kvm虚拟机如何开启虚拟化 kvm 虚拟机

KVM 全称是 基于内核的虚拟机（Kernel-based Virtual Machine），它是一个 Linux 的一个内核模块，该内核模块使得 Linux 变成了一个 Hypervisor(管理程序)。

KVM 本身不执行任何硬件模拟，需要客户空间程序通过 /dev/kvm 接口设置一个客户机虚拟服务器的地址空间，向它提供模拟的 I/O，并将它的视频显示映射回宿主的显示屏。目前这个应用程序是 QEMU。

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 置于一种受限制的 CPU 模式下运行。

KVM：运行在内核空间，提供CPU 和内存的虚级化，以及客户机的 I/O 拦截。Guest 的 I/O 被 KVM 拦截后，交给 QEMU 处理。

QEMU：修改过的为KVM虚机使用的QEMU代码，运行在用户空间，提供硬件 I/O 虚拟化，通过 IOCTL /dev/kvm 设备和 KVM 交互。

KVM 内核模块在运行时按需加载进入内核空间运行。KVM 本身不执行任何设备模拟，需要 QEMU 通过 /dev/kvm 接口设置一个 GUEST OS 的地址空间，向它提供模拟的 I/O 设备，并将它的视频显示映射回宿主机的显示屏。它是KVM 虚机的核心部分，其主要功能是初始化 CPU 硬件，打开虚拟化模式，然后将虚拟客户机运行在虚拟机模式下，并对虚机的运行提供一定的支持。以在 Intel 上运行为例，

KVM 模块被加载的过程：

• 首先初始化内部的数据结构；
• 做好准备后，KVM 模块检测当前的 CPU，然后打开 CPU 控制及存取 CR4 的虚拟化模式开关，并通过执行 VMXON 指令将宿主操作系统置于虚拟化模式的根模式；
• 最后，KVM 模块创建特殊设备文件 /dev/kvm 并等待来自用户空间的指令。

KVM 运行期间，QEMU 会通过 KVM 模块提供的系统调用进入内核，由 KVM 负责将虚拟机置于处理的特殊模式运行。遇到虚机进行 I/O 操作，KVM 会从上次的系统调用出口处返回 QEMU，由 QEMU 来负责解析和模拟这些设备。从 QEMU 的角度看，也可以说是 QEMU 使用了 KVM 模块的虚拟化功能，为自己的虚机提供了硬件虚拟化加速。除此以外，虚机的配置和创建、虚机运行说依赖的虚拟设备、虚机运行时的用户环境和交互，以及一些虚机的特定技术比如动态迁移，都是 QEMU 自己实现的。

KVM 所支持的功能包括：

• 支持CPU 和 memory 超分（Overcommit）
• 支持半虚拟化I/O （virtio）
• 支持热插拔 （cpu，块设备、网络设备等）
• 支持对称多处理（Symmetric Multi-Processing，缩写为 SMP ）
• 支持实时迁移（Live Migration）
• 支持 PCI 设备直接分配和 单根I/O 虚拟化 （SR-IOV）
• 支持 内核同页合并 （KSM ）
• 支持 NUMA （Non-Uniform Memory Access，非一致存储访问结构 ）

KVM 工具集合

• libvirt：操作和管理KVM虚机的虚拟化 API，使用 C 语言编写，可以由 Python,Ruby, Perl, PHP, Java 等语言调用。可以操作包括 KVM，vmware，XEN，Hyper-v, LXC 等 Hypervisor。
• Virsh：基于 libvirt 的 命令行工具 （CLI）
• Virt-Manager：基于 libvirt 的 GUI 工具
• virt-v2v：虚机格式迁移工具
• virt-* 工具：包括 Virt-install （创建KVM虚机的命令行工具）， Virt-viewer （连接到虚机屏幕的工具），Virt-clone（虚机克隆工具），virt-top 等
• sVirt：安全工具'

为什么需要 CPU 虚拟化

• X86 操作系统是设计在直接运行在裸硬件设备上的，因此它们自动认为它们完全占有计算机硬件。x86 架构提供四个特权级别给操作系统和应用程序来访问硬件。 Ring 是指CPU的运行级别，Ring0是最高级别，Ring1次之，Ring2更次之…… 就 Linux+x86 来说，操作系统（内核）需要直接访问硬件和内存，因此它的代码需要运行在最高运行级别 Ring0上，这样它可以使用特权指令，控制中断、修改页表、访问设备等等。
• 应用程序的代码运行在最低运行级别上ring3上，不能做受控操作。如果要做，比如要访问磁盘，写文件，那就要通过执行系统调用（函数），执行系统调用的时候，CPU的运行级别会发生从ring3到ring0的切换，并跳转到系统调用对应的内核代码位置执行，这样内核就为你完成了设备访问，完成之后再从ring0返回ring3。这个过程也称作用户态和内核态的切换。
• 那么，虚拟化在这里就遇到了一个难题，因为宿主操作系统是工作在 ring0 的，客户操作系统就不能也在 ring0 了，但是它不知道这一点，以前执行什么指令，现在还是执行什么指令，但是没有执行权限是会出错的。所以这时候虚拟机管理程序（VMM）需要避免这件事情发生。

虚机怎么通过 VMM 实现 Guest CPU 对硬件的访问，根据其原理不同有三种实现技术：
1. 全虚拟化
基于二进制翻译的全虚拟化（Full Virtualization with Binary Translation）
客户操作系统运行在 Ring 1，它在执行特权指令时，会触发异常（CPU的机制，没权限的指令会触发异常），然后 VMM 捕获这个异常，在异常里面做翻译，模拟，最后返回到客户操作系统内，客户操作系统认为自己的特权指令工作正常，继续运行。但是这个性能损耗，就非常的大，简单的一条指令，执行完，了事，现在却要通过复杂的异常处理过程。

2. 半虚拟化
超虚拟化（或者半虚拟化/操作系统辅助虚拟化 Paravirtualization）

半虚拟化的思想就是，修改操作系统内核，替换掉不能虚拟化的指令，通过超级调用（hypercall）直接和底层的虚拟化层hypervisor来通讯，hypervisor 同时也提供了超级调用接口来满足其他关键内核操作，比如内存管理、中断和时间保持。

这种做法省去了全虚拟化中的捕获和模拟，大大提高了效率。所以像XEN这种半虚拟化技术，客户机操作系统都是有一个专门的定制内核版本，和x86、mips、arm这些内核版本等价。这样以来，就不会有捕获异常、翻译、模拟的过程了，性能损耗非常低。这就是XEN这种半虚拟化架构的优势。这也是为什么XEN只支持虚拟化Linux，无法虚拟化windows原因，微软不改代码啊。

3. 硬件辅助的虚拟化
硬件辅助的全虚拟化
2005年后，CPU厂商Intel 和 AMD 开始支持虚拟化了。 Intel 引入了 Intel-VT （Virtualization Technology）技术。 这种 CPU，有 VMX root operation 和 VMX non-root operation两种模式，两种模式都支持Ring 0 ~ Ring 3 共 4 个运行级别。这样，VMM 可以运行在 VMX root operation模式下，客户 OS 运行在VMX non-root operation模式下。

客户机系统的代码是如何运行的：

• 一个普通的 Linux 内核有两种执行模式：内核模式（Kenerl）和用户模式 （User）。为了支持带有虚拟化功能的 CPU，KVM 向 Linux 内核增加了第三种模式即客户机模式（Guest），该模式对应于 CPU 的 VMX non-root mode。
• KVM 内核模块作为 User mode 和 Guest mode 之间的桥梁
• User mode 中的 QEMU-KVM 会通过 ICOTL 命令来运行虚拟机
• KVM 内核模块收到该请求后，它先做一些准备工作，比如将 VCPU 上下文加载到 VMCS （virtual machine control structure）等，然后驱动 CPU 进入 VMX non-root 模式，开始执行客户机代码

三种模式的分工为：

• Guest 模式：执行客户机系统非 I/O 代码，并在需要的时候驱动 CPU 退出该模式
• Kernel 模式：负责将 CPU 切换到 Guest mode 执行 Guest OS 代码，并在 CPU 退出 Guest mode 时回到 Kenerl 模式
• User 模式：代表客户机系统执行 I/O 操作

Libvirt 是什么

为什么需要Libvirt？

• Hypervisor 比如 qemu-kvm 的命令行虚拟机管理工具参数众多，难于使用。
• Hypervisor 种类众多，没有统一的编程接口来管理它们，这对云环境来说非常重要。
• 没有统一的方式来方便地定义虚拟机相关的各种可管理对象。

Libvirt提供了什么？

• 它提供统一、稳定、开放的源代码的应用程序接口（API）、守护进程 （libvirtd）和和一个默认命令行管理工具（virsh）。
• 它提供了对虚拟化客户机和它的虚拟化设备、网络和存储的管理。
• 它提供了一套较为稳定的C语言应用程序接口。目前，在其他一些流行的编程语言中也提供了对libvirt的绑定，在Python、Perl、Java、Ruby、PHP、OCaml等高级编程语言中已经有libvirt的程序库可以直接使用。
• 它对多种不同的 Hypervisor 的支持是通过一种基于驱动程序的架构来实现的。libvirt 对不同的 Hypervisor 提供了不同的驱动，包括 Xen 的驱动，对QEMU/KVM 有 QEMU 驱动，VMware 驱动等。在 libvirt 源代码中，可以很容易找到 qemu_driver.c、xen_driver.c、xenapi_driver.c、vmware_driver.c、vbox_driver.c 这样的驱动程序源代码文件。
• 它作为中间适配层，让底层 Hypervisor 对上层用户空间的管理工具是可以做到完全透明的，因为 libvirt 屏蔽了底层各种 Hypervisor 的细节，为上层管理工具提供了一个统一的、较稳定的接口（API）。
• 它使用 XML 来定义各种虚拟机相关的受管理对象。

目前，libvirt 已经成为使用最为广泛的对各种虚拟机进行管理的工具和应用程序接口（API），而且一些常用的虚拟机管理工具（如virsh、virt-install、virt-manager等）和云计算框架平台（如OpenStack、OpenNebula、Eucalyptus等）都在底层使用libvirt的应用程序接口。

VMWARE esx:是用来在服务器上搭建虚拟机，自己本身就是一台操作系统，可以直接在物理机上安装，之后访问WEB页面进行虚拟机的安装。

kvm 一般是在 redhatLinux 中部署，如果没有内核模块要安装内核模块，之后安装 QEMU, 然后安装 libvirt 进行配置安装虚拟机。