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虚拟化与KVM介绍

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一、什么是虚拟化?

虚拟化其实就是在电脑系统中虚拟电脑,以CentOS 8为例介绍

CentOS 8提供了虚拟化功能,它使运行CentOS 8的机器主机多个虚拟机(VM),也被称为Guest。VM使用主机的物理硬件和计算资源来运行单独的虚拟化操作系统(guest OS),KVM虚拟机作为主机操作系统上的用户空间进程

换句话说,虚拟化使得在操作系统内具有操作系统成为可能。

虚拟化软件:

  • VMware workstation-vmware
  • KVM-redhat
  • vbox-oracle

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虚拟化的发展

  1. 仿真虚拟化:早期VMware,对系统硬件没有要求,性能最低。
  2. 半虚拟化:xen,虚拟机可以使用真机物理硬件,性能高,需要改内核
  3. 硬件辅助虚拟化:vmware kvm
    • 需要硬件支持 [cpu 主板]
    • 不需要改内核
    • 可以直接使用真机硬件,性能可达到真机的95%
  4. 容器:docker

二、为什么需要虚拟化

有效利用机器资源

节约公司硬件采购成本

快速部署,减少采购流程

三、虚拟化的优势

与使用物理机相比,使用虚拟机(VM)具有以下好处:

  • 灵活细粒度的资源分配

    VM在通常是物理主机的主机上运行,并且也可以分配物理硬件供VM OS使用。但是,向VM分配物理资源是在软件级别完成的,因此非常灵活。VM使用主机内存,CPU或存储空间的可配置部分,并且该配置可以指定非常细粒度的资源请求。

    例如,vm OS看作为其磁盘的内容可以表示为主机文件系统上的文件,并且该磁盘的大小受约束的程度小于物理磁盘的可用大小。

  • 软件控制的配置

    VM的整个配置将作为数据保存在主机上,并且受软件控制。因此,可以轻松地创建,删除,克隆,迁移,远程操作或连接到远程存储的VM。

  • 与主机分离

    VM OS在与主机OS分开的虚拟化内核上运行。这意味着任何操作系统都可以安装在VM上,即使VM操作系统变得不稳定或受到威胁,主机也不会受到任何影响。

  • 节省空间和成本

    一台物理计算机可以承载大量VM。因此,它避免了需要多个物理机器执行相同的任务,从而降低了与物理硬件相关联的空间,功耗和维护要求。

  • 软件兼容性

    由于VM可以使用与其主机不同的OS,因此虚拟化可以运行最初未为主机OS发布的应用程序。例如,使用CentOS 6 guest虚拟机操作系统,可以在CentOS 8主机系统上运行为CentOS 6发布的应用程序。

四、KVM介绍

KVM 仅仅是 Linux 内核的一个模块。管理和创建完整的 KVM 虚拟机,需要更多的辅助工具。CentOS 8中的虚拟化包含以下主要软件组件:

4.1、虚拟机组件及其交互

管理程序

hypervisor(VMM): 在CentOS 8中创建虚拟机(VM)的基础是hypervisor,它是控制硬件并允许在主机上运行多个操作系统的软件层。

系统管理程序包括 基于内核的虚拟机 KVM 模块和虚拟化内核驱动程序,例如virtiovfio。这些组件可确保主机上的Linux内核为用户空间软件提供虚拟化资源。

QEMU: 在用户空间级别,QEMU仿真器模拟可运行虚拟机操作系统的完整虚拟化硬件平台,并管理如何在主机上分配资源并将其呈现给虚拟机。

QEMU是一套由Fabrice Bellard所编写的模拟处理器的自由软件。它与Bochs,PearPC近似,但其具有某些后
两者所不具备的特性,如高速度及跨平台的特性。经由kqemu这个开源的加速器,QEMU能模拟至接近真实电脑的速度。

QEMU是一个主机上的VMM(virtual machine monitor),通过动态二进制转换来模拟CPU,并提供一系列的硬件
模型,使guest os认为自己和硬件直接打交道,其实是同QEMU模拟出来的硬件打交道,QEMU再将这些指令翻译给真
正硬件进行操作。通过这种模式,guest os可以和主机上的硬盘,网卡,CPU,CD-ROM,音频设备和USB设备进行交
互。但由于所有指令都需要经过QEMU来翻译,因而性能会比较差。
KVM 使用了 QEMU 的基于 x86 的部分,并稍加改造,形成可控制 KVM 内核模块的用户空间工具 QEMU-KVM。所以
 Linux 发行版中分为 内核部分的 KVM 内核模块和 QEMU-KVM 工具。这就是 KVM 和 QEMU 的关系。 

Libvirt、virsh、virt-manager:尽管 QEMU-KVM 工具可以创建和管理 KVM 虚拟机,RedHat 为 KVM 开发
了更多的辅助工具,比如 libvirt、libguestfs 等。原因是 QEMU 工具效率不高,不易于使用。

CentOS 8特别说明
尽管QEMU是该体系结构的重要组成部分,但出于安全考虑,它并不打算直接在CentOS  8系统上使用。因此,qemu-*
红帽不支持使用命令,强烈建议使用libvirt与QEMU进行交互。

libvirt: libvirt软件套件还充当管理和通信层,使QEMU易于与之交互,执行安全规则,并提供了许多用于配置和运行VM的其他工具。

Libvirt 是一套提供了多种语言接口的 API,为各种虚拟化工具提供一套方便、可靠的编程接口,不仅支持 KVM,而且
支持 Xen 等其他虚拟机。使用 libvirt,你只需要通过 libvirt 提供的函数连接到 KVM 或 Xen 宿主机,便可以
用同样的命令控制不同的虚拟机了。

Libvirt 不仅提供了 API,还自带一套基于文本的管理虚拟机的命令 virsh,你可以通过使用 virsh 命令来使用
libvirt 的全部功能。
但最终用户更渴望的是图形用户界面,这就是 virt-manager。他是一套用 python 编写的虚拟机管理图形界面,用户
可以通过它直观地操作不同的虚拟机。Virt-manager 就是利用 libvirt 的 API 实现的。

拓展-CPU分层

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cpu 分为4层    ring0-ring3 
0 执行特权指令
3 用户指令
ring1   vmm

XML配置

基于主机的XML配置文件(也称为域XML文件)描述了特定的VM。这包括:

  • 元数据,例如VM的名称,时区以及有关VM的其他信息。
  • VM中的设备的描述,包括虚拟CPU(vCPUS),存储设备,输入/输出设备,网络接口卡以及其他实际和虚拟硬件。
  • VM设置,例如它可以使用的最大内存量,重新启动设置以及有关VM行为的其他设置。

组件互动

启动VM后,系统管理程序将使用XML配置来创建VM的实例,作为主机上的用户空间进程。管理程序也使得虚拟机进程访问的基于主机的接口,比如virshvirt-installguestfish实用程序或Web控制台GUI。

使用这些虚拟化工具时,libvirt会将其输入转换为QEMU的指令。QEMU将指令传递给KVM,以确保内核适当分配执行指令所需的资源。结果,QEMU可以执行相应的用户空间更改,例如创建或修改VM,或在VM的操作系统中执行操作。

4.2、CentOS 8虚拟化架构

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五、虚拟化管理的工具

您可以使用命令行界面(CLI)或几个图形用户界面(GUI)在CentOS 8中管理虚拟化。

命令行界面

CLI是CentOS 8中管理虚拟化的最强大方法。虚拟机(VM)管理的主要CLI命令包括:

  • virsh- 通用的虚拟化命令行实用程序和shell,具有多种用途,具体取决于提供的参数。例如:

  • 启动和关闭VM- virsh startvirsh shutdown

    • 列出可用的VM- virsh list
    • 从配置文件创建VM- virsh create
    • 进入虚拟化命令行- virsh
  • virt-install-用于创建新VM的CLI实用程序。

  • virt-xml -用于编辑VM配置的实用程序。

  • guestfish-用于检查和修改VM磁盘映像的实用程序

图形界面

您可以使用以下GUI在CentOS 8中管理虚拟化:

  • 所述CentOS 8 web控制台,也称为驾驶舱,提供了一种远程访问和易于使用的图形用户界面,用于管理虚拟机和虚拟化主机。

  • Virtual Machine Manager(virt-manager)应用程序提供了用于管理VM和虚拟化主机的专用GUI。

注意
尽管CentOS 8仍支持该功能,但不赞成使用virt-manager。Web控制台打算在后续版本中替代它。因此,建议您熟悉用于
在GUI中管理虚拟化的Web控制台。
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