《KVM虛擬化技術(shù)基礎(chǔ)與實(shí)踐》課件1第三章

構(gòu)建KVM環(huán)境3KVM架構(gòu)概述配置硬件環(huán)境安裝宿主機(jī)Linux編譯安裝KVM編譯安裝QEMU安裝和啟動(dòng)客戶機(jī)第3章構(gòu)建KVM環(huán)境3.1

LVM架構(gòu)概述KVM全稱是Kernel-basedVirtualMachine，是x86架構(gòu)且硬件支持虛擬化技術(shù)(如IntelVT或AMD-V)的Linux內(nèi)核全虛擬化的解決方案。Hypervisor也叫VMM虛擬機(jī)監(jiān)控器，即VirtualMachineMonitor，在物理系統(tǒng)上，通過(guò)運(yùn)行虛擬機(jī)監(jiān)控器來(lái)生成虛擬機(jī)。虛擬機(jī)監(jiān)控器的主要任務(wù)就是管理真實(shí)的物理硬件平臺(tái)，為每一個(gè)虛擬客戶機(jī)提供對(duì)應(yīng)的虛擬硬件平臺(tái)。KVM是作為一個(gè)模塊放置在Linux內(nèi)核中進(jìn)行使用的。在2010年11月，RedHat公司推出了新的企業(yè)版Linux-RHEL6，在這個(gè)發(fā)行版中集成了最新的KVM虛擬機(jī)，而且去掉了在RHEL5.x系列中集成的Xen。在主流Linux內(nèi)核的v2.6.20版本后，KVM已經(jīng)成為了Linux中默認(rèn)的虛擬化解決方案，也就是說(shuō)，從主流Linux內(nèi)核的v2.6.20版本后，KVM已經(jīng)成了主流Linux內(nèi)核的一個(gè)模塊嵌入其中。KVM支持Linux客戶操作系統(tǒng)的虛擬化，甚至支持其硬件對(duì)虛擬化敏感的Windows系統(tǒng)的虛擬化。第3章構(gòu)建KVM環(huán)境3.1.1

KVM和XenXen使用一個(gè)虛擬機(jī)管理程序來(lái)管理虛擬機(jī)和相關(guān)的資源，還支持半虛擬化。Xen提供了一個(gè)專門執(zhí)行資源和虛擬管理與計(jì)劃的開(kāi)源虛擬機(jī)管理程序。在裸機(jī)物理硬件上引導(dǎo)系統(tǒng)時(shí)，Xen虛擬機(jī)管理程序啟動(dòng)一個(gè)名為Domain0或管理域的主虛擬機(jī)，該虛擬機(jī)提供了對(duì)所有在該物理主機(jī)上運(yùn)行的其他虛擬機(jī)(稱為DomainU，從Domain1到DomainN，或者簡(jiǎn)單地稱為XenGuest)的中央虛擬機(jī)管理功能。第3章構(gòu)建KVM環(huán)境KVM是Linux內(nèi)核中一個(gè)特殊的模塊，Linux內(nèi)核加載此模塊后，可以將Linux內(nèi)核變成Hypervisor，因?yàn)榭梢院芎玫貙?shí)現(xiàn)對(duì)硬件資源的調(diào)度和管理。KVM的初始版本只有4萬(wàn)行代碼，相對(duì)于Xen的幾百萬(wàn)行代碼顯得非常簡(jiǎn)潔。KVM在Linux整合中優(yōu)于Xen，其中最明顯并且最重要的因素就是KVM是Linux內(nèi)核的一部分，Xen只是一個(gè)安裝在Linux內(nèi)核下層的產(chǎn)品而已。KVM需要AMD或者Intel的CPU虛擬化支持，但是這現(xiàn)在已經(jīng)不能成為KVM發(fā)展的限制條件，因?yàn)楫?dāng)前大多數(shù)服務(wù)器都有這些支持虛擬化的處理器。第3章構(gòu)建KVM環(huán)境3.1.2KVM虛擬化模型目前，虛擬化的架構(gòu)模型基本分為三類，一類是一般的Hypervisor虛擬化架構(gòu)模型，也叫Hypervisor型虛擬化；另一類是Linux作為Hypervisor的虛擬化架構(gòu)模型，也叫宿主模型虛擬化；還有一類是混合模型的虛擬化架構(gòu)模型，綜合了以上兩種虛擬化技術(shù)。一般的Hypervisor模型如圖3-1所示，其中包含一個(gè)軟件層，該軟件層復(fù)用多個(gè)客戶操作系統(tǒng)的硬件。Hypervisor運(yùn)行基本的調(diào)度和內(nèi)存管理，分配I/O資源給特定的客戶機(jī)操作系統(tǒng)。第3章構(gòu)建KVM環(huán)境圖3-1一般的Hypervisor模型第3章構(gòu)建KVM環(huán)境

這類虛擬機(jī)監(jiān)控程序在系統(tǒng)加電之后首先加載運(yùn)行，傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)運(yùn)行在其創(chuàng)建的虛擬機(jī)中。這類Hypervisor可以視為一個(gè)特別為虛擬機(jī)而優(yōu)化裁剪的操作系統(tǒng)內(nèi)核，Hypervisor運(yùn)行在最底層，實(shí)現(xiàn)諸如系統(tǒng)的初始化，物理資源的管理等功能。此外，對(duì)虛擬機(jī)進(jìn)行創(chuàng)建、調(diào)度和管理，與操作系統(tǒng)對(duì)進(jìn)程的創(chuàng)建、調(diào)度和管理相似。這一類型的Hypervisor通常會(huì)提供一個(gè)具有一定特權(quán)的特殊虛擬機(jī)，由這個(gè)特殊虛擬機(jī)來(lái)運(yùn)行提供用戶日常操作和管理使用的操作系統(tǒng)環(huán)境。第3章構(gòu)建KVM環(huán)境圖3-2加載進(jìn)Linux內(nèi)核的KVM模塊第3章構(gòu)建KVM環(huán)境

這類虛擬化模型架構(gòu)在系統(tǒng)加電后運(yùn)行通常的操作系統(tǒng)，這個(gè)操作系統(tǒng)也叫宿主機(jī)操作系統(tǒng)，Hypervisor作為特殊的應(yīng)用程序，是對(duì)宿主機(jī)操作系統(tǒng)的擴(kuò)展。這種方式的Hypervisor可以充分利用現(xiàn)有的操作系統(tǒng)，不必自己管理物理資源和調(diào)度算法，使得Hypervisor更加簡(jiǎn)潔。但是，另一方面，由于Hypervisor依賴于Linux內(nèi)核來(lái)實(shí)現(xiàn)管理和任務(wù)調(diào)度，因此會(huì)受到宿主機(jī)操作系統(tǒng)的一些限制。KVM、VMwareWorkstation和VirtualBox都是屬于此類的Hypervisor。如圖3-2所示，KVM作為一個(gè)模塊加載進(jìn)Linux內(nèi)核。第3章構(gòu)建KVM環(huán)境混合模型的虛擬化架構(gòu)模型是上述兩種模式的混合體，虛擬機(jī)監(jiān)控器位于最底層，用于所有物理資源。但與Hypervisor模型不同的是，虛擬機(jī)監(jiān)控器不會(huì)控制大部分I/O設(shè)備，會(huì)有一個(gè)運(yùn)行在特權(quán)虛擬機(jī)中的特權(quán)操作系統(tǒng)控制大部分硬件，分擔(dān)虛擬機(jī)監(jiān)控器的一些職責(zé)。處理器和內(nèi)存的虛擬化由虛擬機(jī)監(jiān)控器完成，I/O的虛擬化則由虛擬機(jī)監(jiān)控器和特權(quán)操作系統(tǒng)共同合作來(lái)完成。WindowsServer2012是Miscrosoft推出的新一代服務(wù)器操作系統(tǒng)，其中一項(xiàng)重要的新功能是虛擬化。第3章構(gòu)建KVM環(huán)境3.1.3

KVM模塊

KVM模塊讓Linux主機(jī)成為一個(gè)虛擬機(jī)監(jiān)視器，并且在原有的Linux兩種執(zhí)行模式的(內(nèi)核模式和用戶模式)基礎(chǔ)上新增加了客戶模式，客戶模式擁有自己的內(nèi)核模式和用戶模式。在虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)，三種模式的工作如下。(1)客戶模式：執(zhí)行非I/O的客戶代碼，虛擬機(jī)運(yùn)行在這個(gè)模式下。(2)用戶模式：代表用戶執(zhí)行I/O指令，QEMU運(yùn)行在這個(gè)模式下。(3)內(nèi)核模式：實(shí)現(xiàn)客戶模式的切換，處理因?yàn)镮/O或者其他指令引起的從客戶模式的退出。第3章構(gòu)建KVM環(huán)境KVM模塊的職責(zé)就是打開(kāi)并初始化系統(tǒng)硬件以支持虛擬機(jī)的運(yùn)行。以KVM在Intel公司的CPU上運(yùn)行為例，在KVM模塊被內(nèi)核加載的時(shí)候，KVM模塊會(huì)先初始化內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；做好準(zhǔn)備之后，KVM模塊檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)前的CPU，然后打開(kāi)CPU控制寄存器CR4中的虛擬化模式開(kāi)關(guān)，并通過(guò)執(zhí)行VMXON指令將宿主操作系統(tǒng)(包括KVM模塊本身)置于虛擬化模式中的根模式；最后，KVM模塊創(chuàng)建特殊設(shè)備文件/dev/kvm并等待來(lái)自用戶空間的命令。第3章構(gòu)建KVM環(huán)境KVM所使用的方法是通過(guò)簡(jiǎn)單地加載內(nèi)核模塊而將Linux內(nèi)核轉(zhuǎn)換為一個(gè)系統(tǒng)管理程序。這個(gè)內(nèi)核模塊導(dǎo)出了一個(gè)名為/dev/kvm的設(shè)備，它可以啟用Linux內(nèi)核除了傳統(tǒng)的內(nèi)核模式和用戶模式以外的客戶模式。有了/dev/kvm設(shè)備，VM(VirtualMachine)虛擬機(jī)使自己的地址空間獨(dú)立于內(nèi)核或運(yùn)行著的任何其他VM的地址空間。設(shè)備樹(shù)(/dev)中的設(shè)備對(duì)于所有用戶空間進(jìn)程來(lái)說(shuō)都是通用的，但是，為了支持VM之間的隔離，每個(gè)打開(kāi)/dev/kvm的進(jìn)程看到的是不同的映射。

第3章構(gòu)建KVM環(huán)境3.1.4

QEMU與KVM的關(guān)系QEMU(quickemulator)本身并不是KVM的一部分，而是一套由FabriceBellard編寫(xiě)的模擬處理器的自由軟件。與KVM不同的是，QEMU虛擬機(jī)是一個(gè)純軟件的實(shí)現(xiàn)，因此性能比較低。QEMU有整套的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)，包括處理器虛擬化、內(nèi)存虛擬化以及網(wǎng)卡、顯卡、存儲(chǔ)控制器和硬盤(pán)等虛擬設(shè)備的模擬。第3章構(gòu)建KVM環(huán)境QEMU的兩種運(yùn)作模式如下：(1)?UserMode模擬模式，即用戶模式，QEMU能啟動(dòng)由不同中央處理器編譯的Linux程序，可以在一種架構(gòu)(例如PC機(jī))下運(yùn)行另一種架構(gòu)(如ARM)下的操作系統(tǒng)和程序。(2)?SystemMode模擬模式，即系統(tǒng)模式，QEMU能模擬整個(gè)電腦系統(tǒng)，包括中央處理器及其他周邊設(shè)備。在此模式下，QEMU可以直接使用宿主機(jī)的系統(tǒng)資源，讓虛擬機(jī)獲得接近于宿主機(jī)的性能表現(xiàn)。

第3章構(gòu)建KVM環(huán)境KVM模塊是KVM的核心，但是，KVM僅僅是Linux內(nèi)核的一個(gè)模塊，管理和創(chuàng)建完整的KVM虛擬機(jī)，需要其他的輔助工具。每個(gè)KVM虛擬機(jī)都是一個(gè)由Linux調(diào)度程序管理的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程，僅有KVM模塊是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)橛脩魺o(wú)法直接控制內(nèi)核模塊去做事情，因此，還必須有一個(gè)用戶空間的工具才行。這個(gè)輔助的用戶空間的工具，開(kāi)發(fā)者選擇了已經(jīng)成型的開(kāi)源虛擬化軟件QEMU。QEMU是一個(gè)強(qiáng)大的虛擬化軟件，KVM使用了QEMU的基于x86的部分，并稍加改造，形成可控制KVM內(nèi)核模塊的用戶空間工具QEMU。第3章構(gòu)建KVM環(huán)境3.2

配置硬件環(huán)境KVM需要硬件虛擬化技術(shù)的支持，在x86-64架構(gòu)的處理器中，KVM必需的硬件虛擬化支持分別為：英特爾的虛擬化技術(shù)(IntelVT)和AMD的AMD-V技術(shù)。處理器不僅需要在硬件上支持VT技術(shù)，還需要在BIOS中將其功能打開(kāi)，因?yàn)榇蜷_(kāi)后KVM才能使用。目前，多數(shù)流行的服務(wù)器和部分桌面處理器的BIOS都是默認(rèn)將VT打開(kāi)了。第3章構(gòu)建KVM環(huán)境圖3-3CPU-Z中查看處理器的虛擬化支持第3章構(gòu)建KVM環(huán)境圖3-4BIOS選項(xiàng)第3章構(gòu)建KVM環(huán)境圖3-5BIOS中的VT選項(xiàng)第3章構(gòu)建KVM環(huán)境圖3-6BIOS中的VT設(shè)置第3章構(gòu)建KVM環(huán)境3.3

安裝宿主機(jī)Linux運(yùn)行KVM，必須安裝一個(gè)宿主機(jī)的Linux操作系統(tǒng)。KVM作為一個(gè)流行的虛擬化技術(shù)方案，可以在絕大多數(shù)流行的Linux系統(tǒng)上編譯和運(yùn)行，本書(shū)選擇以Ubuntu14.04版本為例，當(dāng)然，其他的RHEL、Fedora等Linux操作系統(tǒng)也是不錯(cuò)的選擇。安裝宿主機(jī)Linux就是一個(gè)普通的Linux系統(tǒng)的安裝過(guò)程，具體細(xì)節(jié)這里不再贅述，讀者可參考相關(guān)資料。第3章構(gòu)建KVM環(huán)境3.4

編譯安裝KVM3.4.1下載KVM源碼下載KVM源碼有下面多種不同的方式：(1)進(jìn)入KVM的官網(wǎng)/page/Downloads下載。(2)到/projects/kvm/files/頁(yè)面，選擇最新版本下載。(3)到Git代碼倉(cāng)庫(kù)中進(jìn)行下載。第3章構(gòu)建KVM環(huán)境圖3-7在Git代碼倉(cāng)庫(kù)中下載KVM第3章構(gòu)建KVM環(huán)境下載KVM的步驟如下：root@kvm-host:~/xjy#gitclonegit:///pub/scm/virt/kvm/kvm.gitCloninginto'kvm'...remote:Countingobjects:3924734,done.remote:Compressingobjects:100%(722579/722579),done.remote:Total3924734(delta3218312),reused3858632(delta3169716)Receivingobjects:100%(3924734/3924734),880.54MiB|1.35MiB/s,done.Resolvingdeltas:100%(3218312/3218312),done.Checkingconnectivity...done.Checkingoutfiles:100%(47986/47986),done.第3章構(gòu)建KVM環(huán)境完成后，在當(dāng)前目錄下，可以看到剛下載的kvm的相關(guān)文件:root@kvm-host:~/xjy#pwd/root/xjyroot@kvm-host:~/xjy#lskvmroot@kvm-host:~/xjy#cdkvmroot@kvm-host:~/xjy/kvm#lsarchDocumentationinitlibREADMEsoundblockdriversipcMAINTAINERSREPORTING-BUGStoolsCOPYINGfirmwareKbuildMakefilesamplesusrCREDITSfsKconfigmmscriptsvirtcryptoincludekernelnetsecurity第3章構(gòu)建KVM環(huán)境3.4.2配置KVM圖3-9KVM的配置界面第3章構(gòu)建KVM環(huán)境圖3-10KVM的虛擬化配置界面第3章構(gòu)建KVM環(huán)境圖3-12.config文件的配置信息第3章構(gòu)建KVM環(huán)境3.4.3編譯KVM

配置好KVM后，就可以進(jìn)行編譯了。編譯KVM時(shí)，直接在KVM的安裝目錄中使用“make”命令編譯即可。為了使編譯速度更快，可以在“make”命令后加“-j”參數(shù)，讓make工具啟用多進(jìn)程進(jìn)行編譯。例如“make-j10”的含義是使用make工具最多創(chuàng)建10個(gè)進(jìn)程來(lái)同時(shí)執(zhí)行編譯任務(wù)。在一個(gè)比較空閑的系統(tǒng)上面，一般使用一個(gè)兩倍于系統(tǒng)上CPU的core的數(shù)量來(lái)作為?-j常用的一個(gè)參數(shù)。第3章構(gòu)建KVM環(huán)境3.4.4安裝KVMKVM的安裝可分為module的安裝及kernel和initramfs的安裝兩步。安裝module時(shí)使用“makemodules_install”命令，該命令可以將編譯好的KVM的module安裝到相應(yīng)的目錄下，在默認(rèn)情況下將安裝到目錄“/lib/modules/$kernel_version/kernel”下，“$kernel_version”表示根據(jù)內(nèi)核版本的不同分別為不同的內(nèi)核目錄。第3章構(gòu)建KVM環(huán)境KVM的module安裝好后，查看“/lib/modules/$kernel_version/kernel”目錄，在本例中，KVM模塊將安裝在“/lib/modules/3.13.0-24-generic/kernel/arch/x86/kvm”目錄下。在該目錄下，可以看到kvm的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)文件kvm.ko和分別支持Intel和AMD類型的CPU內(nèi)核驅(qū)動(dòng)文件kvm_intel.ko和kvm_amd.ko。

接下來(lái)，使用“makeinstall”命令進(jìn)行KVM的kernel和initramfs的安裝，執(zhí)行“makeinstall”命令后會(huì)將內(nèi)核和模塊的相關(guān)文件復(fù)制到正確的地方，并且修改引導(dǎo)程序的配置以啟用新內(nèi)核。第3章構(gòu)建KVM環(huán)境3.5

編譯安裝QEMU在編譯安裝QEMU時(shí)，需要以下內(nèi)容的支持：(1)?qemu-kvm-release.tar.gz文件；(2)?支持VT技術(shù)的Intel處理器，或者是支持SVM的AMD處理器；(3)?QEMU需要以下依賴內(nèi)容：“zlib”庫(kù)和頭文件，“SDL”庫(kù)和頭文件，“alsa”庫(kù)和頭文件，“guntls”庫(kù)和頭文件，內(nèi)核頭文件。第3章構(gòu)建KVM環(huán)境3.5.1下載QEMU源碼在內(nèi)核空間安裝加載KVM模塊后，需要用戶空間的QEMU程序來(lái)模擬硬件環(huán)境并啟動(dòng)客戶機(jī)操作系統(tǒng)。QEMU通過(guò)直接在宿主CPU上執(zhí)行客戶代碼的方式可以獲得接近本地的性能，QEMU支持Xen作為Hypervisor的虛擬化，也支持使用KVM內(nèi)核模塊的虛擬化。在使用KVM時(shí)，QEMU能虛擬化x86、服務(wù)器和嵌入式PowerPC等。截至本書(shū)定稿時(shí)，QEMU的最新版本已更新至2.2.1。第3章構(gòu)建KVM環(huán)境1、在QEMU官網(wǎng)下載第3章構(gòu)建KVM環(huán)境圖3-13QEMU官網(wǎng)下載頁(yè)面2、使用gitclone方式下載QEMU源碼第3章構(gòu)建KVM環(huán)境圖3-14下載QEMU代碼的鏈接3.5.2下配置QEMU配置QEMU并不復(fù)雜，如果對(duì)配置參數(shù)不熟悉，可以使用“./configure--help”命令來(lái)查看配置的幫助選項(xiàng)。執(zhí)行“./configure”文件進(jìn)行QEMU的配置：root@kvm-host:~/xjy/qemu/qemu-2.2.1#lsconfigureconfigure第3章構(gòu)建KVM環(huán)境3.5.3編譯QEMUroot@kvm-host:~/xjy/qemu/qemu-2.2.1#make-j10GENaarch64-softmmu/config-devices.makGENalpha-softmmu/config-devices.makGENarm-softmmu/config-devices.makGENi386-softmmu/config-devices.makGENcris-softmmu/config-devices.makGENlm32-softmmu/config-devices.mak第3章構(gòu)建KVM環(huán)境3.5.4安裝QEMU編譯完成之后，即可進(jìn)行QEMU的安裝。在QEMU的源碼目錄下執(zhí)行命令“makeinstall”即可。QEMU在安裝過(guò)程中的幾個(gè)主要任務(wù)包括：創(chuàng)建QEMU的一些目錄，復(fù)制一些配置文件到相應(yīng)目錄，復(fù)制QEMU的可執(zhí)行文件到相應(yīng)的目錄。安裝完畢后，會(huì)有QEMU的命令行工具qemu-system-i386和qemu-system-x86。第3章構(gòu)建KVM環(huán)境3.6

安裝和啟動(dòng)客戶機(jī)虛擬化環(huán)境搭建起來(lái)以后，就可以使用QEMU安裝和啟動(dòng)客戶機(jī)操作系統(tǒng)了。如同在實(shí)體機(jī)上安裝一個(gè)普通的操作系統(tǒng)一樣，安裝客戶機(jī)操作系統(tǒng)的第一步是必須有一個(gè)所需操作系統(tǒng)的ISO文件。在本節(jié)中以Win7和Ubuntu12.04為例制作鏡像，以Ubuntu12.04為例安裝系統(tǒng)，以此介紹如何安裝并啟動(dòng)客戶機(jī)。第3章構(gòu)建KVM環(huán)境3.6.1客戶機(jī)的安裝步驟第一步，創(chuàng)建一個(gè)客戶機(jī)的虛擬硬盤(pán)(鏡像文件)，將來(lái)用來(lái)存放客戶機(jī)虛擬操作系統(tǒng)，這個(gè)虛擬硬盤(pán)是利用Linux文件系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行模擬的。第二步，準(zhǔn)備要安裝系統(tǒng)的ISO文件。本例中以Ubuntu12.04為例，以下是系統(tǒng)的ISO文件：root@kvm-host: