Hypervisor, KVM, QEMU总结

2018/08/08 17:06
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Hypervisor

1.概念

Hypervisor——一种运行在基础物理服务器和操作系统之间的中间软件层,可允许多个操作系统和应用共享硬件。也可叫做VMM( virtual machine monitor ),即虚拟机监视器。

Hypervisors是一种在虚拟环境中的“元”操作系统。他们可以访问服务器上包括磁盘和内存在内的所有物理设备。Hypervisors不但协调着这些硬件资源的访问,而且在各个虚拟机之间施加防护。当服务器启动并执行Hypervisor时,它会加载所有虚拟机客户端的操作系统同时会分配给每一台虚拟机适量的内存,CPU,网络和磁盘。

2.作用

Hypervisor是所有虚拟化技术的核心。 非中断地支持多工作负载迁移的能力是Hypervisor的基本功能。

3.种类

目前市场上各种x86 管理程序(hypervisor)的架构存在差异,三个最主要的架构类别包括:

I型:虚拟机直接运行在系统硬件上,创建硬件全仿真实例,被称为“裸机”型。
裸机型在虚拟化中Hypervisor直接管理调用硬件资源,不需要底层操作系统,也可以将Hypervisor看作一个很薄的操作系统。这种方案的性能处于主机虚拟化与操作系统虚拟化之间。

II型:虚拟机运行在传统操作系统上,同样创建的是硬件全仿真实例,被称为“托管(宿主)”型。托管型/主机型Hypervisor运行在基础操作系统上,构建出一整套虚拟硬件平台(CPU/Memory/Storage/Adapter),使用者根据需要安装新的操作系统和应用软件,底层和上层的操作系统可以完全无关化,如Windows运行Linux操作系统。主机虚拟化中VM的应用程序调用硬件资源时需要经过:VM内核->Hypervisor->主机内核,因此相对来说,性能是三种虚拟化技术中最差的。

Ⅲ型:虚拟机运行在传统操作系统上,创建一个独立的虚拟化实例(容器),指向底层托管操作系统,被称为“操作系统虚拟化”。操作系统虚拟化是在操作系统中模拟出运行应用程序的容器,所有虚拟机共享内核空间,性能最好,耗费资源最
少。但是缺点是底层和上层必须使用同一种操作系统,如底层操作系统运行的是Windows系统,则VPS/VE就必须运行Windows。

Hypervisor示例图

厂商
目前市场主要厂商及产品:VMware vSphere、微软Hyper-V、Citrix XenServer 、IBM PowerVM、Red Hat Enterprise Virtulization、Huawei FusionSphere、开源的KVM、Xen、VirtualBSD等。

4.特点

软硬件架构和管理更高效、更灵活,硬件的效能能够更好地发挥出来。

5.多Hypervisor

服务器虚拟化需要评估、选择和部署hypervisor,组织通常会选择一种主流的hypervisor:VMware的ESXi、微软的Hyper-V或者思杰的XenServer。然而,对很多组织来说,单独的hypervisor已经不能满足所有的虚拟化需求。这时候可以选择采用第二类hypervisor产品。随着服务器虚拟化技术的成熟,多hypervisor环境已经变得常见。但是,采用第二类虚拟化平台时,必须要仔细考虑其成本、部署范围和总开销。

QEMU和KVM

不同的基于KVM的虚拟化平台,可能会采用不同的虚拟化组件,目前主流的采用QEMU-KVM组件,但在不同的产品里版本有所不同,功能也有差异,下面就几个概念进行梳理下

KVM

Kernel-Based Virtual Machine 基于内核的虚拟机,是Linux内核的一个可加载模块,通过调用Linux本身内核功能,实现对CPU的底层虚拟化和内存的虚拟化,使Linux内核成为虚拟化层,需要x86架构的,支持虚拟化功能的硬件支持(比如Intel-VT,AMD-V),是一种全虚拟化架构。KVM在2007年2月被导入Linux 2.6.20内核中。从存在形式来看,它包括两个内核模块:kvm.ko 和 kvm_intel.ko(或kvm_amd.ko),本质上,KVM是管理虚拟硬件设备的驱动,该驱动使用字符设备/dev/kvm(由KVM本身创建)作为管理接口,主要负责vCPU的创建,虚拟内存的分配,vCPU寄存器的读写以及vCPU的运行。

KVM是linux内核的模块,它需要CPU的支持,采用硬件辅助虚拟化技术Intel-VT,AMD-V,内存的相关如Intel的EPT和AMD的RVI技术,Guest OS的CPU指令不用再经过Qemu转译,直接运行,大大提高了速度,KVM通过/dev/kvm暴露接口,用户态程序可以通过ioctl函数来访问这个接口。见如下伪代码:

open("/dev/kvm")
ioctl(KVM_CREATE_VM)
ioctl(KVM_CREATE_VCPU)
for (;;) {
    ioctl(KVM_RUN)
        switch (exit_reason) {
        case KVM_EXIT_IO: 
        case KVM_EXIT_HLT:
    }
}
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QEMU

QEMU:是一套由Fabrice Bellard编写的模拟处理器的自由软件,它是一个完整的可以单独运行的软件,可以独立模拟出整台计算机,包括CPU,内存,IO设备,通过一个特殊的“重编译器”对特定的处理器的二进制代码进行翻译,从而具有了跨平台的通用性。QEMU有两种工作模式:系统模式,可以模拟出整个电脑系统,另一种是用户模式,可以运行不同与当前硬件平台的其他平台上的程序(比如在x86平台上运行跑在ARM平台上的程序);其代码地址 http://git.qemu.org/qemu.git ,有兴趣的同学可以自己去看看,目前最新的版本是2.7.0,在0.9.1及之前版本还可以使用kqemu加速器(可以理解为QEMU的一个插件,用来提高QEMU的翻译性能,支持Windows平台),但1.0以后版本就只能使用qemu-kvm(只支持Linux)进行加速了,1.3版本后QEMU和QEMU-KVM合二为一了。

QEMU示例图

QEMU-KVM

QEMU-KVM:从前面对KVM内核模块的介绍知道,它只负责CPU和内存的虚拟化,加载了它以后,用户就可以进一步通过工具创建虚拟机(KVM提供接口),但仅有KVM还是不够的,用户无法直接控制内核去做事情(KVM只提供接口,怎么创建虚拟机,分配vCPU等并不在它上面进行),还必须有个运行在用户空间的工具才行,KVM的开发者选择了比较成熟的开源虚拟化软件QEMU来作为这个工具,并对其进行了修改,最后形成了QEMU-KVM。

在QEMU-KVM中,KVM运行在内核空间,QEMU运行在用户空间,实际模拟创建,管理各种虚拟硬件,QEMU将KVM整合了进来,通过/ioctl 调用 /dev/kvm,从而将CPU指令的部分交给内核模块来做,KVM实现了CPU和内存的虚拟化,但kvm不能虚拟其他硬件设备,因此qemu还有模拟IO设备(磁盘,网卡,显卡等)的作用,KVM加上QEMU后就是完整意义上的服务器虚拟化。当然,由于qemu模拟io设备效率不高的原因,现在常常采用半虚拟化的virtio方式来虚拟IO设备。

QEMU-KVM示例图

综上所述,QEMU-KVM具有两大作用:
1.提供对cpu,内存(KVM负责),IO设备(QEMU负责)的虚拟
2.对各种虚拟设备的创建,调用进行管理(QEMU负责)

libvirt

一个针对各种虚拟化平台的虚拟机管理的API库,一些常用的虚拟机管理工具如virsh(类似vim编辑器),virt-install,virt-manager等和云计算框架平台(如OpenStack,OpenNebula,Eucalyptus等)都在底层使用libvirt提供的应用程序接口。libvirt主要由三个部分组成:API库,一个守护进程 libvirtd 和一个默认命令行管理工具 virsh。

libvirt示例图

总结:
目前来说,QEMU是一个独立的虚拟化解决方案,并不依赖KVM(它本身自己可以做CPU和内存的模拟,只不过效率较低),而KVM是另一套虚拟化解决方案,对CPU进行虚拟效率较高(采用了硬件辅助虚拟化),但本身不提供其他设备的虚拟化,借用了QEMU的代码进行了定制,所以KVM方案一定要依赖QEMU
即使后来RedHat后来开发了libvirt,也只能简单的认为是个虚拟机管理工具,仍然需要通过用户空间QEMU来与KVM进行交互。

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