KVM虚拟化技术计划介绍
1.背景介绍
KVM（Kernel-based Virtual Machine）
开源全虚拟化计划
- 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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仅有
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具有设备驱动，能够直接知道硬件设备
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具有后端驱动，能够与很多普通虚拟机交互，完结IO虚拟化
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最先启动。
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能够办理其他domainU虚拟机
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前期是半虚拟化，现在是全虚拟化。功能较差，可是安全性较好。
KVM架构
- KVM：内核中的一个模块，布置在linux kernel中，使得linux kernel变为hypervisor。能够完结CPU虚拟化、内存虚拟化。无法完结IO虚拟化。运转内核态。
- QEMU-KVM：完结IO虚拟化。运转在用户空间中，用户态。
长处：全虚拟化功能较好
QEMU：与KVM、XEN相同，也是属于虚拟化处理计划的一种，也便是说，它能够完结CPU虚拟化、内存虚拟化、IO虚拟化。轻量级，功能较差。单线程。
KVM调用QEMU完结IO虚拟化，反过来，也能够认为是QEMU调用KVM，增强CPU、内存虚拟化的功能。
KVM运用的QEMU不相同的。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完结底层硬件的虚拟化，VNA完结对接VRM。
- VRM是集群级的一个办理平台(具体是以2台虚拟机主备方式布置在2个办理节点上)。
libvirtd
libvirtd：一致的接口。兼容不同的虚拟化计划，一致办理。
- 南向能够接入不同虚拟化产品。
- 北向供给一致接口，经过不同东西(cli\图形化)，办理虚拟机。
- 经过xml文件，一致界说虚拟机。
CPU虚拟化
X86架构CPU具有四种等级的指令:
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ring0特权指令，给操作系统运用
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ring1\2给驱动程序运用
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ring3非特权指令，给应用程序运用
操作系统对CPU的知道与办理达成以下两点知道：
- CPU资源永远安排妥当
- OS对CPU具有最高权限
引入虚拟化后呈现的问题：
- 多个VM之间同享CPU资源
- 部分指令只有hypervisor有权限运用
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多个VM之间同享CPU资源的问题?———》 将VM的vCPU调度到CPU的线程上运转，完结物理CPU资源的分时复用。
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虚拟机指令越级的问题?———》 传统架构中，操作运用ring0，应用程序运用ring3。 在虚拟化架构傍边，VM可看作上面的应用程序，只能运用ring3。但里边实践上有OS，需求运用ring0。所以，指令越级。
经典虚拟化:特权免除、堕入模仿。 当虚拟机操作系统需求运用ring0指令，免除特权，由host os的ring1模仿。
缺陷:在X86架构中，遇到问题:在非特权指令中，有19条灵敏指令。
处理计划
1、操作系统辅佐的全虚拟化
修正host OS,接纳VM全部指令进行处理。
长处:处理灵敏指令的问题。
缺陷:1、host OS压力较大，2、host 0S需求修正，难度较大。
2、半虚拟化
修正guest os，VM不宣布灵敏指令。
长处: host OS压力较小
缺陷:需求修正guest 0S,只有开源能够修正，不能运转闭源操作系统。
3、硬件辅佐的全虚拟化:
在CPU层面，引入根与非根，分别具有ring0-3，根给host os 运用，非根给Guest os
全虚、半虚 差异：虚拟机操作系统（Guest OS）是否修正。假如修正便是半虚，不修正便是全虚
KVM CPU虚拟化
- 非根形式：客户机形式
- 根形式ring0：内核态形式
- 根形式ring3：用户态形式
vm entry:由内核态进入客户机形式
vm exit:由客户机形式进入内核态
以上两个切换，会有切换开支。自身VMM运转，也需求耗费功能。所以，虚拟化后的功能损耗，来自切换开支、VMM的功能耗费。
内存虚拟化
操作系统对内存的知道与办理达成以下两点知道：
- 内存都是从物理地址0开端的
- 内存都是接连的
引入虚拟化后呈现的问题：
- 从物理地址0开端的：物理地址0只有一个，无法同时满足一切客户机从0开端的要求；
- 地址接连：虽然能够分配接连的物理地址，可是内存运用效率不高，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，可能是实在内存，也可能是硬盘 |
|---|---|---|
| GPA: Guest Physical Address | 客户机物理地址 | 客户机认为实在内存 |
| HVA: Host Virtual Address | 宿主机虚拟地址 | 宿主机给应用程序(VM)分配地址，可能是实在内存，也可能是硬盘 |
| HPA: Host Physical Address | 宿主机物理地址 | 实践上便是服务器实在内存 |
HPA-》 HVA-》GPA-》GVA
HPA-》HVA 自身OS具有MMU，就能够完结
HVA-》GPA MMU虚拟化
GPA-》GVA VM自身OS也具有MMU，也能够完结
MMU虚拟化（MMU本质是是内存办理模块）
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软件 XEN 能够是半虚、全虚
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直接形式：半虚化，知道自己是处于虚拟化环境傍边，能够直接在hypervisor傍边完结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，不知道自己运转在物理服务器或虚拟化环境中，能够在hypervisor傍边完结HVA-》GPA的转化。再由虚拟机自身完结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直接完结HVA-》GPA的转化。
- EPT: intel
- NPT: amd
大页内存
MMU
会具有内存映射表，记载物理地址—》虚拟地址（包括实在内存、硬盘）
该表,一般存在于内存傍边
为了装备大页内存把MMU表存放在CPU寄存器上
装备主机大页内存，优化主机内存拜访效率，然后提升功能。大页虚拟机不支持核算资源调度，无法给出正确的调度策略，主张将大页虚拟机布置到独立集群，所在集群无需开启核算资源调度。
I/O虚拟化
软件与软件、硬件的通信：
（需求CPU）——》数据拷进去写入在拷出来
- Port IO 运用专门的IO空间，由CPU复制
- MMIO 运用内存空间，由CPU复制
（服务器里边专门担任）——》数据拷进去写入在拷出来
- DMA 由DMA操控器复制
I/0虚拟化需求处理两个问题
设备发现: 需求操控各虚拟机能够拜访的设备
拜访截获:
- 经过I/0端口或者MMIO对设备的拜访
- 设备经过DMA与内存进行数据交换
全模仿（完全由软件完结）
原理:
- VM中的APP进行IO，经过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同享环，告诉QEMU，完结操作
- QEMU从IO同享环中取出
- 经过实在设备驱动，发送设备
长处：兼容很好
缺陷：IO途径长,需求上下文切换,开支大。功能差
virtio（干流）
原理：
- VM中的APP进行I0，经过前端驱动发送出去
- 发送IO同享环，告诉后端驱动，完结操作
- QEMU从IO同享环中取出
- 经过实在设备驱动，发送设备
长处：比较全模仿，途径较短，功能较好
缺陷：某些操作系统不支持，比如windows默认不支持，需求额定的驱动
vhost
比较virtio,途径更短，不需求经过qemu，直接由kernel的vhost模块处理。
缺陷：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
