qemu-kvm研究系列(2)：虚拟化的定义和基础

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虚拟化
　　虚拟化的的主要目的，是希望将软件从硬件资源中解藕，让这些软件能够被运行于各个单独的系统中而不相互干扰。虚拟化技术的核心组件包括CPU、内存、磁盘空间和网络连接资源。通过虚拟化技术，运行定制化和特定任务的虚拟机能够精确地分配到符合其需求的资源。虽然在前能够同时在在一台物理主机上运行提供Web服务、邮件服务和FTP服务的软件，并且提供相应服务，但是，考虑到信息和资料安全的情况下，这种做法是不提倡的。而且，只要这三个服务软件中有一个软件发生了故障，整个系统都会受到影响。然而，如果将这三个软件都分别部署到单独的系统中，通过虚拟化技术的辅助，实现隔离，因此即使有一个软件系统出了问题，只需要重新配置其对应的虚拟机即可。另外一个好处，是可以精确地位每一台虚拟机分配适合其任务能力的资源，并且根据业务能力的变更，能够对资源通过软件进行直接配置，而不需要更改硬件。
　　
硬件仿真
　　硬件仿真即是针对整台计算机都进行仿真，因此能够运行宿主机不同指令集的程序，甚至操作系统。在这种实现方式中，是将目标机的目标指令集通过翻译成宿主机的指令集来实现。然而，这种实现方式的代价比较高昂，每一条指令都需要通过翻译系统翻译成对应的代码之后再进行执行，效率很低。
　　
原生虚拟化(Native Virtualization)
　　原生虚拟化也叫做硬件虚拟化，Guest OS所运行的硬件是通过虚拟机软件来提供虚拟硬件。为了能够让Guest OS和Host OS能够共存，一些来自Guest OS的特权指令将被VMM拦截，并且得到妥善处理。Guest OS对虚拟硬件的访问(显卡、网卡等等)则往往是通过VMM提供一些标准硬件的模拟来实现。基于这种原理的产品，主要有VirtualBox，Vmware Player，Vmware Server，VMware Workstation和Parallels Desktop/Workstation。这种方式和原理运行的Guest OS往往速度都很理想。QEMU 在0.11版本以前时候提供的可选组件KQEMU也是这种形式的。
　　
部分虚拟化/全虚拟化
　　同硬件仿真和原生虚拟化只是提供同计算机硬件相类似的接口不同，在这种虚拟化技术中，Guest OS一些访问物理硬件的读写指令需要进行转化、翻译后才能执行。虚拟机管理器(Virtual Machine Monitor)将会为各个虚拟机调度资源。这样的虚拟化方式的缺点是，Guest OS需要进行一定的修改以匹配Hypervisor，或者说当服务器的CPU必须支持硬件辅助虚拟化技术时，可以不用修改Guest OS。
　　部分虚拟化和全虚拟化对以上两个技术来说，最大的优势就是跑得更快，另外一个显著优势则是可以实现动态迁移，在VM迁移到不同物理机的过程中，VM是能够不间断提供服务的。
　　主要有两种类型的Hypervisor:
　　第一种直接运行在服务器硬件上，提供资源供虚拟环境使用。典型的产品有开源的Xen和VMware ESX。
　　第二种时在操作系统内部加入Hypervisor的模块。典型的产品是KVM(Kernel-based Virtual Machine)。KVM只能在提供硬件辅助虚拟化的服务器中运行。
　　
操作系统级别虚拟化
　　操作系统级别的虚拟化则不同，从服务器中分隔出来的Guest OS和Host OS都共享同一个操作系统内核，在提供在用户态将用户的执行环境分隔开。典型的应用有OpenVZ、Linux-VServer。QEMU不支持这种类型的仿真。
　　
QEMU
　　QEMU是一个开源的模拟器项目，能够模拟整个系统的硬件，而且兵不像VMWare哪样仅仅针对x86体系架构。QEM运行于多种操作系统中(Linux、BSD、Mac OS X、Windows、eComStation、Dos)和不同的CPU体系架构中。
　　QEMU允许在虚拟机运行时保存虚拟机的状态，进行实时迁移，进行操作系统级别的调试，从旧格式的磁盘中启动等等。QEMU也能模拟硬件失效的案例。
　　QEMU的安装包中提供了qemu-img这个强大的工具来创建、转换或者加密虚拟机映像，也支持从其他如阿健的虚拟机格式中启动(如微软的VHD格式)。另外一个工具是qemu-nbd，能够将QEMU的映像文件通过NDB(Network Block Device)协议共享给其他机器。
　　在Linux、BSD和Mac OS X系统中，QEMU支持用户态模拟，即允许某一个应用程序的API调用其他版本的动态链接库。
　　
KVM
　　KVM是Linux开源社区大力支持的虚拟化技术，基于Intel和AMD的硬件虚拟化技术，但是对于部分虚拟化技术则不予支持。KVM也有一个支持部分虚拟化的版本，该版本并没有被主干版本所接受。使用部分虚拟化的优势在于，能够有更低的负载和更好的性能，但是需要修改相关操作系统以及驱动程序。
　　KVM支持页表虚拟化和IOMMU虚拟化技术。页表虚拟化技术用于将Guest OS的页表转换到Host OS运行环境中。在这种机制下，KVM的Host OS将要接管所有的内存分配(其实也是使用Linux内核的内存管理能力)
　　KSM在2.6.32版本的Linux内核中被引入。通过KSM技术，能够辨别在内存中相同的区域，并且标记出来作为共享区域，这样就能够为虚拟机提供超过实际物理机装机容量(overcommit)。KVM技术还支持Nest虚拟化，即在KVM虚拟出来的虚拟机中，还能通过KVM来创建虚拟机。
　　KVM的模块分为公共模块kvm.ko，和硬件相关的模块kvm-intel.ko和kvm-amd.ko。KVM提供一个字符型设备文件接口/dev/kvm。当linux的内核加载kvm模块之后，整个linux kernel就成为了一个Hypervisor。但是要注意，当KVM运行时，是排他性的，如SUN xVM、VirtualBox、VMWare Server等解决方案均无法共存。
　　xen的解决方案中需要两个系统来共同协调以完成工作：hypervisor和特制的Guest OS，即基于Linux的domain 0，因此KVM比xen更容易安装和实施，同时一个系统的安全性也比两个系统要高。KVM并不是一个完全的模拟器，而是借鉴了QEMU来完成相关外设模拟。很多发行版中，QEMU和KVM都被打包到了一个package中(但是这个版本的QEMU将不再支持其他多个不同的体系架构).
　　自从Linux内核的2.6.20版本开始，KVM被引入到内核中，其最先开发的公司Qumarnet也已经被Redhat收购。
　　
libvirt
　　虽然，当前有很多免费的虚拟化解决方案，但是其配套的管理工具却非常昂贵。而且，一个数据中心中往往运行有多种不同的虚拟化解决方案，这些不同的虚拟化技术又都需要不同的虚拟化管理工具，着这种情况下，libvirt就应运而生了。libvirt是一个基于虚拟机层和管理工具层之上的中间件，并且提供了virsh虚拟机管理方案来进行统一管理。目前，libvirt已经支持了QEMU、KVM、Xen、VirtualBox、VMware ESX、LXC Linux Container System、OpenVZ Linux Container system。
　　libvirt是一个开源的库，除了在linux环境下能编译以外，还能在cygwin和MinGW环境下编译。