虛擬化與KVM
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1、虛擬化簡介
1) 系統虛擬化是將底層物理設備與上層操作系統、軟件分離的一 種去耦合技術，在一臺物理機器上邏輯的劃分出多臺機器。
2) 虛擬化的目標是實現IT資源利用效率和靈活性的最大化。在一臺物理主機上虛擬出多個虛擬計算機（虛擬機，Virtual Machine，VM），其上能同時運行多個獨立的操作系統，這些客戶操作系統（Guest OS）通過虛擬機管理器（Virtual Machine Monitor，VMM，也稱作Hypervisor）訪問實際的物理資源。
3) KVM 全稱是 基於內核的虛擬機（Kernel-based Virtual Machine），它是Linux 的一個內核模塊，該內核模塊使得 Linux 變成了一個Hypervisor
2、使用虛擬化的原因
當公司的服務器越來越多，我們需要充分利用資源，也需要統一運維管理，這時虛擬化能幫助我們做很多事。總結如下：
1) 打破“一臺服務器對應一套應用”的模 式，將物理服務器進行整合，提升利用 率
2) 服務器和相關IT硬件更少，節省了機房空間，也減少了散熱和電力需求
3) 具備靈活數據備份和應用遷移機制，保障服務永不中斷
4) 資源動態調配和模板化部署，應用系統快速上線，及時響應業務變化。
3、虛擬化的分類
1) 全虛擬化（使用二進制翻譯的虛擬化，hypervisor將操作系統的指令翻譯並將結果緩存，供之後使用。而用戶級指令無需修改就運行，具有和物理機一樣的執行速度。客戶系統不知道自己在虛擬環境中）
2) 半虛擬化（半虛擬化指的是虛擬機系統和hypervisor通過交互來改善性能和效率，但需要修改客戶機操作系統。客戶系統知道自己在虛擬環境中。如Xen）
3) 硬件輔助的虛擬化（Intel虛擬化技術(VT-x)和AMD的AMD-V，通過硬件的輔助實現全虛擬化）
4、三種虛擬化的區別
4.1、cpu的ring
在介紹三種虛擬化的區別前，首先要明白cpu的ring級別。
Intel的CPU將特權級別分爲4個級別：RING0,RING1,RING2,RING3。
RING0級別最高，級別依次往下降。
操作系統（內核）的代碼運行在最高運行級別ring0上，可以使用特權指令，控制中斷、修改頁表、訪問設備等等。
應用程序的代碼運行在最低運行級別上ring3上，不能做受控操作。如果要做，比如要訪問磁盤，寫文件，那就要通過執行系統調用（函數）。
執行系統調用的時候，CPU的運行級別會發生從ring3到ring0的切換，並跳轉到系統調用對應的內核代碼位置執行，這樣內核就爲你完成了設備訪問，完成之後再從ring0返回ring3。這個過程也稱作用戶態和內核態的切換。
那麼，虛擬化在這裏就遇到了一個難題，因爲宿主操作系統是工作在ring0的，客戶操作系統就不能也在ring0了，但是它不知道這一點，以前執行什麼指令，現在還是執行什麼指令，那肯定不行啊，沒權限啊，玩不轉啊。所以這時候虛擬機管理程序（VMM）就要避免這件事情發生。
（VMM在ring0上，一般以驅動程序的形式體現，驅動程序都是工作在ring0上，否則驅動不了設備）
4.2、全虛擬化
1) 客戶操作系統執行特權指令時，會觸發異常（CPU機制，沒權限的指令，觸發異常）
2) 然後VMM捕獲這個異常，在異常裏面做翻譯，模擬。並且會緩存翻譯結果
3) 最後返回到客戶操作系統內，客戶操作系統認爲自己的特權指令工作正常，繼續運行。
全虛擬化中，雖然用戶級指令具有和物理機一樣的執行速度。但系統級指令整個過程下來，性能損耗非常的大。因爲一條簡單的指令在宿主機上直接執行就行了，現在在gues os上卻要通過複雜的異常處理過程。
4.3、半虛擬化
半虛擬化的思想是：讓客戶操作系統知道自己是在虛擬機上跑的，工作在非ring0狀態，那麼它原先在物理機上執行的一些特權指令，就會修改成其他方式，這種方式是可以和VMM約定好的。
這就相當於，我通過修改代碼把操作系統移植到一種新的架構上來，就是定製化。所以像XEN這種半虛擬化技術，客戶機操作系統都是有一個專門的定製內核版本，和x86、mips、arm這些內核版本等價。這樣以來，就不會有捕獲異常、翻譯、模擬的過程了，性能損耗非常低。這就是XEN這種半虛擬化架構的優勢。這也是爲什麼XEN只支持虛擬化Linux，無法虛擬化windows原因，因爲微軟不改代碼。
4.4、硬件輔助的虛擬化
由於CPU廠商開始支持虛擬化了，所以出現了硬件輔助的虛擬化。拿X86 CPU來說，引入了Intel-VT 技術，支持Intel-VT 的CPU，有VMX root operation 和 VMX non-root operation兩種模式，兩種模式都支持Ring 0 ~ Ring 3 這 4 個運行級別。這下好了，VMM可以運行在VMX root operation模式下，客戶OS運行在VMX non-root operation模式下。即是宿主機和虛機是運行在同樣硬件上的不同模式，也就說，在硬件這層做了些區分，這樣全虛擬化下，有些靠“捕獲異常-翻譯-模擬”的實現就不需要了。
4.5、參考文檔
全虛擬化和半虛擬化的區別 cpu的ring0 ring1又是什麼概念? (http://www.cnblogs.com/xusongwei/archive/2012/07/30/2615592.html)
cpu的ring0、ring1、ring2、ring3 (https://blog.csdn.net/jeason29/article/details/47338441)
5、宿主機和虛機對虛擬化的理解
1) 開啓了硬件輔助虛擬化後，虛擬化是通過在Guest機器和Host機器中間加一層Hypervisor實現的。
2) Host機器看虛機像跑在自己上面的程序
3) 由於Hypervisor幫助Guest訪問物理資源，Guest機器感覺自己運行在真機上
4) 如果Host機器和Guest機器都跑相同的Linux，它們的Kernel都想運行在Ring 0。
6、虛擬化技術
虛擬化技術很常見的有VMWare、VirtualBox、Citrix Xen、kvm等
6.1、桌面虛擬化
將原本在本地電腦安裝的桌面系統，統一在後端數據中心進行部署和管理； 用戶可以通過任何設備，在任何地點，任何時間訪問屬於自己的桌面系統環境。
6.2、服務器虛擬化
1) 全虛擬化(Full-Virtulization)：
無需修改操作系統，VM ESXi、Linux KVM
2) 半虛擬化(Para-Virtulization)：
集成半虛擬化代碼，直接運行特權指令，性能接近物理機，需要修改操作系統， MS Hyper-V、 Ctrix Xen、IBM PowerVM
3) 操作系統層虛擬化
開發、測試環境，VM Workstation、VM Server
7、kvm，Qemu，Libvirt的關係
7.1、Hypervisor的分類
首先，hypervisor 可以劃分爲兩大類：
1) 類型 1，這種 hypervisor 是直接運行在物理硬件之上的。例子是基於內核的虛擬機（KVM —— 它本身是一個基於操作系統的 hypervisor）。
2) 類型 2，這種 hypervisor 運行在另一個操作系統中。類型 2 hypervisor 包括 QEMU 和 WINE。
7.2、kvm,Qemu,Libvirt
先總結：
我們平時在linux上用到的kvm，實際是Qemu-Kvm組成的Hypervisor。Hypervisor是虛擬機管理器。虛機跑在Hypervisor虛擬出來的環境上。
而Libvirt是個工具包。它可以管理Hypervisor。它的virsh命令，調用了它的libvirtd進程。它的libvirtd進程又回去調用Hypervisor。最後由Hypervisor實現對虛機的調控
QEMU
Qemu 是純軟件實現的虛擬化模擬器，幾乎可以模擬任何硬件設備，我們最熟悉的就是能夠模擬一臺能夠獨立運行操作系統的虛擬機，虛擬機認爲自己和硬件打交道，但其實是和 Qemu 模擬出來的硬件打交道，Qemu 將這些指令轉譯給真正的硬件。
正因爲 Qemu 是純軟件實現的，所有的指令都要經 Qemu 過一手，性能非常低。
KVM
KVM是linux內核的模塊。它採用硬件輔助虛擬化技術Intel-VT，AMD-V以獲得CPU的支持。採用如Intel的EPT和AMD的RVI技術以獲得內存的支持。Guest OS的CPU指令不用再經過Qemu轉譯，直接運行，大大提高了速度，KVM通過/dev/kvm暴露接口，用戶態程序可以通過ioctl函數來訪問這個接口。見如下僞代碼：
open("/dev/kvm") ioctl(KVM_CREATE_VM) ioctl(KVM_CREATE_VCPU) for (;;) { ioctl(KVM_RUN) switch (exit_reason) { case KVM_EXIT_IO: case KVM_EXIT_HLT: } } |
KVM內核模塊本身只能提供CPU和內存的虛擬化，所以它必須結合QEMU才能構成一個完成的虛擬化技術，這就是下面要說的qemu-kvm。
Qemu-kvm
Qemu將KVM整合進來，通過ioctl調用/dev/kvm接口，將有關CPU指令的部分交由內核模塊來做。kvm負責cpu虛擬化+內存虛擬化，實現了cpu和內存的虛擬化，但kvm不能模擬其他設備。qemu模擬IO設備（網卡，磁盤等），kvm加上qemu之後就能實現真正意義上服務器虛擬化。因爲用到了上面兩個東西，所以稱之爲qemu-kvm。
Qemu模擬其他的硬件，如Network, Disk，同樣會影響這些設備的性能，於是又產生了pass through半虛擬化設備virtio_blk, virtio_net，提高設備性能。
Libvirt
Libvirt是用於管理虛擬化平臺的開源的API，後臺程序和管理工具。它可以用於管理KVM、Xen、VMware ESX，QEMU和其他虛擬化技術。
libvirt包括一個API庫，一個守護進程（Libvirtd），和一個命令行實用程序（virsh）。
Libvirtd是一個daemon進程，可以被本地的virsh調用，也可以被遠程的virsh調用，Libvirtd調用qemu-kvm操作虛擬機
7.3、參考文檔
qemu支持的硬盤格式
(https://www.hongweipeng.com/index.php/archives/1368/)
深入淺出 kvm qemu libvirt
(https://www.cnblogs.com/qiaoyanlin/p/6888408.html)
8、kvm配置
8.1、安裝軟件包
複雜版：yum install qemu-kvm qemu-img virt-manager libvirt libvirt-Python ibvirt-client virt-install virt-viewer bridge-utils
簡介版：yum install qemu-kvm qemu-kvm-tools libvirt
qemu-kvm：qemu模擬器
qemu-img：qemu的磁盤管理器
virt-install：用來創建虛擬機的命令行工具
virt-manager：GUI虛擬機管理工具
libvirt：提供libvirtd daemon來管理虛擬機和控制hypervisor
libvirt-Python：基於libvirt API的python語言綁定工具包，通過該包可以實現對KVM日常管理和監控數據的獲取
libvirt-client：提供客戶端API用來訪問server和提供管理虛擬機命令行工具的virsh實體
virt-install：是一個命令行工具，它能夠爲KVM、Xen或其它支持libvrit API的hypervisor創建虛擬機並完成GuestOS安裝
virt-viewer：圖形控制檯
bridge-utils：創建和管理橋接設備的工具
8.2、檢查內核模塊嵌入
# 檢查嵌入
lsmod | grep kvm
kvm_intel 55496 0
kvm 337900 1 kvm_intel
# 嵌入命令
modprobe kvm
modprobe kvm-intel
8.3、創建安裝盤
qemu-img create –f qcow2 /xx/xx/name 10G
8.4、創建虛擬機
virt-install --virt-type kvm \
--name CentOS-7 \
--ram 1024 \
--vcpus 1 \
--cdrom=/data/kvmtest/CentOS-7-x86_64-Minimal-1804.iso \
--disk path=/data/kvmtest/CentOS-7.qcow2 \
--network network=default \
--graphics vnc,listen=0.0.0.0 --noautoconsole \
--os-type=linux \
--os-variant=rhel7
virt-install參數詳解
--virt-type：使用的hypervisor，如kvm、qemu、xen等
-n NAME, --name=NAME：虛擬機名稱，需全局惟一；
-r MEMORY, --ram=MEMORY：虛擬機內在大小，單位爲MB；
--vcpus=VCPUS[,maxvcpus=MAX][,sockets=#][,cores=#][,threads=#]：VCPU個數及相關配置；
-c CDROM, --cdrom=CDROM：光盤安裝介質；
--disk=DISKOPTS：指定存儲設備及其屬性；格式爲--disk /some/storage/path,opt1=val1，opt2=val2等；
常用的選項有：
l device：設備類型，如cdrom、disk或floppy等，默認爲disk；
l bus：磁盤總結類型，其值可以爲ide、scsi、usb、virtio或xen；
l perms：訪問權限，如rw、ro或sh（共享的可讀寫），默認爲rw；
l size：新建磁盤映像的大小，單位爲GB；
l cache：緩存模型，其值有none、writethrouth（緩存讀）及writeback（緩存讀寫）；
l format：磁盤映像格式，如raw、qcow2、vmdk等；
l sparse：磁盤映像使用稀疏格式，即不立即分配指定大小的空間；
l --nodisks：不使用本地磁盤，在LiveCD模式中常用；
--network=NETWORK：將虛擬機連入宿主機的網絡中，其中NETWORK可以爲：
l bridge=BRIDGE：連接至名爲“BRIDEG”的橋設備；
l network=NAME：連接至名爲“NAME”的網絡；
--graphics TYPE,opt1=val1,opt2=val2：指定圖形顯示相關的配置，此選項不會配置任何顯示硬件（如顯卡），而是僅指定虛擬機啓動後對其進行訪問的接口；
TYPE：指定顯示類型，可以爲vnc、sdl、spice或none等，默認爲vnc； 如果選擇spice，則需要linux圖形界面的支持
port： TYPE爲vnc或spice時其監聽的端口；
listen：TYPE爲vnc或spice時所監聽的IP地址，默認爲127.0.0.1，可以通過修改/etc/libvirt/qemu.conf定義新的默認值；
password：TYPE爲vnc或spice時，爲遠程訪問監聽的服務進指定認證密碼；
--noautoconsole：禁止自動連接至虛擬機的控制檯；
--os-type=DISTRO_TYPE：操作系統類型，如Linux、unix或windows等；
--os-variant=DISTRO_VARIANT：某類型操作系統的變體，如rhel5、fedora8等
# 不常用的，瞭解
--cpu=CPU：CPU模式及特性，如coreduo等；可以使用qemu-kvm -cpu ?來獲取支持的CPU模式；
-l LOCATION, --location=LOCATION：安裝源URL，支持FTP、HTTP及NFS等，如ftp://172.16.0.1/pub；
--pxe：基於PXE完成安裝； --livecd: 把光盤當作LiveCD；
-x EXTRA, --extra-args=EXTRA：根據--location指定的方式安裝GuestOS時，用於傳遞給內核的額外選項，例如指定kickstart文件的位置，
--extra-args "ks=http://172.16.0.1/class.cfg"
--boot=BOOTOPTS：指定安裝過程完成後的配置選項，如指定引導設備次序、使用指定的而非安裝的kernel/initrd來引導系統啓動等 ；例如： --boot cdrom,hd,network：指定引導次序；
--boot kernel=KERNEL,initrd=INITRD,kernel_args=”console=/dev/ttyS0”：指定啓動系統的內核及initrd文件；
8.5、VNC安裝
因爲上面指定的是用VNC顯示圖形界面。所以下載一個VNC viewer，連上IP:5900，進行圖形化安裝。安裝完成後就可以正常操作了
8.6、安裝電源模塊
yum install acpid
ACPI是Advanced Configuration and PowerInterface縮寫，高級配置和電源管理接口。
acpid中的d則代表daemon。Acpid是一個用戶空間的服務進程，它充當linux內核與應用程序之間通信的接口，負責將kernel中的電源管理事件轉發給應用程序。
如果沒有這個服務，是不能virsh shutdown 掉虛機的
8.7、KVM的xml文件
xml文件是虛機的配置文件。裏面有虛機名，磁盤大小，vcpu，ram，networ等等的信息。我們通過xml文件可以瞭解到虛機的整個基礎配置。還可以通過複製xml文件，用define命令生成新的虛機
<domain type = 'kvm'> //虛擬機類型，kvm
<name>demo</name> //虛擬機名稱
<memory>1048576</memory> //分配內存，單位kb
<vcpu>1</vcpu> //分配vcpu，單位個數
<os>
<type arch = 'x86_64'machine = 'pc'>hvm</type>
<bootdev = 'cdrom'/> //cd 啓動
<bootdev = 'hd'/> //硬盤啓動
</os>
<features>
<acpi/>
<apic/>
<pae/>
</features>
<clock offset = 'localtime'/>
<on_poweroff>destroy</on_poweroff>
<on_reboot>restart</on_reboot>
<on_crash>destroy</on_crash>
<devices>
<emulator>/usr/bin/kvm</emulator>
<disk type = 'file'device = 'disk'> //對應的鏡像，就是之前使用qemu-img命令新建的img文件，注意路徑要正確
<driver name = 'qemu'type = 'raw'/>
<sourcefile = '/var/lib/lynn/img/template.img'/>
<target dev = 'hda'bus = 'ide'/>
</disk>
<disk type = 'file'device = 'cdrom'> //可選項，iso通常是操作系統的安裝光盤
<source file = '/var/lib/lynn/img/template.iso'/>
<target dev = 'hdb'bus = 'ide'/>
</disk>
<interface type = 'bridge'> //libvirt默認虛擬機的網絡配置是NAT模式，就是虛擬機與宿主機的網絡拓撲是NAT形式。實際中，許多開發者更希望使用網橋模式。
<source bridge = 'br0'/>
</interface>
<input type ='tablet'bus='usb'/>
<input type = 'mouse'bus = 'ps2'/>
<graphics type = 'vnc'port = '-1'listen = '0.0.0.0'keymap = 'en-us'/> //vnc端口系統自動配置
</devices>
</domain>
8.8、網絡配置
1、將網絡由vibr0橋接，變爲br0橋接
在最初創建虛機時，設置虛機的網絡是“network=default”。讓虛機連入名爲default的網絡。當時我們也可設置“network=bridge_name”,讓虛機連入橋設備。但我們沒有這樣做，所以現在虛機是連在virbr0橋設備上的。
1）vibr0是什麼
vibr0是KVM默認創建的一個Bridge,它爲連接其上的虛機網卡提供NAT訪問外網的功能。virbr0默認會被分配一個IP地址，併爲連接其上的其他KVM虛擬網卡提供DHCP服務（dnsmasq服務）。此時，虛機網絡爲NAT模式，訪問外部網絡簡單，但外部網絡不能訪問進來
2）br0橋接
這裏的br0橋接，就是將虛機的網絡模式變爲橋接模式。這樣虛機與宿主機處於同一網絡環境，類似於一臺真實的宿主機。操作如下：
（1） 宿主機操作
brctl show #查看橋接連接
brctl addbr br0 #新建橋接連接
brctl addif br0 eth0 #將eth0網卡，綁到br0橋設備上
ip addr del dev eth0 192.168.56.11/24 #刪除eth0網卡的IP地址
ifconfig br0 192.168.56.11/24 up #將eth0網卡的IP，配到br0上
route add default gw 192.168.56.2 #配置默認網關
修改KVM的xml文件（把端口類型改爲bridge，源端口改爲br0）
（2） 進入KVM虛機，爲其配置網卡IP
BOOTPROTO=staic
IPADDR=192.168.56.111 （與宿主機同網段）
NETMASK=255.255.255.0
GATEWAY=192.168.56.2
2、創建VLAN
vconfig add eth0 10 # 創建VLAN (/proc/net/vlan/config)10，並將eth0加入VLAN
brctl addbr br10 # 創建網橋
brctl addif br10 eth0.10 # 將eth0綁到網橋
brctl addif br10 vnet0 # 將KVM虛機的網卡 加入網橋br10
3、參考文檔
Linux系統配置kvm+vlan
(http://blog.51cto.com/fklinux/2045498)
KVM虛擬機網絡配置 Bridge方式，NAT方式
(https://blog.csdn.net/hzhsan/article/details/44098537/)
KVM 虛擬機的網絡模式學習及配置
8.7、KVM與宿主機的關係
KVM在Linux中是一個進程的表現形式，它受的到CPU的調度
Libvirt是管理kvm的工具，關掉Libvird服務，不影響KVM虛機的正常運行，只是無法用libvirt管理而已
9、virsh命令
virsh命令，調用libvid，Libvirtd調用qemu-kvm操作虛擬機。通過virsh命令，我們可以實現在CLI對虛擬機的管理
virsh有命令模式和交互模式。
u 命令模式：直接在virsh後面接參數
u 交互模式：直接寫virsh。
u 事實上交互模式和命令的參數都是一樣的
9.1、常用命令
命令(前綴 virsh) | 含義 |
list | 顯示顯示本地活動虛擬機 -all：顯示本地所有的虛擬機 |
creat KVM_name.xml | 創建虛機（創建後，虛機立即執行。虛機關機後自動消失） |
define KVM_name.xml | 通過配置文件定義一個虛機。（定以後虛機不是活動的） |
start KVM_name | 啓動虛機 |
console KVM_name | 連接虛機 【KVM 通過virsh console連入虛擬機】 |
suspend KVM_name | 暫停虛機，虛擬機處於paused暫停狀態 但是仍然消耗資源,只不過不被超級管理程序調度而已。 |
resume KVM_name | 喚醒虛機 |
shutdown KVM_name | 正常關閉虛機 |
destroy KVM_name | 強制關閉虛機，並刪除 libvirt直接銷燬demo，取消demo的定義 |
undefine KVM_name | 移除虛擬機 在虛擬機處於Running狀態時，調用該指令，該指令暫時不生效 但是當虛擬機被關閉後，該指令生效移除該虛擬機，也可以在該指令生效之前調用define+TestKVM.xml取消該指令 |
9.2、顯示虛機信息命令
命令（前綴爲 virsh） | 含義 |
dominfo KVM_name | 顯示虛機的基本信息 |
dumpxml KVM_name | 顯示虛機的當前配置文件 |
dump KVM_name file | 將虛機的配置文件重定向到file |
domiflist KVM_name | 列出虛機網卡接口 |
domifstat KVM_name vnet0 | 顯示網卡信息 |
domuuid KVM_name | 顯示虛機UUID |
domid KVM_name/UUID | 顯示虛機ID |
cpu-stats KVM_name | 顯示虛機CPU狀態 |
vncdisplay | 顯示虛機的IP |
9.3、更改虛機
命令（前綴爲 virsh） | 含義 |
exit KVM_name | 編輯虛機的配置文件 |
setmen KVM_name size | 設置虛機內存。要求虛機不活動 |
setvcpus KVM_name num | 設置虛機的虛擬CPU個數。要求虛機不活動 |
autostart KVM_name | 虛機將隨宿主機一起啓動 --disable KVM_name：取消自動啓動 |
9.4、參考文檔
virsh的詳細命令解析 (https://blog.csdn.net/xxoo00xx00/article/details/49802367)