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
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domainU：普通用户虚拟机
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domain0：特权虚拟机
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唯一
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拥有设备驱动，可以直接认识硬件设备
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拥有后端驱动，可以与众多普通虚拟机交互，实现IO虚拟化
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最先启动。
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可以管理其他domainU虚拟机
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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。
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
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)。
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。
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
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ring1\2给驱动程序使用
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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
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。
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。
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
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
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。
| 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）**
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软件 XEN 可以是半虚、全虚
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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）
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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）
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硬件:由CPU直接实现HVA-》GPA的转化。
- EPT: intel
- NPT: amd
大页内存
MMU
会拥有内存映射表，记录物理地址—》虚拟地址（包含真实内存、硬盘）
该表,一般存在于内存当中
为了配置大页内存把MMU表存放在CPU寄存器上
配置主机大页内存，优化主机内存访问效率，从而提升性能。大页虚拟机不支持计算资源调度，无法给出正确的调度策略，建议将大页虚拟机部署到独立集群，所在集群无需开启计算资源调度。
I/O虚拟化
软件与软件、硬件的通信：
（需要CPU）——》数据拷进去写入在拷出来
- Port IO 使用专门的IO空间，由CPU拷贝
- MMIO 使用内存空间，由CPU拷贝
（服务器里面专门负责）——》数据拷进去写入在拷出来
- DMA 由DMA控制器拷贝
I/0虚拟化需要解决两个问题
设备发现:
需要控制各虚拟机能够访问的设备访问截获:
- 通过I/0端口或者MMIO对设备的访问
- 设备通过DMA与内存进行数据交换
全模拟（完全由软件实现）
原理:
- VM中的APP进行IO，通过VM中驱动发送虚拟设备
- 虚拟设备往外发送
- KVM拦截
- KVM发送IO共享环，告诉QEMU，完成操作
- QEMU从IO共享环中取出
- 通过真实设备驱动，发送设备
优点：兼容很好
缺点：IO路径长,需要上下文切换,开销大。性能差
virtio（主流）
原理：
- VM中的APP进行I0，通过前端驱动发送出去
- 发送IO共享环，告诉后端驱动，完成操作
- QEMU从IO共享环中取出
- 通过真实设备驱动，发送设备
优点：相比全模拟，路径较短，性能较好
缺点：某些操作系统不支持，比如windows默认不支持，需要额外的驱动
vhost
相比virtio,路径更短，不需要经过qemu，直接由kernel的vhost模块处理。
缺点：兼容性更差。
对比virtio
Virtio
HW=> Host Kernel
Host Kerne=>qemu
Qemu=>guest
Vhost
HW=> Host Kernel(内核)
Host Kernel=> Guest
