,再进入客户模式

4、虚拟化前后的对比

  • 虚拟化前
    ①每台主机拥有一个操作系统
    ②软硬件紧密结合
    ③在同—个主机上运行多个应用程序通常会产生冲突
    ④系统资源利用率低(例如:5%)
    ⑤硬件成本高昂并且不够灵活
  • 虚拟化后
    ①打破了操作系统和硬件的互相依赖
    ②通过封装到虚拟机的技术,管理操作系统和应用程序为单一的个体
    ③强大的安全和故障隔离
    ④虚拟机时独立于硬件的,它们可以在任何硬件上运行

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