Libvirt虛擬化庫剖析

Libvirt 庫是一種實現 Linux 虛擬化功能的 Linux® API，它支持各種虛擬機監控程序，包括 Xen 和 KVM，以及 QEMU 和用於其他操作系統的一些虛擬產品,主要探討 libvirt 及其用途和架構。

講到向外擴展計算（比如雲計算），libvirt 可能是您從未聽說過的最重要的庫之一。libvirt 提供一種虛擬機監控程序不可知的 API 來安全管理運行於主機上的來賓操作系統。libvirt本身不是一種工具，它是一種可以建立工具來管理來賓操作系統的 API。libvirt 本身構建於一種抽象的概念之上。它爲受支持的虛擬機監控程序實現的常用功能提供通用的 API。libvirt 起初是專門爲 Xen 設計的一種管理 API，後來被擴展爲可支持多個虛擬機監控程序。

基本架構

首先讓我們從用例模型視角來展開對 libvirt 的討論，然後深入探究其架構和用途。libvirt 以一組 API 的形式存在，旨在供管理應用程序使用（見圖 1 ）。libvirt 通過一種特定於虛擬機監控程序的機制與每個有效虛擬機監控程序進行通信，以完成 API 請求。文章後面我將探討如何通過 QEMU 來實現該功能。

圖 1. libvirt 比較和用例模型

圖中還顯示了 libvirt 所用術語對照。這些術語很重要，因爲在對 API 命名時會用到它們。兩個根本區別在於，libvirt 將物理主機稱作節點，將來賓操作系統稱作域。這裏需要注意的是，libvirt（及其應用程序）在宿主 Linux操作系統（域 0）中運行。

控制方式

使用 libvirt，我們有兩種不同的控制方式。第一種如圖 1 所示，其中管理應用程序和域位於同一節點上。在本例中，管理應用程序通過 libvirt 工作，以控制本地域。當管理應用程序和域位於不同節點上時，便產生了另一種控制方式。在本例中需要進行遠程通信（參見圖 2）。該模式使用一種運行於遠程節點上、名爲libvirtd 的特殊守護進程。當在新節點上安裝 libvirt 時該程序會自動啓動，且可自動確定本地虛擬機監控程序併爲其安裝驅動程序（稍後討論）。該管理應用程序通過一種通用協議從本地 libvirt 連接到遠程 libvirtd。對於 QEMU，協議在 QEMU 監視器處結束。QEMU 包含一個監測控制檯，它允許檢查運行中的來賓操作系統並控制虛擬機（VM）各部分。

圖 2. 使用 libvirtd 控制遠程虛擬機監控程序

虛擬機監控程序支持

爲支持各種虛擬機監控程序的可擴展性，libvirt 實施一種基於驅動程序的架構，該架構允許一種通用的 API 以通用方式爲大量潛在的虛擬機監控程序提供服務。這意味着，一些虛擬機監控程序的某些專業功能在 API 中不可見。另外，有些虛擬機監控程序可能不能實施所有 API 功能，因而在特定驅動程序內被定義爲不受支持。圖 3 展示了 libvirt API 與相關驅動程序的層次結構。這裏也需要注意，libvirtd 提供從遠程應用程序訪問本地域的方式。

圖 3. 基於驅動程序的 libvirt 架構

在撰寫此文時，libvirt 爲表 1 所列的虛擬機監控程序實現了驅動程序。隨着新的虛擬機監控程序在開源社區出現，其他驅動程序無疑也將可用。

表 1. libvirt 支持的虛擬機監控程序

虛擬機監控程序	描述
Xen	面向 IA-32，IA-64 和 PowerPC 970 架構的虛擬機監控程序
QEMU	面向各種架構的平臺仿真器
Kernel-based Virtual Machine (KVM)	Linux 平臺仿真器
Linux Containers（LXC）	用於操作系統虛擬化的 Linux（輕量級）容器
OpenVZ	基於 Linux 內核的操作系統級虛擬化
VirtualBox	x86 虛擬化虛擬機監控程序
User Mode Linux	面向各種架構的 Linux 平臺仿真器
Test	面向僞虛擬機監控程序的測試驅動器
Storage	存儲池驅動器（本地磁盤，網絡磁盤，iSCSI 卷）

libvirt 和虛擬 shell

上面已經介紹了 libvirt 的一些架構，接下來看一下如何使用 libvirt 虛擬化 API 的一些示例。首先介紹一種名爲 virsh（虛擬 shell）的應用程序，它構建於 libvirt 之上。該 shell 允許以交互（基於 shell）方式使用多個 libvirt 功能。在本節中，我使用 virsh 演示了一些 VM 操作。

第一步是要定義域配置文件（如下面的清單 1 所示）。該代碼指定了定義域所需的所有選項 — 從虛擬機監控程序（仿真器）到域使用的資源以及外圍配置（比如網絡）。注意，這只是個簡單的配置，libvirt 真正支持的屬性更加多樣化。例如，您可以指定 BIOS 和主機引導程序，域要使用的資源，以及要用到的設備 — 從軟盤和CD-ROM 到 USB 和 PCI 設備。

域配置文件定義該 QEMU 域要使用的一些基本元數據，包括域名、最大內存、初始可用內存（當前）以及該域可用的虛擬處理器數量。您不需要自己分配 Universally Unique Idenifier (UUID)，而是讓 libvirt 分配。您需要爲該平臺定義要仿真的機器類型 — 在本例中是被完全虛擬化（hvm）的 686 處理器。您需要爲域定義仿真器的位置（以備需要支持多個同類型仿真器時使用）和虛擬磁盤。這裏注意要指明 VM，它是以 Virtual Machine Disk（VMDK）格式存在的 ReactOS操作系統。最後，要指定默認網絡設置，並使用面向圖形的 Virtual Network Computing (VNC)。

清單 1. 域配置文件

				
<xml version="1.0"?>
<domain type='qemu'>
  <name>ReactOS-on-QEMU<name>
  <uuid<uuid>
  <memory>131072<memory>
  <currentMemory>131072<currentMemory>
  <vcpu>1<vcpu>
  <os>
    <type arch='i686' machine='pc'>hvm<type>
  <os>
  <devices>
    <emulator>usr/bin/qemu<emulator>
    <disk type='file' device='disk'>
      <source file='/home/mtj/libvtest/ReactOS.vmdk'/>
      <target dev='hda'/>
    <disk>
    <interface type='network'>
      <source network='default'/>
    <interface>
    <graphics type='vnc' port='-1'/>
  <devices>
<domain>

完成了域配置文件之後，現在開始使用 virsh 工具啓動域。virsh 工具爲要執行的特定動作採用命令參數。在啓動新域時，使用 create 命令和域配置文件：

清單 2. 啓動新域

				
mtj@mtj-desktop:~/libvtest$ virsh create react-qemu.xml
Connecting to uri: qemu:///system
Domain ReactOS-on-QEMU created from react-qemu.xml

mtj@mtj-desktop:~/libvtest$

這裏要注意用於連接到域（qemu:///system）的 Universal Resource Indicator (URI)。該本地 URI 連接到本地 QEMU 驅動程序的系統模式守護進程上。要通過主機 shinchan 上的 Secure Shell (SSH) 協議連接到遠程 QEMU 虛擬機監控程序，可以使用 URL qemu+ssh://shinchan/。

下一步，您可以使用 virsh 內的 list 命令列出給定主機上的活動域。這樣做可以列出活動域，域 ID，以及它們的狀態，如下所示：

清單 3. 列出活動域

				
mtj@mtj-desktop:~/libvtest$ virsh list
Connecting to uri: qemu:///system
 Id Name                 State
----------------------------------
  1 ReactOS-on-QEMU      running

mtj@mtj-desktop:~/libvtest$

注意，這裏定義的名稱是在域配置文件元數據中定義過的名稱。可以看到，該域的域名是 1 且正在運行中。

您也可以使用 suspend 命令中止域。該命令可停止處於調度中的域，不過該域仍存在於內存中，可快速恢復運行。下面的例子展示瞭如何中止域，執行列表查看狀態，然後重新啓動域：

清單 4. 中止域，檢查狀態，並重新啓動

				
mtj@mtj-desktop:~/libvtest$ virsh suspend 1
Connecting to uri: qemu:///system
Domain 1 suspended

mtj@mtj-desktop:~/libvtest$ virsh list
Connecting to uri: qemu:///system
 Id Name                 State
----------------------------------
  1 ReactOS-on-QEMU      paused

mtj@mtj-desktop:~/libvtest$ virsh resume 1
Connecting to uri: qemu:///system
Domain 1 resumed

mtj@mtj-desktop:~/libvtest$

virsh 工具也支持許多其他命令，比如保存域的命令（save），恢復已存域的命令（restore），重新啓動域的命令（reboot），以及其他命令。您還可以從運行中的域（dumpxml）創建域配置文件。

到目前爲止，我們已經啓動並操作了域，但是如何連接域來查看當前活動域呢？這可以通過 VNC 實現。要創建表示特定域圖形桌面的窗口，可以使用 VNC：

清單 5. 連接到域

				
mtj@mtj-desktop:~/libvtest$ xvnc4viewer 127.0.0.1 0

libvirt 和 Python

上一個例子說明了如何使用命令行工具 virsh 實現對域的控制。現在我們看一個使用 Python 來控制域的例子。Python 是受 libvirt 支持的腳本語言，它向 libvirt API 提供完全面向對象的接口。

在本例中，我研究了一些基本操作，與之前用 virsh 工具（list、suspend、resume 等）展示的操作類似。Python 示例腳本見清單 6。在本例中，我們從導入 libvirt 模塊開始。然後連接到本地 QEMU 虛擬機監控程序。從這裏開始，重複可用的域 ID；對每個 ID 創建一個域對象，然後中止，繼續，最後刪除該域。

清單 6. 用於控制域的示例 Python 腳本（libvtest.py）

				
import libvirt

conn = libvirt.open('qemu:///system')

for id in conn.listDomainsID():

	dom = conn.lookupByID(id)

	print "Dom %s  State %s" % ( dom.name(), dom.info()[0] )

	dom.suspend()
	print "Dom %s  State %s (after suspend)" % ( dom.name(), dom.info()[0] )

	dom.resume()
	print "Dom %s  State %s (after resume)" % ( dom.name(), dom.info()[0] )

	dom.destroy()

雖然這只是個簡單示例，我們仍然可以看到 libvirt 通過 Python 提供的強大功能。通過一個簡單的腳本就能夠重複所有本地 QEMU 域，發行有關域的信息，然後控制域。該腳本的結果如清單 7 所示。

清單 7. 清單 6 中的 Python 腳本輸出的結果

				
mtj@mtj-desktop:~/libvtest$ python libvtest.py
Dom ReactOS-on-QEMU  State 1
Dom ReactOS-on-QEMU  State 3 (after suspend)
Dom ReactOS-on-QEMU  State 1 (after resume)
mtj@mtj-desktop:~/libvtest$

API 概述

高級 libvirt API 可劃分爲 5 個 API 部分：虛擬機監控程序連接 API、域 API、網絡 API、存儲卷 API 以及存儲池 API。

爲給定虛擬機監控程序創建連接後會產生所有 libvirt 通信（例如，清單 6 中所示的 open 調用）。該連接爲所有其他要使用的 API 提供路徑。在C API 中，該行爲通過 virConnectOpen 調用（以及其他進行認證的調用）提供。這些函數的返回值是一個virConnectPtr 對象，它代表到虛擬機監控程序的一個連接。該對象作爲所有其他管理功能的基礎，是對給定虛擬機監控程序進行併發 API 調用所必需的語句。重要的併發調用是virConnectGetCapabilities 和 virNodeGetInfo，前者返回虛擬機監控程序和驅動程序的功能，後者獲取有關節點的信息。該信息以 XML 文檔的形式返回，這樣通過解析便可瞭解可能發生的行爲。

進入虛擬機監控程序後，便可以使用一組 API 調用函數重複使用該虛擬機監控程序上的各種資源。virConnectListDomains API 調用函數返回一列域標識符，它們代表該虛擬機監控程序上的活動域。

API 實現大量針對域的函數。要探究或管理域，首先需要一個 virDomainPtr 對象。您可通過多種方式獲得該句柄（使用 ID、UUID 或域名）。繼續來看重複域的例子，您可以使用該函數返回的索引表並調用virDomainLookupByID 來獲取域句柄。有了該域句柄，就可以執行很多操作，從探究域（virDomainGetUUID、virDomainGetInfo、virDomainGetXMLDesc、virDomainMemoryPeek）到控制域（virDomainCreate、virDomainSuspend、virDomainResume、virDomainDestroy 和 virDomainMigrate）。

您還可使用 API 管理並檢查虛擬網絡和存儲資源。建立了 API 模型之後，需要一個 virNetworkPtr 對象來管理並檢查虛擬網絡，且需要一個virStoragePoolPtr（存儲池）或 virStorageVolPtr（卷）對象來管理這些資源。

API 還支持一種事件機制，您可使用該機制註冊爲在特定事件（比如域的啓動、中止、恢復或停止）發生時獲得通知。

語言綁定

libvirt 庫用 C （支持 C++）實現，且包含對 Python 的直接支持。不過它還支持大量語言綁定。目前已經對 Ruby、Java™ 語言，Perl 和 OCaml 實施了綁定。在從C# 調用 libvirt 方面我們已做了大量工作。libvirt 支持最流行的系統編程語言（C 和 C++）、多種腳本語言、甚至一種統一的函數型語言（Objective caml）。因此，不管您側重何種語言，libvirt 都會提供一種路徑來幫助您控制域。

使用 libvirt 的應用程序

僅從本文已經展示的一小部分功能上便可看出 libvirt 提供的強大功能。且如您所願，有大量應用程序正成功構建於 libvirt 之上。其中一個有趣的應用程序就是 virsh（這裏所示），它是一種虛擬 shell。還有一種名爲 virt-install 的應用程序，它可用於從多個操作系統發行版供應新域。virt-clone 可用於從另一個 VM 複製 VM（既包括操作系統複製也包括磁盤複製）。一些高級應用程序包括多用途桌面管理工具 virt-manager 和安全連接到 VM 圖形控制檯的輕量級工具 virt-viewer。

構建於 libvirt 之上的一種最重要的工具名爲 oVirt。oVirt VM 管理應用程序旨在管理單個節點上的單個 VM 或多個主機上的大量 VM。除了可以簡化大量主機和 VM 的管理之外，它還可用於跨平臺和架構自動化集羣，負載平衡和工作

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