KVM虛擬化基礎

什麼是KVM？

KVM是開源軟件，全稱是Kernel-Based Virtual Machine（基於內核級虛擬機）技術； 
是一種用於Linux內核中的虛擬化基礎設施，能夠將Linux內核轉化爲一個hypervisor；
KVM在07年2月被導入Linux 2.6.20核心中，以可加載核心模塊的方式被移植到FreeBSD及illumos上； 
KVM在具有Intel VT或AMD-V功能的x86平臺上運行。它也被移植到S/390，PowerPC與IA-64平臺上。在Linux內核3.9版中，加入ARM架構的支持； 
KVM目前由Red Hat等廠商開發，對CentOS/Fedora/RHEL等Red Hat系發行版支持極佳； （摘自wikipedia）

什麼又是」虛擬化」？

在計算機技術中，虛擬化（技術）或虛擬技術（英語：Virtualization）是一種資源管理技術，是將計算機的各類實體資源（CPU、內存、磁盤空間、網絡適配器等），予以抽象、轉換後呈現出來並可供分區、組合爲一個或多個電腦配置環境。由此打破實體結構間的不可切割的障礙，使用戶能夠比本來的配置更好的方式來應用這些電腦硬件資源（其實就是虛擬整個PC硬件）。這些資源的新虛擬部分是不受現有資源的架設方式，地域或物理配置所限制。通常所指的虛擬化資源包括計算能力和數據存儲。（摘自wikipedia）

「Hypervisor」和主機虛擬化

Hypervisor： 
Hypervisor又稱虛擬機器監視器（英語：virtual machine monitor，縮寫爲 VMM）是用來創建與執行虛擬機器的部分電腦軟件，固件或是硬件。被Hypervisor用來執行一個或多個虛擬機器的電腦被稱爲主體機器（host machine），這些虛擬機器，則稱爲客體機器（guest machine）。hypervisor能夠用一個客體操做系統（guest operating systems）的外貌出現，提供虛擬的做業平臺，負責管理其餘客體操做系統的運做。在它之上運做的多個操做系統，共同分享了虛擬化以後的硬件資源。（摘自wikipedia） 
能夠簡單理解Hypervisor爲超級管理員：這種超級管理分別運行在不一樣虛擬機上其功能是不同的； 
Hypervisor功能是建立，管理，加載，分配，虛擬出物理機器的有效硬件資源給虛擬客戶機使用； 
主機虛擬化： 
經常使用的兩類虛擬化技術 
1型虛擬化：在硬件上跑的不是宿主機（直接跑的是虛擬化軟件，需驅動底層硬件）所建立每一個主機都是虛擬機； 
特色： 
    須要硬件支持 
    虛擬機監視器做爲主操做系統 
    運行效率高 
2型虛擬化：在硬件安裝操做系統（操做系統安裝虛擬軟件vmware，virtualbox）； 
特色： 
    虛擬機監視器做爲應用程序運行在主操做系統環境內 
    運行效率通常較類型I低

徹底虛擬化與半虛擬化

徹底虛擬化：用軟件輔助並運行在物理機上，由軟件發起指令，內核捕獲；

半虛擬化：Guest_OS明確知道本身運行在虛擬機上，向物理機發起特權指令調用；

CPU虛擬化通常分兩種：（模擬，虛擬）

模擬與虛擬在於，虛擬（性能）比模擬（需靠軟件轉換）好；

CPU虛擬化

CPU虛擬化須要自己對硬件所支持，需修改內核； 
x86 操做系統是直接運行於裸硬件設備，所以它自認爲徹底佔有計算機硬件，而處理及訪問應用程序和硬件設備是x86處理器底層四個特權級別來實現（環0,1,2,3）； 
環0：運行特權指令，只有操做系統纔能有權限（內核）； 
環1-2：因爲歷史緣由未使用； 
環3：放的是一些非特權指令，可進程使用（一但調用就會觸發CPU異常，CPU軟中斷指令）； 
現有基於x86處理器的操做系統，多數UNIX、Linux以及Windows系列大都只用了環0和環3兩個特權級別；

沒有對比就沒有差別—>（Xen、KVM）

Xen：
hypervisor(超級管理員)，直接運行在硬件上，只驅動CPU內存，各類IO不驅動；
裝完後趕忙提供一個虛擬機（與xen一體），改內核重啓當即建立虛擬機把原宿主機改爲了虛擬機，之後就不啓動宿主機直接啓動Xen；
虛擬機命名：dom（原宿主機叫dom0管理其它虛擬機，I/O由它來驅動）；
kvm：
悄悄並腐蝕了寄生在內核宿主機之上的hypervisor，kvm是模塊若是要使用直接裝載就能夠；
若是裝載了kvm模塊內核當即變爲殭屍並變成了hypervisor，用戶空間變爲了其中一臺虛擬機的管理控制檯,徹底寄生不驅動任何驅動管理程序；
可虛擬CPU，內存，不能虛擬出來I/O設備，模擬I/O 需藉助外部組件qemu；
qemu：存軟件實現的模擬器，性能很差。可虛擬CPU，內存，I/O，大小1M左右；
qemu的加速器：qemu-accelerator（從模擬器變成虛擬機，需與架構一致）；
組織方式：
	qemu去模擬I/O，需安裝在控制檯處dom0；
	kvm去虛擬化CPU，內存；

KVM的安裝和有關知識

安裝前提： 
一、實現環境：CentOS7.2_x86_64 
二、KVM依賴於HVM機制（interl是VT-X，AMD是amd-v）； 
三、查看系統是否支持虛擬化，確保內核編譯提供了kvm模塊； 
~]# egrep 'vmx|svm' /proc/cpuinfo 
四、KVM主要運行在x86機器上（核心模塊：kvm） 
五、驗證檢測kvm模塊被正確裝載 
~]# modprobe kvm 
~]# lsmod |grep kvm 
~]# ls -l /dev | grep kvm 

kvm模塊載入後系統的運行模式： 
內核模式：形象描述爲,GuestOS執行I/O類操做或其它特殊指令操做，稱爲‘來賓-內核-模式’； 
用戶模式：形象描述爲,表明GuestOS請求I/O類操做； 
來賓模式：形象描述爲，GuestOS的非I/O模式，即‘來賓-用戶-模式’； 
        內核形象描述爲，kvm hypervisor 

kvm的組件： 
/dev/kvm： 
工做於hypervisor在用戶空間可經過loctl()系統調用來完成vm的管理工做，且是一個字符設備； 
功能：建立vm，爲vm分配內存，讀寫vcpu的寄存器向vcpu注入中斷運行vcpu等； 
qemu進程：工做於用戶空間，主要用於實現模擬vm的I/O設備； 

kvm的特性：

內存管理、存儲、等……

內存管理：
	將分配給vm的內存交換至swap；
	支持使用huge page；
	支持使用intel_EPT或amd_RVI技術完成內在地址映射；
	GVA-->GPA-->HPA,GVA--HPA
	支持KSM(kernel same-page merging)
硬件支持：
	取決於Linux內核
存儲支持：
	本地存儲
	網絡附加存儲
	存儲區域網絡
	分佈式存儲(GlusterFS)
支持實時遷移：
	live migration(需使用共享存儲)
支持的GuestOS：
	Linux，Windows，OpenBSD，FreeBSD，OpenSolaris
設備驅動：
	IO設備的徹底虛擬化，實現模擬硬件
	IO設備的半虛擬化，實現virtio
virtio-blk，net,pci,console,balion(氣球膨脹擴展內存)

kvm的管理工具： 
qemu： 
    quem-kvm 
    qemu-img 
libvirt： 
kvm hypervsior：libvirtd 
管理接口： 
    GUI：virt-manager，virt-viewer 
    CLI：virt-install，virsh 

安裝管理工具： 
~]# yum install -y libvirt （大量依賴程序包，安裝前配置好yum環境） 
~]# systemctl start libvirtd.service （啓動libvirt守護進程） 
~]# ifconfig （查看虛擬的virbr0-橋設備，提供nat類型網絡） 

安裝啓動虛擬機： 
~]# yum install virt-manager virt-viewer virt-install 
virt工具包的安裝 
~]# yum install qemu-kvm 
圖形測試鏈接 
~]# virt-manager
若是系統是最小化安裝的，記得安裝此包（xorg-x11-xauth） ，否則在使用ssh鏈接主機時圖形沒法支持；

          圖形化安裝 

查看守護進程文件類型： 
~]# rpm -ql libvirtd-daemon 
配置文件 
/etc/libvirt/libvirtd.conf 
Unite file 
/usr/lib/systemd/system/libvirtd.service 
相關術語： 
    node：物理服務器 
    hypervisor：支持虛擬機運行的環境 
    domain：虛擬機 
    dom0：prilileged，特權域 
    domU：非特權域 
hypervisor的訪問路徑：

本地及遠程URL

本地URL：
driver[+transport]:///[PATH][?extra-param]
	driver:驅動名稱，例如qemu，xen，lxc；
	transport：傳輸方式
	kvm使用qemu驅動，格式qemu:///system
遠程URL：
driver[+transport]:///[user@][host][:port]/[PATH][?extra-param]
示例：
	qemu:///172.16.5.40/system
	qemu+ssh://root@172.16.5.40/system

建立網橋： 
與物理網絡鏈接直接通訊，需建立網橋把物理網卡當’橋’來使用 
手動配置方法 
~]# cd /etc/sysconfig/network-scripts/ 
~]# vim ifcfg-eno16777736 (當’橋’用) 
    刪除IP地址 
    增長BRIDGE=’br0’ 
~]# cp ifcfg-eno16777736 if-br0 
~]# vim if-br0 
    DEVICE=br0 
    TYPE=Bridge 
name去掉，重啓就ok 
使用virsh命令配置方法 
注意：若是使用橋接接口，不能啓用NetworkManager服務 
~]# virsh help iface-bridge 
~]# virsh iface-list 
~]# virsh iface-bridge eno16777736 br0 –no-stp 
建立虛擬機： 
此安裝方法略過…特別容易，記得選擇橋接接口就能夠，安裝方式pxe等；

virsh的經常使用命令

virsh help：獲取幫助

virsh keyword
	list：列出域
示例：
	~]# virsh vcpuinfo rhel6.6 （列出虛擬CPU信息）
	~]# virsh dumpxml rhel6.6 >/tmp/mytemplate.xml
	(基於已有虛擬機導出配置文件實現批量虛擬機實例)
	crate：建立並啓動域；
	define：建立域；
	domid：獲取域ID；
	domuuid：獲取域的uuid；
	dominfo：域信息；
	reboot：重啓域；
	destory：關閉域；
	shutdown：關閉域；
	undfine：刪除域；
	save：保存狀態至文件中；
	restore：從保存文件中恢復域狀態；
	pause：暫停域；
	resume：恢復暫停的域；

管理’域’資源的命令：

virsh help setmem： 
setmem：更改域的內存大小（不可超出最大值） 
    ~]# virsh setmem rhel6.6 768m –current 
setmaxmem：設定內存最大值； 
setvcpus：修改CPU數量； 
    ~]# virsh setvcpus rhel6.6 1 –current 
    ~]# virsh help vcpupin 能夠綁定在哪些CPU上 
vcpuinfo：獲取域的vcpu信息； 
    ~]# virsh vcpuinfo rhel6.6 
domblkstart：顯示域塊設備相關信息； 
    ~]# virsh domblkstart rhel6.6 
domiflist：顯示域的接口列表 
    ~]# virsh domiflist rhel6.6 
    ~]# virsh domifstat rhel6.6 vnet0 
ifacelist：獲取物理設備網絡信息 
    ~]# virsh iface-list 

動態增刪disk： 
    qemu-img create 
    virsh attach-disk 
    virsh detach-disk 
動態增刪interface 
    virsh attach-interface 
    type:bridge 
    source:某橋的名稱 
    virsh detach-interface –mac MAC

附加磁盤設備，必須常見磁盤設備 
包管理工具：yum install -y qemu-img 
示例：qem-img create -f qcow2 -o ? /tmp/test.qcow2 
    ~]# qem-img create -f qcow2 -o preallocation=metadata /tmp/test.qcow2 250G 支持稀疏格式 
    ~]# ls lh /tmp/test.qcow2（顯示原始大小） 
    ~]# qem-img resize /tmp/test.qcow2 調整空間大小 
把映像文件附加到虛擬機上 
    ~]# virsh help attach-disk 幫助 
    ~]# virsh attach-disk rhel6.6 /tmp/test.img vdb 附加 
    ~]# virsh domblklist rhel6.6 查看附加的 
    ~]# fdisk -l 查看磁盤 
拆出磁盤 
    ~]# virsh help detach-disk 
    ~]# virsh detach-disk rhel6.6 vdb 
附加網絡接口，必須建立網絡接口 
ip link add無用功，不須要手動添加會幫咱們自動添加 
    ~]# ip link help 
    ~]# ip link add name veth1.0 type veth peer veth1.1 建立一對網卡，一半1.0一半1.1 
    ~]# ip link show 
向虛擬機動態添加網卡 
    ~]# brctl show （橋控制命令） 
    ~]# ip link add veth1.0 type veth peer name veth1.1 
    ~]# ip link show 
向橋添加接口 
    ~]# brctl addif virbr0 veth1.0 
    ~]# brctl show 
把另外一個接口添加到虛擬機上 
    ~]# virsh help attach-interface 
    ~]# virsh dumpxml rhel6.6 
    ~]# virsh attach-interface rhel6.6 bridge virbr0 
    ~]# virsh domiflist rhel6.6 
    ~]# ifconfig -a 
拆出網絡接口 
    ~]# virsh help detach-interface 
    ~]# virsh detach-interface rhel6.6 bridge –mac 52:54:00:4e:ca:4e 
    ~]# virsh domiflist rhel6.6 
    ~]# brctl show

使用qemu-kvm手動建立虛擬機

注意：qemu跟virsh沒有關係，不是virsh家族的，因此用virsh看不到運行中的虛擬機； 

包管理工具 

~]# yum install -y qemu-kvm
~]# rpm -ql qemu-kvm
~]# ln -sv /usr/libexec/qemu-kvm /usr/bin
~]# qemu-kvm -h 幫助
~]# qemu-kvm -machine help 指定要模擬的主機類型
~]# qemu-kvm -cpu ? 支持的CPU類型

建立虛擬機

~]# mkdir /vms/p_w_picpaths/test -pv
~]# cp cirros-0.3.0-x86_64-disk.img /vms/p_w_picpaths/test/test-0.qcow2 
~]# qemu-kvm -name test -m 64 -smp 2 -drive file=/vms/p_w_picpaths/test/test-0.qcow2,media=disk,if=virtio,format=qcow2,-net none,-nographic
~]# sudo su - 切換管理員帳號
~]# help 獲取命令幫助
~]# Ctrl+a+c 切換監控界面			

啓用vnc功能在本機鏈接並支持圖形窗口界面接口

~]# qemu-kvm -name test -m 64 -smp 2 -drive file=/vms/p_w_picpaths/test/test-0.qcow2,media=disk,if=virtio,format=qcow2,-net none,-vnc:1
~]# yum install -y tigervnc
~]# vncviewer:1

使用添加-net支持網絡功能以便加入到某個橋上，並快速激活此接口

    激活接口可以使用腳本,僅適用於物理橋;

~]# vim /etc/qemu-ifup
bridge=br0
if [-n "$1"];then
    ip link set $1 up
    sleep 1
brctl addif $bridge $1
    else
    echo "error.no interface specified."
    exit 1
fi
在粘貼到vi編輯器內把刪除以行首開頭的空白行
全文搜索刪除行首空白行：(:%s/*[[:space:]]*//g)

~]# brctl show

~]# vim /etc/qemu-ifdown
bridge=br0
if [-n "$1"];then
    ip link set $1 down
    sleep 1
brctl addif $bridge $1
    else
    echo "error.no interface specified."
    exit 0
fi

啓動虛擬機測試

~]# qemu-kvm -name test -m 64 -smp 2 -drive file=/vms/p_w_picpaths/test/test-0.qcow2,media=disk,if=virtio,format=qcow2,-net nic,model=virtio,macaddr=52:54:00:00:01,-net tap,ifname=veth1 -vnc:1
~]# vncviewer :1
~]# sudo su -
~]# ifconfig -a

建立兩個網橋接口，讓兩臺虛擬機相互通訊（僅主機通訊）

包工具：

~]# yum install bridge-utils

~]# which brctl

~]# rpm -qf /usr/sbin/brctl

~]# brctl 獲取幫助

~]# brctl addbr mybr0 添加橋後非活動

~]# ip link set mybr0 up

啓動兩臺虛擬機,並橋接到mybr0網卡上

~]# cp /etc/qemu-ifup-mybr0
    bridge=mybr0 
~]# cp /etc/qemu-ifdown-mybr0
    bridge=mybr0 
~]# qemu-kvm -name test -m 64 -smp 2 -drive file=/vms/p_w_picpaths/test/test-0.qcow2,media=disk,if=virtio,format=qcow2,-net nic,model=virtio,macaddr=52:54:00:00:01,-net tap,ifname=veth1,script=/etc/qemu-ifup-mybr0,downscript=/etc/qemu-ifup-mybr0,-vnc:1 -daemonize
~]# mkdir /vms/p_w_picpaths/test1/
~]# cp ./cirros-0.3.0-x86_64-disk.img /vms/p_w_picpaths/test1/test-1.qcow2
~]# qemu-kvm -name test -m 64 -smp 2 -drive file=/vms/p_w_picpaths/test1/test-1.qcow2,media=disk,if=virtio,format=qcow2,-net nic,model=virtio,macaddr=52:54:00:00:02,-net tap,ifname=veth2,script=/etc/qemu-ifup-mybr0,downscript=/etc/qemu-ifup-mybr0,-vnc:1 -daemonize
~]# brctl show （確保兩個都被橋到物理橋上）

啓動兩臺虛擬機並配置網卡地址

~]# vncviewer :1

~]# ifconfig eth0 10.1.0.50/16 up

~]# vncviewer :2

~]# ifconfig eth0 10.1.0.60/16 up

~]# ping兩臺機器

啓動兩臺虛擬機並配置網卡地址後與物理機通訊

~]# ifconfig mybr0 10.1.0.254/16 up

~]# 去ping各虛擬機和物理機

讓兩臺虛擬機實現（nat通訊）

~]# route add default gw 10.1.0.254 在vnc1上添加路由

~]# cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward 在物理機上開網卡間轉發功能

~]# tcpdump -i eno16777736 -nn -icmp 抓包看下

~]# 這時物理機能ping出去，可是從vncping的包進不來

~]# 此時在物理機器上加入源地址轉發策略

~]# iptables -t nat -A POSTROUTING -s 10.0.0.0/16 -j SNAT --to-source 172.16.5.40

~]# 再次在物理機上發出ping請求，這時包就能夠到達物理機上了

讓兩臺虛擬機實現與外部網卡地址通訊

在物理機上br0上加入子接口

~]# ifconfig br0:0 172.16.5.70/16

~]# iptables -t nat -vnL --line-numbers

~]# iptables -t nat -A POSTROUTING -s 10.0.0.0/16 -j SNAT --to-source 172.16.5.70

~]# iptables -t nat -A PREROUTING -d 172.16.5.70 -j DNAT --to-destination 10.1.0.50

~]# ping 172.16.5.70 在vnc1上發出ping請求

~]# tcpdump -i mybr0 -nn -icmp 在物理機上抓包

使用網絡名稱地址空間虛擬路由器

~]# ip netns add route1
~]# ip netns list
~]# ip netns exec route1 tcpdump -i eth0 -nn -icmp
~]# ip netns exec route1 bash 打開虛擬路由環境route1的bash窗口 
~]# exit 退出此虛擬環境

done......