KVM虚拟化技术(理论知识+搭建虚拟化平台实验步骤)

一、相关概述

虚拟化技术：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允许多个逻辑计算机
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、KVM简介

KVM (Kernel-based Vritual Machine)——基于内核的虚拟机
KVM是基于虚拟化打展的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KMV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/O (ioctl) 进行调度资源和维护管理
Libvit: 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I具virsh

KVM虚拟化架构及三种模式

• 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，客户机分为内核模成和用户模式
• 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)
• 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

KVM原理

• 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内核模块模拟处理器和内存以支持虚拟机运行
  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

可以简单理解为：
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

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V/O则处理完成后重新进入客户模式。如果需要V/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

三、虚拟化技术发展

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CPU

1972年，IBM正式将system370机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/VMM程序（虚拟机管理程序），能够控制宿主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支持的虚拟机化技术：全虚拟化

四、虚拟化的三种类型

• 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
  白使用的方法: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系统的开源户品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。
• 半虚拟化：需要修改操作系统
• 直通：直接使用物理硬件资源（需要支持，还不完善）

五、虚拟化的优势

• 集中化管理(远程管理、维护)
• 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)
• 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)
• 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)

六、虚拟化的劣势

• 前期高额费用(初期的硬件支持)
• 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)
• 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)
• 实施配置复杂、管埋复杂(管理人员运维、排障困难)
• 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)
• 安全性(虚拟化技术自身的安全隐患)

七、KVM虚拟化平台部署

7.1 虚拟机资源配置

CPU：双核双线程-CPU虚拟化开启

内存：8G

硬盘：80G         #可以自己外加一块硬盘，但是记得创建磁盘格式化挂载使用

双网卡：单网卡

操作系统：Centos 7.6（1810）

7.2 环境配置

①关闭防火墙和安全机制

systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
setenforce 0

②修改主机名

 hostnamectl set-hostname kvm 
 su -

③将镜像光盘设为自动/永久挂载

vim /etc/fstab

/dev/cdrom /mnt iso9660 defaults 0 0

mount -a 

df -hT

④设置DNS反向解析
是否反解DNS，设置为NO可以让客户端连接服务器更快

vim /etc/ssh/sshd_config 

UseDNS no                         #取消DNS注释，改为no

⑤创建本地YUM仓库

cd /etc/yum.repos.d/
mkdir repos.bak
mv CentOS-* repo.bak
vim local.repo

[kvm]
name=kvm
baseurl=file:///mnt
gpgcheck=0
enabled=1

yum clean all
yum repolist

7.3 安装KVM

①安装KVM基本组件

yum groupinstall -y "GNOME Desktop"    #安装 GNOME 桌面环境  如果装了图形界面可以不需要装

yum -y install qemu-kvm                #KVM 模块

yum -y install qemu-kvm-tools          #安装KVM 调试工具,可不安装

yum -y install virt-install            #构建虚拟机的命令行工具

yum -y install qemu-img                #qemu 组件,创建磁盘、启动虚拟机等

yum -y install bridge-utils            #网络支持工具

yum -y install libvirt                 #虚拟机管理工具

yum -y install virt-manager            #图形界面管理虚拟机

②检测CPU是否支持虚拟化

cat /proc/cpuinfo | grep vmx 

③查看KVM模块是否已安装

lsmod | grep kvm

④设置开启启动界面的显示模式

ln -sf /lib/systemd/system/graphical.target /etc/systemd/system/default.target

7.4 设置KVM网络

NAT：默认设置，数据包由 NAT 方式通过主机的接口进行传送，可以访问外网，但是无法从外部访问虚拟机网络

网桥：这种模式允许虚拟机像一台独立的主机一样拥有网络，外部的机器可以直接访问到虚拟机内部，但需要网卡支持(一般有线网卡都支持)

这里使用Bridge网桥模式进行部署

vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33 

TYPE=Ethernet
PROXY_METHOD=none
BROWSER_ONLY=no
BOOTPROTO=none            #修改为none
#IPADDR=192.168.153.88    #IP配置都注释掉
#NETMASK=255.255.255.0
#GATEWAY=192.168.153.2
#DNS1=192.168.153.2
DEFROUTE=yesIPV4_FAILURE_FATAL=no
IPV6INIT=yes
IPV6_AUTOCONF=yes
IPV6_DEFROUTE=yes
IPV6_FAILURE_FATAL=no
IPV6_ADDR_GEN_MODE=stable-privacy
NAME=ens33
UUID=1415e5f2-2565-47a5-ad95-898e43f81c66
DEVICE=ens33
ONBOOT=yes
BRIDGE=br0             #设置网桥模式，关联br0网卡

创建、编辑桥接网卡

vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-br0

TYPE=Bridge
BOOTPROTO=static
DEFROUTE=yes
PEERDNS=yes
PEERROUTES=yes
IPV4_FAILURE_FATAL=no
IPV6INIT=yes
IPV6_AUTOCONF=yes
IPV6_DEFROUTE=yes
IPV6_PEERDNS=yes
IPV6_PEERROUTES=yes
IPV6_FAILURE_FATAL=no
IPV6_ADDR_GEN_MODE=stable-privacy
NAME=br0
DEVICE=br0
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.153.8         #IP自定义，通过修改Xshell属性的IP地址可再次使用xshll连接
NETMASK=255.255.255.0
GATEWAY=192.168.153.2

systemctl restart network

7.5 KVM部署与管理

①创建KVM存储和镜像数据的目录、上传centos7镜像

mkdir -p  /data/data_kvm/iso
mkdir -p /data/data_kvm/store

注：这里是windows系统目录共享给linux系统使用，是使用windows里面的镜像文件

smbclient -L 192.168.153.1    #查看window共享文件目录(windows的IP地址)

mkdir /share

mount.cifs //192.168.153.1/jingxiang /share

cp CentOS-7-x86_64-DVD-1708.iso /data_kvm/iso/   #将镜像文件复制到创建的目录下(镜像文件较大，可加&放到后台进行)

cd /data_kvm/iso/
ll -h               

7.6 使用虚拟系统管理器管理虚拟机

步骤：

创建存储池（ISO、STORE)

 virt-manager

添加存储卷

创建虚拟机