KVM基础之一

KVM：

　　虚拟化技术有两种类型的实现：

　　Type-I : hypervisor------>VM

　　Type-II：host------>VM----->VMS

　　Xem：hypervisor，Dom0

　　KVM（Kernel-based Virtual Machine）：基于内核虚拟机依赖于HVM：Inter VI-X，ADM ADM-V 两种技术任何一种

一、 kvm架构
KVM 是基于虚拟化扩展（Intel VT 或者 AMD-V）的 X86 硬件的开源的 Linux 原生的全虚拟化解决方案。KVM 中，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；虚机的每个虚拟 CPU 被实现为一个常规的 Linux 线程。这使得 KMV 能够使用 Linux 内核的已有功能。
但是，KVM 本身不执行任何硬件模拟，需要用户空间程序通过 /dev/kvm 接口设置一个客户机虚拟服务器的地址空间，向它提供模拟 I/O，并将它的视频显示映射回宿主的显示屏。目前这个应用程序是 QEMU。

二、 CPU 配置

在 QEMU-KVM中，QEMU 提供对 CPU 的模拟，展现给客户机一定 CPU 数目和 CPU 的特性；在kvm开启的情况下，客户机中 CPU 指令的执行由硬件处理器的虚拟化功能来辅助执行，具有非常高的执行效率。

2.1 Vcpu 概念

QEMU/KVM 为客户机提供了一整套的硬件系统环境，在客户机看来其所拥有的 CPU 即是 vCPU（Virtual cpu）。在 KVM 环境中，每个客户机都是一个标准的 Linux 进程（QEMU 进程），而每一个 vCPU 在宿主机中是 QEMU 进程派生的一个普通线程。在虚拟化基础里已经提出过这个概念。

在普通的 Linux 系统中，进程一般有两种执行模式：内核模式和用户模式。而在 kvm 环境中，增加了第三种模式：客户模式。vCPU 在三种执行模式下的不同分工：

（1）用户模式（User mode）

　　主要处理 I/O 的模拟和管理，由 QEMU 的代码实现；

（2）内核模式（Kernel mode）-------“来宾内核” 模式

　　这里的内核模式是 GuestOS 内核模式，主要处理特别需要高性能和安全相关的指令，如处理客户模式到内核模式的转换，处理客户模式下 I/O 指令或其他特权指令引起的退出（VM-Exit），处理影子内存管理（shadow MMU）；

（3）客户模式（Guest mode）-----“来宾用户”的用户模式

　　主要执行 Guest 中的大部分指令， I/O 和一些特权指令除外。

◆ 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。
◆ KVM：运行在内核空间，提供 CPU 和内存的虚级化，以及客户机的 I/O 拦截。Guest 的 I/O 被 KVM 拦截后，交给 QEMU 处理。
◆ QEMU：修改过的被 KVM 虚机使用的 QEMU 代码，运行在用户空间，提供硬件 I/O 虚拟化，通过 IOCTL /dev/kvm 设备和 KVM 交互。

　　在系统的底层 CPU 硬件中需要有硬件辅助虚拟化技术的支持（Intel VT 或 AMD-V），宿主机就运行在硬件之上，KVM 的内核部分是作为可动态加载内核模块运行在宿主机中的，其中一个模块是和硬件无关的实现虚拟化核心基础架构的kvm模块，另一个是硬件平台相关的 kvm_intel（或 kvm_amd）模块。而 KVM 中的一个客户机是作为一个用户空间进程（qemu-kvm）运行的，它和其他普通的用户空间进程一样由内核来调度使其运行在物理 cpu 上，不过它由 KVM 模块的控制，可以在前面介绍的三种模式下运行。

Linux 上的用户空间、内核空间和虚机：

2.2、lscpu 能够查看当前主机是否开启虚拟化功能，通过上面信息得知：

　　CPU 型号：英特尔核心处理器

　　核心：4

　　虚拟化技术：VT-x

由于上面是通过 KVM 虚拟机，可以看到 Hypervisor vendor: KVM

2.3、确认模块是否加载

[root@192.168.118.14 ~]#lsmod | egrep kvm
kvm_intel             162153  0
kvm                   525259  1 kvm_intel
[root@192.168.118.14 ~]#ls /dev/kvm
/dev/kvm

2.4、KVM的组件

　　两类组件：

　　/dev/kvm 工作于内核空间(物理机)，可通过ioctl()系统调用来完成VM创建、启动等管理功能；它是一个字符设备创建VM、为VM分配内存、读写VCPU的寄存器、向VCPU注入中断、运行VCPU等

　　　　　　是 kvm 内核模块提供给用户空间 qemu-kvm 程序使用的一个控制接口，它提供了客户机（Guest）操作系统运行所需要的模拟和实际的硬件设备环境。

·　　qemu进程：工作于用户空间，主要用于实现模拟PC机的IO设备

2.5、KVM特性

　　内存管理：

- 　将分配给VM的内存交换值SMAP
- 　支持使用Huge Page
- 　支持使用Inter EPT或AMD RVI技术完成内存地址映射：GVA------>GPA------>HPA
- 支持KSM（Kernel Same-page Merging）

硬件支持：却决于Linux内核

存储：

本地存储
网络附加存储
存储区域网络
分布式存储

设备驱动：

　　I/O设备的完全虚拟化：模拟硬件

　　I/O设备的半虚拟化：在GuestOS中安装驱动 ----- virtio

2.6、KVM局限性

　一般局限性：

　　　　所有虚拟机虚拟的CPU核心数量不应大于物理CPU核心数量

　　　　时间记录难以精确，依赖于时间同步机制

　　　　MAC地址随机：VM量特别大时，存在冲突的可能性　　

2.7、KVM工具

Qemu：
- qemu-kvm
- qemu-img
libvirt：
- GUI：virt-manager，virt-viewer
- CLI：virt-install，virsh

QEMU主要提供以下几个部分：

　　处理器模拟器
　　仿真IO设备
　　关联模拟的设备至真是设备
　　调试器
　　与模拟器交互的用户接口

　补充：KVM内存管理

　　KVM继承了linux系统管理内存的诸多特性，比如　分配给虚拟使用的内存可以被交换至交换空间、能够使用大内存页以实现更好的性能，以及对NUMA的支持能够让虚拟机高效访问更大的内存空间等。

　　KVM基于Intel的EPT（Extended Page Table）或AMD的RVI技术可以支持更新的内存虚拟功能，这可以降低CPU的占用率，并提供较好的吞吐量

　　KVM还借助于KSM（Kernel Same-page Merging）这个内核特性实现了内存页面共享，KSM通过扫描每个虚拟机的内存查找各虚拟机见相同的内存页，

并将这些内存页合并为一个被各相关虚拟机共享的单独页面，在某虚拟机试图修改此页面中的数据时，KSM会重新为其提供一个新的页面副本。实践中，运行于同一台物理主机上的具有享同GusetOS的虚拟机之间出现相同内存页面的概率是很小的，比如共享库、内核户或其它内存对向等都有可能表现为相同的内存页，因此，KSM技术可以降低内存占用进而提高整体性能。

https://www.cnblogs.com/hukey/p/11149976.html

https://blog.csdn.net/weixin_44907813/article/details/107380330