云计算运营—03 KVM虚拟化技术方案介绍-Toy模板网

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KVM虚拟化技术方案介绍

1.背景介绍

KVM（Kernel-based Virtual Machine）

开源全虚拟化方案

支持体系结构
x86(32位,64位)、IA64、PowerPC、S390

依赖x86硬件支持：Intel VT-x/ AMD-V

内核模块，使得linux内核成为hypervisor

XEN架构

domainU：普通用户虚拟机
domain0：特权虚拟机
- 唯一
- 拥有设备驱动，可以直接认识硬件设备
- 拥有后端驱动，可以与众多普通虚拟机交互，实现IO虚拟化
- 最先启动。
- 可以管理其他domainU虚拟机

早期是半虚拟化，现在是全虚拟化。性能较差，但是安全性较好。

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KVM架构:

KVM：内核中的一个模块，部署在linux kernel中，使得linux kernel变为hypervisor。可以实现CPU虚拟化、内存虚拟化。无法实现IO虚拟化。运行内核态。
QEMU-KVM：实现IO虚拟化。运行在用户空间中，用户态。

优点：全虚拟化性能较好

QEMU：与KVM、XEN一样，也是属于虚拟化解决方案的一种，也就是说，它能够实现CPU虚拟化、内存虚拟化、IO虚拟化。轻量级，性能较差。单线程。

KVM调用QEMU实现IO虚拟化，反过来，也可以认为是QEMU调用KVM，增强CPU、内存虚拟化的性能。

KVM使用的QEMU不一样的。多线程。QEMU-KVM

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2.KVM简介

UVP虚拟化架构中KVM架构

FusionCompute，简称FC。有2部分组成：CNA+VRM。

CNA又由两部分组成：UVP+VNA。UVP实现底层硬件的虚拟化，VNA实现对接VRM。
VRM是集群级的一个管理平台(具体是以2台虚拟机主备形式部署在2个管理节点上)。

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libvirtd

libvirtd：统一的接口。兼容不同的虚拟化方案，统一管理。

南向可以接入不同虚拟化产品。
北向提供统一接口，通过不同工具(cli\图形化)，管理虚拟机。
通过xml文件，统一定义虚拟机。

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CPU虚拟化

X86架构CPU拥有四种等级的指令:

ring0特权指令，给操作系统使用
ring1\2给驱动程序使用
ring3非特权指令，给应用程序使用

操作系统对CPU的认识与管理达成以下两点认识：

CPU资源永远就绪
OS对CPU具有最高权限

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引入虚拟化后出现的问题：

多个VM之间共享CPU资源

部分指令只有hypervisor有权限使用

多个VM之间共享CPU资源的问题?
将VM的vCPU调度到CPU的线程上运行，实现物理CPU资源的分时复用。
虚拟机指令越级的问题?
传统架构中，操作使用ring0，应用程序使用ring3。
在虚拟化架构当中，VM可看作上面的应用程序，只能使用ring3。但里面实际上有OS，需要使用ring0。所以，指令越级。

经典虚拟化:特权解除、陷入模拟。
当虚拟机操作系统需要使用ring0指令，解除特权，由host os的ring1模拟。
缺点:在X86架构中，遇到问题:在非特权指令中，有19条敏感指令。

解决方案

1、操作系统辅助的全虚拟化

修改host OS,接收VM全部指令进行处理。优点:解决敏感指令的问题。
缺点:1、host OS压力较大，2、host 0S需要修改，难度较大。

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2、半虚拟化

修改guest os，VM不发出敏感指令。优点: host OS压力较小
缺点:需要修改guest 0S,只有开源可以修改，不能运行闭源操作系统。

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3、硬件辅助的全虚拟化:

在CPU层面，引入根与非根，分别拥有ring0-3，根给host os 使用，非根给Guest os

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全虚、半虚
区别:虚拟机操作系统是否修改。如果修改就是半虚，不修改就是全虚

KVM CPU虚拟化

非根模式：客户机模式
根模式ring0：内核态模式
根模式ring3：用户态模式

云计算运营—03 KVM虚拟化技术方案介绍

vm entry:由内核态进入客户机模式

vm exit:由客户机模式进入内核态

以上两个切换，会有切换开销。本身VMM运行，也需要消耗性能。所以，虚拟化后的性能损耗，来自切换开销、VMM的性能消耗。

内存虚拟化

操作系统对内存的认识与管理达成以下两点认识：

内存都是从物理地址0开始的
内存都是连续的

引入虚拟化后出现的问题：

从物理地址0开始的：物理地址0只有一个，无法同时满足所有客户机从0开始的要求；
地址连续：虽然可以分配连续的物理地址，但是内存使用效率不高，缺乏灵活性。

云计算运营—03 KVM虚拟化技术方案介绍

GVA: Guest virtual Address	客户机虚拟地址	客户机给应用程序分配地址，可能是真实内存，也可能是硬盘
GPA: Guest Physical Address	客户机物理地址	客户机以为真实内存
HVA: Host Virtual Address	宿主机虚拟地址	宿主机给应用程序(VM)分配地址，可能是真实内存，也可能是硬盘
HPA: Host Physical Address	宿主机物理地址	实际上就是服务器真实内存

HPA-》 HVA-》GPA-》GVA

HPA-》HVA 本身OS具有MMU，就可以实现
HVA-》GPA MMU虚拟化
GPA-》GVA VM本身OS也具有MMU，也可以实现

MMU虚拟化（MMU本质是是内存管理模块）

软件 XEN 可以是半虚、全虚
- 直接模式：半虚化，知道自己是处于虚拟化环境当中，可以直接在hypervisor当中实现HVA-》GVA的转化。（宿主机虚拟地址-》客户机虚拟地址）
- 影子列表：全虚化，不知道自己运行··在物理服务器或虚拟化环境中，可以在hypervisor当中实现HVA-》GPA的转化。再由虚拟机本身实现GPA-》GVA的转化。（宿主机虚拟地址-》客户机物理地址-》客户机虚拟地址）
硬件:由CPU直接实现HVA-》GPA的转化。
- EPT: intel
- NPT: amd