時間：2015-06-28 00:00:00 來源：IT貓撲網(wǎng) 作者：網(wǎng)管聯(lián)盟 我要評論(0)
Linux 既有良好的靈活性，在虛擬化方面同樣出色。但是最近，隨著內(nèi)核虛擬機（KVM）的出現(xiàn)，Linux 虛擬化的前景發(fā)生了變化。KVM 是構(gòu)成主流 Linux 內(nèi)核（V2.6.20）一部分的第一個虛擬化解決方案。KVM 支持 Linux 客戶操作系統(tǒng)的虛擬化 —— 甚至支持其硬件對虛擬化敏感的 Windows 系統(tǒng)的虛擬化。了解 Linux KVM 的架構(gòu)并了解它與內(nèi)核的緊密集成為何會改變您使用 Linux 的方式。
簡介
虛擬化 概念很早就已出現(xiàn)。簡單來說，虛擬化就是使用某些程序，并使其看起來類似于其他程序的過程。將這個概念應(yīng)用到計算機系統(tǒng)中可以讓不同用戶看到不同的單個系 統(tǒng)（例如，一臺計算機可以同時運行 Linux 和 Microsoft Windows）。這通常稱為全虛擬化（full virtualization）。
虛擬化也可以使用更加復(fù)雜的格式，其中單個計算機看上去具有多個架構(gòu)（對于一個用戶來說，它是一個標(biāo)準(zhǔn)的 x86 平臺；對于另外一個用戶來說，它是 IBM Power PC 平臺）。這種虛擬化形式通常被稱為 硬件仿真。
最后，更加簡單的一種虛擬化是操作系統(tǒng)虛擬化，其中一臺計算機可以運行相同類型的多個操作系統(tǒng)。這種虛擬化可以將一個操作系統(tǒng)的多個服務(wù)器隔離開來（這意味著全都必須使用相同類型和版本的操作系統(tǒng)）。
虛擬化和準(zhǔn)虛擬化（para-virtualization）
虛擬化最常使用的兩種方法是全虛擬化 和準(zhǔn)虛擬化。使用全虛擬化，在虛擬化的操作系統(tǒng)和硬件之間存在一個層，用于決定訪問。這個層稱為系統(tǒng)管理程序 或虛擬機監(jiān)視器（VMM）。準(zhǔn)虛擬化與之類似，但是系統(tǒng)管理程序會以一種更具協(xié)作性的方式進(jìn)行操作。這是因為每個客戶操作系統(tǒng)都了解自己正在虛擬化模式中 運行，因此每個系統(tǒng)都與系統(tǒng)管理程序協(xié)作，來實現(xiàn)底層硬件的虛擬化。
全虛擬化的例子包括商業(yè)虛擬化解決方案 VMware，以及商業(yè) IBM zSeries 計算機上使用的 IBM System z9 Virtual Machine（z/VM）操作系統(tǒng)。準(zhǔn)虛擬化的例子有 Xen 和 User-Mode-Linux (UML)。 KVM 也被認(rèn)為是一個全虛擬化解決方案，不過我們稍后再介紹這個問題。
虛擬化的工作原理
我們首先簡要介紹一下虛擬化技術(shù)及其涉及的元素。虛擬化解決方案的底部是要進(jìn)行虛擬化的機器。這臺機器可能直接支持虛擬化，也可能不會直接支持虛擬化；那 么就需要系統(tǒng)管理程序 層的支持。系統(tǒng)管理程序，或稱為 VMM，可以看作是平臺硬件和操作系統(tǒng)的抽象化。在某些情況中，這個系統(tǒng)管理程序就是一個操作系統(tǒng)；此時，它就稱為主機操作系統(tǒng)，如 圖 1 所示。
圖 1. 虛擬化的分層抽象
系統(tǒng)管理程序之上是客戶機操作系統(tǒng)，也稱為虛擬機（VM）。這些 VM 都是一些相互隔離的操作系統(tǒng)，將底層硬件平臺視為自己所有。但是實際上，是系統(tǒng)管理程序為它們制造了這種假象。
目前使用虛擬化解決方案的問題是，并非所有硬件都可以很好地支持虛擬化。較老的 x86 處理器根據(jù)執(zhí)行范圍對特定指令會產(chǎn)生不同結(jié)果。這就產(chǎn)生了一個問題，因為系統(tǒng)管理程序應(yīng)該只能在一個最受保護(hù)的范圍中執(zhí)行。由于這個原因，諸如 VMWare 之類的虛擬化解決方案會提前掃描要執(zhí)行的代碼，從而將這些指令替換為一些陷阱指令（trap instruction），這樣系統(tǒng)管理程序就可以正確地處理它們。Xen 可以支持一種協(xié)作的虛擬化方法，它不需要任何修改，因為客戶機知道自己正在進(jìn)行虛擬化，并已經(jīng)進(jìn)行了修改。KVM 會簡單地忽略這個問題，如果您希望進(jìn)行虛擬化，就強制必須在更新的硬件上運行。
剛開始會覺得這有些不方便，但是考慮到目前上市的較新機器都可以支持虛擬化（例如 Intel VT 和 AMD SVM），用不了多久，這將成為標(biāo)準(zhǔn)方法而不是少數(shù)例外情況。
KVM 系統(tǒng)管理程序
考慮到虛擬化技術(shù)的發(fā)展時間并不長，KVM 實際上還是一種相對來說比較新的技術(shù)。目前存在各具功能的開源技術(shù)，例如 Xen、Bochs、UML、Linux-VServer 和 coLinux，但是 KVM 目前正在被大量使用。另外，KVM 不再僅僅是一個全虛擬化解決方案，而將成為更大的解決方案的一部分。
KVM 所使用的方法是通過簡單地加載內(nèi)核模塊而將 Linux 內(nèi)核轉(zhuǎn)換為一個系統(tǒng)管理程序。這個內(nèi)核模塊導(dǎo)出了一個名為 /dev/kvm 的設(shè)備，它可以啟用內(nèi)核的客戶模式（除了傳統(tǒng)的內(nèi)核模式和用戶模式）。有了 /dev/kvm 設(shè)備，VM 使自己的地址空間獨立于內(nèi)核或運行著的任何其他 VM 的地址空間。設(shè)備樹（/dev）中的設(shè)備對于所有用戶空間進(jìn)程來說都是通用的。但是每個打開 /dev/kvm 的進(jìn)程看到的是不同的映射（為了支持 VM 間的隔離）。
KVM 然后會簡單地將 Linux 內(nèi)核轉(zhuǎn)換成一個系統(tǒng)管理程序（在安裝 kvm 內(nèi)核模塊時）。由于標(biāo)準(zhǔn) Linux 內(nèi)核就是一個系統(tǒng)管理程序，因此它會從對標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核的修改中獲益良多（內(nèi)存支持、調(diào)度程序等）。對這些 Linux 組件進(jìn)行優(yōu)化（例如 2.6 版本內(nèi)核中的新 O(1) 調(diào)度程序）都可以讓系統(tǒng)管理程序（主機操作系統(tǒng)）和 Linux 客戶操作系統(tǒng)同時受益。但是 KVM 并不是第一個這樣做的程序。UML 很久以前就將 Linux 內(nèi)核轉(zhuǎn)換成一個系統(tǒng)管理程序了。使用內(nèi)核作為一個系統(tǒng)管理程序，您就可以啟動其他操作系統(tǒng)，例如另一個 Linux 內(nèi)核或 Windows 系統(tǒng)。
KVM
安裝 KVM 之后，您可以在用戶空間啟動客戶操作系統(tǒng)。每個客戶操作系統(tǒng)都是主機操作系統(tǒng)（或系統(tǒng)管理程序）的一個單個進(jìn)程。 圖 2 提供了一個使用 KVM 進(jìn)行虛擬化的視圖。底部是能夠進(jìn)行虛擬化的硬件平臺（目前指的是 Intel VT 或 AMD-SVM 處理器）。在裸硬件上運行的是系統(tǒng)管理程序（帶有 KVM 模塊的 Linux 內(nèi)核）。這個系統(tǒng)管理程序與可以運行其他應(yīng)用程序的普通 Linux 內(nèi)核類似。但是這個內(nèi)核也可以支持通過 kvm 工具加載的客戶操作系統(tǒng)。最后，客戶操作系統(tǒng)可以支持主機操作系統(tǒng)所支持的相同應(yīng)用程序。
圖 2. 使用 KVM 的虛擬化組件
記住 KVM 只是虛擬化解決方案的一部分。處理器直接提供了虛擬化支持（可以為多個操作系統(tǒng)虛擬化處理器）。內(nèi)存可以通過 kvm 進(jìn)行虛擬化（這在下一節(jié)中將會討論）。最后，I/O 通過一個稍加修改的 QEMU 進(jìn)程（執(zhí)行每個客戶操作系統(tǒng)進(jìn)程的一個拷貝）進(jìn)行虛擬化。
KVM 向 Linux 中引入了一種除現(xiàn)有的內(nèi)核和用戶模式之外的新進(jìn)程模式。這種新模式就稱為客戶 模式，顧名思義，它用來執(zhí)行客戶操作系統(tǒng)代碼（至少是一部分代碼）?；叵胍幌聝?nèi)核模式表示代碼執(zhí)行的特權(quán)模式，而用戶模式則表示非特權(quán)模式（用于那些運行 在內(nèi)核之外的程序）。根據(jù)運行內(nèi)容和目的，執(zhí)行模式可以針對不同的目的進(jìn)行定義。客戶模式的存在就是為了執(zhí)行客戶操作系統(tǒng)代碼，但是只針對那些非 I/O 的代碼。在客戶模式中有兩種標(biāo)準(zhǔn)模式，因此客戶操作系統(tǒng)在客戶模式中運行可以支持標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核，而在用戶模式下運行則支持自己的內(nèi)核和用戶空間應(yīng)用程序?？?戶操作系統(tǒng)的用戶模式可以用來執(zhí)行 I/O 操作，這是單獨進(jìn)行管理的。
在客戶操作系統(tǒng)上執(zhí)行 I/O 的功能是由 QEMU 提供的。QEMU 是一個平臺虛擬化解決方案，允許對一個完整的 PC 環(huán)境進(jìn)行虛擬化（包括磁盤、圖形適配器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）?？蛻舨僮飨到y(tǒng)所生成的任何 I/O 請求都會被中途截獲，并重新發(fā)送到 QEMU 進(jìn)程模擬的用戶模式中。
KVM 通過 /dev/kvm 設(shè)備提供了內(nèi)存虛擬化。每個客戶操作系統(tǒng)都有自己的地址空間，并且是在實例化客戶操作系統(tǒng)時映射的。映射給客戶操作系統(tǒng)的物理內(nèi)存實際上是映射給這個進(jìn)程 的虛擬內(nèi)存。為了支持客戶物理地址到主機物理地址的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)維護(hù)了一組影子頁表（shadow page table）。處理器也可以通過在訪問未經(jīng)映射的內(nèi)存位置時使用系統(tǒng)管理程序（主機內(nèi)核）來支持內(nèi)存轉(zhuǎn)換進(jìn)程。
實例化新客戶操作系統(tǒng)
新客戶操作系統(tǒng)的實例化是由一個名為 kvm 的工具提供的。這個工具可以與 kvm 模塊協(xié)同工作，使用 /dev/kvm 來加載客戶操作系統(tǒng)，將它與虛擬磁盤（主機操作系統(tǒng)中的一個普通文件）關(guān)聯(lián)起來，然后啟動客戶操作系統(tǒng)。
通過一組在 /dev/kvm 設(shè)備上執(zhí)行的 ioctls 可以提供控制支持。當(dāng)?shù)谝淮未蜷_這個特殊文件時，就會創(chuàng)建一個新的 VM 對象，它與一個虛擬 CPU 關(guān)聯(lián)在一起。您然后可以使用幾個 ioctls 來創(chuàng)建一個虛擬 CPU，檢查 kvm 版本，創(chuàng)建內(nèi)存區(qū)域，然后啟動一個虛擬 CPU。您可以使用 kvm 命令實現(xiàn)這種功能。在接下來的幾節(jié)中，我們將介紹 kvm 命令，并給出幾個受支持的 ioctls 的示例。
使用 KVM
如果硬件支持的話，使用 KVM 實際上非常簡單。您需要一個具有虛擬化支持的處理器。通過查看 /proc/cpuinfo 可以知道系統(tǒng)是否支持虛擬化。這個文件指定了是否支持 vmx（Intel）或 svm（AMD）擴展。
接下來，您需要一個啟用了 KVM 支持的 Linux 內(nèi)核。您可以在 Device Drivers > Virtualization 下的內(nèi)核配置中完成這種配置。還必須啟用處理器對環(huán)境的支持。另外，還必須具有 kvm 和 qemu 用戶空間應(yīng)用程序。
有了啟用了虛擬化支持的引導(dǎo)內(nèi)核，接下來的一個步驟是為客戶操作系統(tǒng)創(chuàng)建一個磁盤映像。您可以使用 qeumu-img 來完成此操作，如下所示。注意這個映像的大小是 4GB，但是使用 QEMU 的寫時復(fù)制格式（copy-on-write，qcow）時，整個文件將根據(jù)需要增長，而不是完全占據(jù)這 4 GB 的空間。 $ qemu-img create -f qcow vm-disk.img 4G
復(fù)制代碼在創(chuàng)建虛擬磁盤之后，就可以將客戶操作系統(tǒng)加載到其上。下面的例子假設(shè)客戶操作系統(tǒng)是在 CD-ROM 上。除了使用 CD-ROM ISO 映像來填充虛擬磁盤之外，還必須在結(jié)束時啟動這個映像。 $ kvm -no-acpi -m 384 -cdrom guestos.iso -hd
關(guān)鍵詞標(biāo)簽：Linux內(nèi)核虛擬機,KVM架
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