什么是虚拟化技术，虚拟化技术的发展，使用场景，以及KVM架构及原理(整合解释篇)

2023-10-23 08:54| 来源: 网络整理| 查看: 265

KVM虚拟化技术前言：为什么使用虚拟化？一，什么是虚拟化技术二，虚拟化技术发展1，雏形：2，虚拟化类型3，虚拟化特性：3.1 优势3.2劣势 4，虚拟化使用的具体场景，例如以下几方面：4.1软硬件结合4.2Apache和Nginx服务三，KVM简介：1，如何理解KVM从广义上；理解KVM： 2，KVM架构及原理2.1KVM 虚拟化架构/三种模式2.2 KVM原理简单概括理解： 3，KVM工作流程4，虚拟化前后环境对比4.1虚拟化前4.2虚拟化后4.3对比：

前言：为什么使用虚拟化？是为了提高机器的利用率，在企业生产过程中，如果正常使用一台电脑的话，其实利用率并不会很高，正常百分之四十五，五十，当然为了提升利用率可以多开应用，但是随之而来的的问题就是电脑蓝屏，且同时开多个应用随之而来的不安全，不兼容，以及应用服务之间产生冲突，这时候虚拟化技术的出现就可以完全解决这些问题，虚拟化通过资源整合来调用底层硬件资源也就是资源池来运行不同的应用服务，来提高资源利用率，以及安全性，隔离性，并进行集中化管理，实现高可靠利用。这也就是虚拟化前与虚拟化后的一个差别。一，什么是虚拟化技术

从上面可以总结出虚拟化的概念：虚拟化技术是通过虚拟化技术将一台计算机虚拟为多台逻辑计算机，在一台计算机上同时运行多个逻辑计算机，同时每个逻辑计算机可运行不同的操作系统，应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互相不影响，从而提高计算机的工作效率

二，虚拟化技术发展 1，雏形： 1961年，IBM709机器实现了分时系统，将CPU占用切分为多个极短的时间片(1/100sec)每一个时间片执行不同的工作，通过对这些时间片进行轮询从而将一个CPU伪装成多个CPU1972年， IBM正式将system370机的分时系统命名为虚拟机1990年， IBM推出的system390机支持逻辑分区（将一个CPU分为多份，相互独立，也就是逻辑分割） Xen 2003年问世，是一个外部的hypervisor程序（虚拟机管理程序），能够控制虚拟机和给多个客户机分配资源 KVM：2007年问世，现已内置在kernel内核中的 Xen 支持的虚拟化技术：全虚拟化，半虚拟化 KVM：支持的虚拟化技术：全虚拟化 2，虚拟化类型 1、全虚拟化：将物理硬件资源全部通过软件的方式抽象化，最后进行调用使用的方法: 使用hypervisor（VMM）软件，其原理是在底层硬件和服务器之间建立一个抽象层，而基于核心的虚拟机是面向Linux系统的开源产品hypervisor(VMM)可以捕捉CPU的指令，为指令访问硬件控制器和外设充当中介。2、半虚拟化：需要修改操作系统3、直通：直接使用物理硬件资源（需要支持，还不完善) 3，虚拟化特性： 3.1 优势 ① 集中化管理（远程管理、维护）② 提高硬件利用率（物理资源利用率低-例如峰值，虚拟化解决了“空闲”容量）③ 动态调整机器/资源配置（虚拟化把系统的应用程序和服务硬件分离、提高了灵活性）④ 高可靠（可部署额外的功能和方案，可提高透明负载均衡、迁移、恢复复制等应用环境） 3.2劣势 ① 前期高额费用（初期的硬件支持）② 降低硬件利用率（特定场景-例如极度吃资源的应用不一定适合虚拟化）③ 更大的错误影响面（本地物理机down机会导致虚拟机均不可用，同时可能虚拟机中文件全部损坏）④ 实施配置复杂、管理复杂（管理人员运维、排障困难）⑤ 一定的限制性（虚拟化技术涉及各种限制，必须与支持/兼容虚拟化的服务器、应用程序及供应商结合使用）⑥ 安全性（虚拟化技术自身的安全隐患） 4，虚拟化使用的具体场景，例如以下几方面： VMwareWorkstation：使用软件达到虚拟多操作系统VirtualBox：使用软件虚拟出多物理设备功能 4.1软硬件结合

因为硬件和操作系统不兼容或者不支持，导致有些软、硬件功能无法正常使用（也是最难的问题）使用虚拟化，软硬件之间是会通过虚拟化层驱动进行隔离（调配）的，只要虚拟化层可以识别软/硬件应用，就可以将软硬件结合使用

4.2Apache和Nginx服务

在同一个主机上运行多个应用程序通常会产生冲突 Apache和Nginx 定位相同（80端口）只能使用反向代理的方式进行分离，而同时如果在同一台机器使用这种方式，Apache和Nginx中重要的数据文件如果同时被泄露出去…而虚拟化可以隔离服务

这里以VMwareworkstation为例来做一解释说明，workstation支持intel公司和AMD公司的虚拟化技术硬件辅助虚拟化技术Intel-VT-x AMD-V, Intel VT-x技术主要包含CPU、内存和I／O三方面的虚拟化技术，同时提供优化处理（早期为弥补X86架构虚拟化的缺陷）,AMD-V 是对x86处理器系统架构的一组硬件扩展和硬件辅助虚拟化技术，可以简化纯软件的虚拟化解决方案，改进VMM（虚拟机监视器）的设计，更充分地利用硬件资源，提高服务器和数据中心的虚拟化效率

什么是VMM?

VMM(虚拟机监视器/管理程序）VMM是一个系统软件，可以维护多个高效、隔离的程序环境(虚拟机），同时可以管理计算机系统的真实资源、为虚拟机提供接口三，KVM简介： 1，如何理解KVM 从广义上；理解KVM：

KVM（Kernel-based Vritual Machine)–基于内核的虚拟机 KVM 是基于虚拟化扩展的X86硬件的开源Linux原生的全虚拟化方案（要求cpu支持Intel-VT-x或AMD-V），KVM内嵌于内核模块中，模拟处理器和内存以支持虚拟机运行虚拟机被实现为常规的 Linux 进程，由标准 Linux 调度程序进行调度；虚拟机的每个虚拟 CPU 被实现为一个常规的 Linux 进程。这使得 KVM 能够使用 Linux 内核的已有功能，但KVM本身不执行任何模拟。需要客户空间程序（虚拟机）通过/dev/kvm（此虚拟设备需要开起硬件辅助虚拟化才能看到）接口设置一个客户机虚拟服务器的地址空间，并且由Qemu模拟I/O（ioctl）进行调度资源和维护管理

Libvirt：KVM的管理工具，除了可以管理KVM这类VMM，还可以管理Xen，VirtualBox，甚至OpenStack底层Libvirt包含3个组件：后台daemon程序libvirtd、API库、命令行工具virsh 2，KVM架构及原理 2.1KVM 虚拟化架构/三种模式 1、客户模式(guestOS):VM中的OS为GuestOS 客户机在操作系统中运行的模式，客户机分为内核模式和用户模式，作用如下：2、用户模式：为用户提供虚拟机管理的用户空间工具以及代表用户执行I/O，Qemu工作在此模式下（Qemu的主要功能）3、linux内核模式模拟CPU、内存，实现客户模式切换，处理从客户模式的推出，KVM即运行在此模式下 2.2 KVM原理 1、Guest：客户机系统，包括CPU（vCPU）、内存、驱动（Console、网卡、I/O 设备驱动等），被KVM 置于一种受限制的CPU 模式下运行。2、KVM 内核模块模拟处理器和内存以支持虚拟机运行3、Qemu 主要处理I/O以及为客户提供一个用户空间/dev/kvm 工具libvirt 来进行虚拟机管理 + ioctl（定义）专用于设备输入输出操作的系统调用 + libvirt：KVM管理工具以上构成一个完整的虚拟化平台简单概括理解：

KVM驱动提供处理器、内存的虚拟化，以及客户机I/O的拦截，guest的I/O被拦截后，交由Qemu处理 Qemu利用接口libkvm调用（ioctl）虚拟机设备接口/dev/kvm来分配资源、管理、维护虚拟机

3，KVM工作流程

用户模式的 Qemu 利用接口 libkvm 通过 ioctl 系统调用进入内核模式。 KVM驱动为虚拟机创建虚拟 CPU 和虚拟内存，然后执行 VMLAU·NCH 指令进入客户模式，装载 Guest OS 并运行。Guest OS 运行过程中如果发生异常，则暂停Guest OS的运行并保存当前状态同时退出到内核模式来处理这些异常。内核模式处理这些异常时如果不需要 I/O则处理完成后重新进入客户模式。如果需要 I/O 则进入到用户模式，则由 Qemu 来处理 I/O，处理完成后进入内核模式，再进入客户模式

4，虚拟化前后环境对比 4.1虚拟化前 ① 每台主机拥有一个操作系统② 软硬件紧密结合③ 在同一个主机上运行多个应用程序通常会产生冲突④ 系统资源利用率低（例如：5%）⑤ 硬件成本高昂并且不够灵活 4.2虚拟化后 ① 打破了操作系统和硬件的互相依赖② 通过封装到虚拟机的技术，管理操作系统和应用程序为单一的个体③ 强大的安全和故障隔离④ 虚拟机时独立于硬件的，它们可以在任何硬件上运行 4.3对比：

操作系统方面（虚拟化前）： LAMP 架构中（以一台主机实现) LINUX + Apache + MySQL + PHP ，其中Apache 与 MySQL资源是共享的，如果架构要求服务间的安全性隔离比较高的话，Apache的页面和MySQL数据库的目录一定是不能互相碰面，如果Apache漏洞暴露出来，攻击者就可以Apache的进程访问到MySQL的数据目录，从而获取MySQL中的数据，这种就是严重的安全隐患而想解决这种潜在危险，可以通过实现内核级别的隔离（使用虚拟化技术）

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