Qemu-kvm虛擬化技術(shù)介紹

1、Qemu-kvm虛擬化技術(shù)介紹技術(shù)創(chuàng)新，變革未來目 錄 Contents05Qemu支持的磁盤格式介紹06Qemu-kvm虛擬化環(huán)境搭建07Qemu-img生產(chǎn)虛擬機(jī)硬盤08Qemu-kvm命令創(chuàng)建虛擬機(jī)01KVM原理簡(jiǎn)介02Qemu原理介紹03KVM和Qemu的關(guān)系04Qemu工具介紹KVM原理簡(jiǎn)介01KVM工作流程 用戶模式的qemu利用libkvm通過ioctl進(jìn)入內(nèi)核模式，kvm模塊為虛擬機(jī)創(chuàng)建虛擬內(nèi)存，虛擬CPU后執(zhí)行VMLauch指令進(jìn)入客戶模式。加載Guest OS并執(zhí)行。如果Guest OS 發(fā)生外部中斷或者影子頁(yè)表缺頁(yè)之類的情況，會(huì)暫停Guest OS的執(zhí)行，退出客戶模式，執(zhí)

2、行異常處理，之后重新進(jìn)入客戶模式，執(zhí)行客戶代碼。如果發(fā)生I/O事件或者信號(hào)隊(duì)列中有信號(hào)到達(dá)，就會(huì)進(jìn)入用戶模式處理。KVM架構(gòu)如圖所示，左側(cè)部分是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Linux操作系統(tǒng)，可以是RHEL、Fedora、Ubuntu等。KVM內(nèi)核模塊在運(yùn)行時(shí)按需加載進(jìn)入內(nèi)核空間運(yùn)行。KVM本身不執(zhí)行任何設(shè)備模擬，需要用戶空間程序QEMU通過/dev/kvm接口設(shè)置一個(gè)虛擬客戶機(jī)的地址空間，向它提供模擬的I/O設(shè)備，并將它的視頻顯示映射回宿主機(jī)的顯示屏。KVM模塊 KVM模塊是KVM虛擬機(jī)的核心部分。其主要功能是初始化CPU硬件，打開虛擬化模式，然后將虛擬客戶機(jī)運(yùn)行在虛擬機(jī)模式下，并對(duì)虛擬客戶機(jī)的運(yùn)行提供一定的

3、支持。 KVM模塊加載之初，只存在/dev/kvm文件，而針對(duì)該文件的最重要的IOCTL調(diào)用就是“創(chuàng)建虛擬機(jī)”。在這里，“創(chuàng)建虛擬機(jī)”可以理解成KVM為了某個(gè)特定的虛擬客戶機(jī)（用戶空間程序創(chuàng)建并初始化）創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 處理器對(duì)設(shè)備的訪問主要是通過IO指令和MMIO，其中IO指令會(huì)被處理器直接截獲，MMIO會(huì)通過配置內(nèi)存虛擬化來捕捉。但是，外設(shè)的模擬一般并不由KVM模塊負(fù)責(zé)。一般來說，只有對(duì)性能要求比較高的虛擬設(shè)備才會(huì)由KVM內(nèi)核模塊來直接負(fù)責(zé)，比如虛擬終端控制器和虛擬時(shí)鐘，這樣可以大量減少處理器的模式切換的開銷。Qemu原理介紹02Qemu架構(gòu) Qemu是純軟件實(shí)現(xiàn)的虛擬化模擬器，幾

4、乎可以模擬任何硬件設(shè)備，是一個(gè)完整的可以運(yùn)行的軟件，非常靈活可移植，我們最熟悉的就是能夠模擬一臺(tái)能夠獨(dú)立運(yùn)行操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)，虛擬機(jī)認(rèn)為自己和硬件打交道，但其實(shí)是和Qemu模擬出來的硬件打交道，Qemu將這些指令轉(zhuǎn)譯給真正的硬件。Qemu模塊 QEMU本身并不是KVM的一部分，其自身就是一個(gè)著名的開源虛擬機(jī)軟件。與KVM不同，QEMU虛擬機(jī)是一個(gè)純軟件的實(shí)現(xiàn)，所以性能地下。但是，其優(yōu)點(diǎn)是在支持QEMU本身編譯運(yùn)行的平臺(tái)上就可以實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的功能，甚至虛擬機(jī)可以與宿主機(jī)并不是同一個(gè)架構(gòu)。作為一個(gè)存在已久的虛擬機(jī)，QEMU的代碼中有整套的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)，包括處理器虛擬化、內(nèi)存虛擬化，以及KVM使用到的虛

5、擬設(shè)備模擬（比如網(wǎng)卡、顯卡、存儲(chǔ)控制器和硬盤等）。 從QEMU和KVM模塊之間的關(guān)系可以看出，這是典型的開源社區(qū)在代碼共用和開發(fā)項(xiàng)目共用上面的合作。誠(chéng)然，QEMU可以選擇其他的虛擬機(jī)或技術(shù)來加速，比如Xen或者KQEMU；KVM也可以選擇其他的用戶空間程序作為虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)，只要它按照KVM提供的API來設(shè)計(jì)。但是在現(xiàn)實(shí)中，QEMU與KVM兩者的結(jié)合是最成熟的選擇，這對(duì)一個(gè)新開發(fā)和后起的項(xiàng)目（KVM）來說，無疑多了一份未來成功的保障。Qemu的三種運(yùn)行模式1)第一種模式是通過kqemu模塊實(shí)現(xiàn)內(nèi)核態(tài)的加速。2)第二種模式是在用戶態(tài)直接運(yùn)行QEMU，由QEMU對(duì)目標(biāo)機(jī)的 所有 指令進(jìn)行翻譯后執(zhí)行，相

6、當(dāng)于全虛擬化。3)第三種模式則是KVM官方提供的kvm-qemu加速模式。Qemu的特點(diǎn)（1）QEMU的兩種操作模式：完整的系統(tǒng)仿真和用戶模式仿真。（2）QEMU具有以下特點(diǎn)：QEMU可以在沒有主機(jī)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序的情況下運(yùn)行。它適用于多種操作系統(tǒng)（GNU / Linux，* BSD，Mac OS X，Windows）和體系結(jié)構(gòu)。它執(zhí)行FPU的精確軟件仿真。（3）QEMU用戶模式仿真具有以下功能：通用Linux系統(tǒng)調(diào)用轉(zhuǎn)換器，包括大部分ioctls。使用本機(jī)CPU clone的仿真為線程使用Linux調(diào)度程序。通過將主機(jī)信號(hào)重新映射到目標(biāo)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)精確信號(hào)處理。Qemu的特點(diǎn)（4）QEMU全系統(tǒng)仿

7、真具有以下特點(diǎn)：QEMU使用完整的軟件MMU來實(shí)現(xiàn)最大的便攜性。QEMU可以選擇使用內(nèi)核加速器，如kvm。加速器本地執(zhí)行大部分客戶代碼，同時(shí)繼續(xù)模擬機(jī)器的其余部分。可以仿真各種硬件設(shè)備，并且在某些情況下，客戶機(jī)操作系統(tǒng)可以透明地使用主機(jī)設(shè)備（例如串行和并行端口，USB，驅(qū)動(dòng)器）。主機(jī)設(shè)備傳遞可用于與外部物理外圍設(shè)備（例如網(wǎng)絡(luò)攝像頭，調(diào)制解調(diào)器或磁帶驅(qū)動(dòng)器）交談。對(duì)稱多處理（SMP）支持。目前，內(nèi)核加速器需要使用多個(gè)主機(jī)CPU進(jìn)行仿真。KVM和Qemu的關(guān)系03KVM和Qemu的關(guān)系Qemu是一個(gè)獨(dú)立的虛擬化解決方案，通過intel-VT 或AMD SVM實(shí)現(xiàn)全虛擬化，安裝qemu的系統(tǒng)，可以直

8、接模擬出另一個(gè)完全不同的系統(tǒng)環(huán)境。QEMU本身可以不依賴于KVM，但是如果有KVM的存在并且硬件(處理器)支持比如Intel VT功能，那么QEMU在對(duì)處理器虛擬化這一塊可以利用KVM提供的功能來提升性能。KVM是集成到Linux內(nèi)核的Hypervisor，是X86架構(gòu)且硬件支持虛擬化技術(shù)（Intel-VT或AMD-V）的Linux的全虛擬化解決方案。它是Linux的一個(gè)很小的模塊，利用Linux做大量的事，如任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理與硬件設(shè)備交互等。準(zhǔn)確來說，KVM是Linux kernel的一個(gè)模塊。Qemu工具介紹04qemu-imgqemu-img是QEMU的磁盤管理工具，在qemu-kvm

9、源碼編譯后就會(huì)默認(rèn)編譯好qemu-img這個(gè)二進(jìn)制文件。qemu-img也是QEMU/KVM使用過程中一個(gè)比較重要的工具。下面我們將幾條重要的選項(xiàng)講解一下。check -f fmt filename 對(duì)磁盤鏡像文件進(jìn)行一致性檢查，查找鏡像文件中的錯(cuò)誤，目前僅支持對(duì)“qcow2”、“qed”、“vdi”格式文件的檢查。create -f fmt -o options filename size 創(chuàng)建一個(gè)格式為fmt大小為size文件名為filename的鏡像文件。commit -f fmt -t cache filename 提交filename文件中的更改到后端支持鏡像文件（創(chuàng)建時(shí)通過back

10、ing_file指定的）中去。convert -c -p -f fmt -t cache -O output_fmt -o options -s snapshot_name -S sparse_size filename filename2 . output_filename 將fmt格式的filename鏡像文件根據(jù)options選項(xiàng)轉(zhuǎn)換為格式為output_fmt的名為output_filename的鏡像文件。qemu-imginfo -f fmt filename 展示filename鏡像文件的信息。snapshot -l | -a snapshot | -c snapshot | -d

11、 snapshot filename “-l” 選項(xiàng)是查詢并列出鏡像文件中的所有快照，“-a snapshot”是讓鏡像文件使用某個(gè)快照，“-c snapshot”是創(chuàng)建一個(gè)快照，“-d”是刪除一個(gè)快照。rebase -f fmt -t cache -p -u -b backing_file -F backing_fmt filename 改變鏡像文件的后端鏡像文件，只有qcow2和qed格式支持rebase命令。resize filename + | -size 改變鏡像文件的大小，使其不同于創(chuàng)建之時(shí)的大小。qemu-kvm此命令用于創(chuàng)建虛擬機(jī)，其使用格式為“qemu-kvm options

12、 disk_image”，其選項(xiàng)非常多，大致可分為如下幾類：標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)；USB選項(xiàng)；顯示選項(xiàng)；i386平臺(tái)專用選項(xiàng)；網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)；字符設(shè)備選項(xiàng)；藍(lán)牙相關(guān)選項(xiàng)；Linux系統(tǒng)引導(dǎo)專用選項(xiàng)；調(diào)試/專家模式選項(xiàng)；PowerPC專用選項(xiàng)；Sparc32專用選項(xiàng)。下面我們將講解幾個(gè)重要的選項(xiàng)。qemu-kvmqemu-kvm的標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng) 該選項(xiàng)主要涉及指定主機(jī)類型、CPU模式、NUMA、軟驅(qū)設(shè)備、光驅(qū)設(shè)備及硬件設(shè)備等。qemu-kvm的顯示選項(xiàng) 該選項(xiàng)主要用來配置虛擬機(jī)的顯示狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)屬性相關(guān)選項(xiàng)： 該選項(xiàng)用來配置虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)信息。具體選項(xiàng)參考教科書上內(nèi)容。qemu-ga qga是一個(gè)運(yùn)行在虛擬機(jī)內(nèi)部的普通應(yīng)用

13、程序（可執(zhí)行文件名稱默認(rèn)為qemu-ga，服務(wù)名稱默認(rèn)為qemu-guest-agent），其目的是實(shí)現(xiàn)一種宿主機(jī)和虛擬機(jī)進(jìn)行交互的方式，這種方式不依賴于網(wǎng)絡(luò)，而是依賴于virtio-serial（默認(rèn)首選方式）或者isa-serial，而QEMU則提供了串口設(shè)備的模擬及數(shù)據(jù)交換的通道，最終呈現(xiàn)出來的是一個(gè)串口設(shè)備（虛擬機(jī)內(nèi)部）和一個(gè)unix socket文件（宿主機(jī)上）。 qga通過讀寫串口設(shè)備與宿主機(jī)上的socket通道進(jìn)行交互，宿主機(jī)上可以使用普通的unix socket讀寫方式對(duì)socket文件進(jìn)行讀寫，最終實(shí)現(xiàn)與qga的交互，交互的協(xié)議與qmp（QEMU Monitor Protoc

14、ol）相同（簡(jiǎn)單來說就是使用JSON格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換），串口設(shè)備的速率通常都較低，所以比較適合小數(shù)據(jù)量的交換。qemu-io這是一個(gè)執(zhí)行 Qemu I/O 操作的命令行工具，可以對(duì)qemu-img創(chuàng)建的鏡像進(jìn)行I/O測(cè)試，其幫助文檔為，使用格式為qemu-io -h -V -rsnm -c cmd . file，下面是常用的選項(xiàng)：（1）-c, -cmd：執(zhí)行指令；（2）-r, -read-only：設(shè)置出口為只讀模式；（3）-s, -snapshot：使用快照文件進(jìn)行測(cè)試；（4）-n, -nocache：禁用主機(jī)緩存；（5）-k, -native-aio：使用內(nèi)核AIO實(shí)現(xiàn)（僅在Linux上）

15、；（6）-t, -cache=MODE：對(duì)image使用指定的緩存模式。qemu-nbd qemu-nbd在有的系統(tǒng)上叫kvm-nbd，qemu-nbd-xen等?；旧隙家粯?。用qemu-nbd實(shí)現(xiàn)mount虛擬硬盤到Host上的功能。 網(wǎng)絡(luò)塊設(shè)備: Network Block Device?？梢詫⒁粋€(gè)遠(yuǎn)程主機(jī)的磁盤空間，當(dāng)作一個(gè)塊設(shè)備來使用，就像一塊硬盤一樣。使用它，可以很方便的將另一臺(tái)服務(wù)器的硬盤空間增加到本地服務(wù)器上。 NBD與NFS有所不同，NFS只是提供一個(gè)掛載點(diǎn)供客戶端使用，客戶端無法改變這個(gè)掛載點(diǎn)的分區(qū)格式。而NBD提供的是一個(gè)塊設(shè)備，客戶端可以把這個(gè)塊設(shè)備格式化成各種類型的分

16、區(qū)，更便于用戶的使用。 Qemu支持的磁盤格式介紹05qemu-nbd qemu-img支持非常多種的文件格式，我們可以通過“qemu-img -help”查看幫助文檔得到，它支持二十多種格式：vvfat、vpc、vmdk、vhdx、vdi、ssh、sheepdog、rbd、raw、host_cdrom、host_floppy、host_device、file qed、qcow2、qcow、parallels、nbd、iscsi、gluster、 dmg、tftp、ftps、ftp、https、http、cloop、bochs、blkverify、blkdebug。 下面對(duì)其中幾種常用的文件格

17、式做簡(jiǎn)單的介紹。raw raw格式是簡(jiǎn)單的二進(jìn)制鏡像文件，一次性會(huì)把分配的磁盤空間占用。host_device 在需要將鏡像轉(zhuǎn)化到不支持空洞的磁盤設(shè)備時(shí)需要用這種格式來代替raw格式。qcow2 qcow2是QEMU目前推薦的鏡像格式，它是功能最多的格式。qemu-nbdqcow 較舊的QEMU鏡像格式，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用了，一般用于兼容比較老版本的QEMU。它支持backing_file（后端鏡像）和encryption（加密）兩個(gè)選項(xiàng)。cow copy-on-write format，寫時(shí)復(fù)制格式。曾經(jīng)qemu的寫時(shí)拷貝的鏡像格式，目前由于歷史遺留原因不支持窗口模式，后來被qcow格式所取代

18、。vdi 兼容Oracle（Sun）VirtualBox1.1的鏡像文件格式（Virtual Disk Image）。vmdk VMDK（VMWare Virtual Machine Disk Format）是虛擬機(jī)VMware創(chuàng)建的虛擬硬盤格式，文件存在于VMware文件系統(tǒng)中，被稱為VMFS（虛擬機(jī)文件系統(tǒng)）。qemu-nbdvpc 兼容Microsoft的Virtual PC的鏡像文件格式（Virtual Hard Disk format）。sheepdog Sheepdog項(xiàng)目是由日本的NTT實(shí)驗(yàn)室發(fā)起的，為QEMU/KVM做的一個(gè)開源的分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)，為KVM虛擬化提供塊存儲(chǔ)。cloop 壓縮的loop格式，主要用于可直接引導(dǎo)優(yōu)盤或者光盤的一種鏡像格式。實(shí)驗(yàn)一：Qemu-kvm虛擬化環(huán)境搭建06Qemu-kvm虛擬化環(huán)境搭建一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆帐褂肰Mware Workstation創(chuàng)建虛擬機(jī)；掌握安裝過程中如何配置虛擬化；了解如何在沒有虛擬化環(huán)境下安裝軟件包實(shí)現(xiàn)qemu-kvm環(huán)境；學(xué)會(huì)配置vncserver環(huán)境。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 通過VMware Workstation創(chuàng)建一臺(tái)虛擬機(jī)，并將其虛擬化引擎設(shè)置為Intel VT-x或AMD-V/RVI(V)。本實(shí)驗(yàn)也包含了在沒有安裝