虚拟化使得在一台物理的服务器上可以跑多台虚拟机，虚拟机共享物理机的 CPU、内存、IO 硬件资源，但逻辑上虚拟机之间是相互隔离的。

物理机我们一般称为宿主机（Host），宿主机上面的虚拟机称为客户机（Guest）。Hypervisor是统载虚拟机的全称，像kvm、xen、vmware、hyper-v都属于Hypervisor。

Host通过Hypervisor将自己的硬件资源虚拟化，并提供给 Guest 使用。

虚拟化分为两种：

1、全虚拟化

Hypervisor直接安装在物理机上，然后Hypervisor上运行多个虚拟机。xen、vmware、ESXI都属于全虚拟化！

2、半虚拟化

物理机器上先安装操作系统，然后再物理机上的操作系统上再运行虚拟机。

KVM、VirtualBox 和 VMWare Workstation 都属于半虚拟化。

3、两种虚拟化的对比

a、全虚拟化一般对硬件虚拟化功能进行了特别优化，性能比半虚拟化好。

b、半虚拟化比较灵活，支持虚拟机嵌套。

本篇主要介绍比较主流的半虚拟化的Hypervisor--KVM

KVM

KVM 全称是 Kernel-Based Virtual Machine。也就是说 KVM 是基于 Linux 内核实现的。
KVM有一个内核模块叫 kvm.ko，只用于管理虚拟 CPU 和内存。

那 IO 的虚拟化，比如存储和网络设备由谁实现呢？
这个就交给 Linux 内核和Qemu来实现。

作为一个 Hypervisor，KVM 本身只关注虚拟机调度和内存管理这两个方面。IO 外设备的任务交给 Linux 内核和 Qemu。

Libvirt

Libvirt就是 KVM的管理工具，除了能管理 KVM 这种 Hypervisor，还能管理 Xen，VirtualBox 等。

Libvirt 包含 3 个东西：后台 daemon 程序 libvirtd、API 库和命令行工具 virsh。

1、libvirtd是服务程序，接收和处理API 请求；

2、API 库使得其他人可以开发基于Libvirt 的高级工具，比如 virt-manager，这是个图形化的 KVM 管理工具。

3、virsh 是经常要用的 KVM 命令行工具。

CPU虚拟化

查看系统是否开启虚拟化：egrep -o ‘(vmx|svm)‘ /proc/cpuinfo

一个 KVM 虚机在宿主机中其实是一个 qemu-kvm 进程，与其他 Linux 进程一样被调度。

虚机中的每一个虚拟 vCPU 则对应 qemu-kvm 进程中的一个线程。看下图

在这个例子中，宿主机有两个物理 CPU，上面起了两个虚机 VM1 和 VM2。

VM1 有两个 vCPU，VM2 有 4 个 vCPU。可以看到 VM1 和VM2 分别有两个和 4 个线程在两个物理 CPU 上调度。

这里也演示了另一个知识点，即虚机的 vCPU 总数可以超过物理 CPU 数量，这个叫 CPU overcommit（超配）。

但前提是在同一时刻，不是所有的虚机都满负荷运行。当然，如果每个虚机都很忙，反而会影响整体性能。

内存虚拟化

KVM 通过内存虚拟化共享物理系统内存，动态分配给虚拟机。

为了在一台机器上运行多个虚拟机，KVM 需要实现 VA（虚拟内存） -> PA（物理内存） -> MA（机器内存）直接的地址转换。

虚机 OS 控制虚拟地址到客户内存物理地址的映射（VA -> PA），但是虚机 OS 不能直接访问实际机器内存，因此 KVM 需要负责映射客户物理内存到实际机器内存 （PA -> MA）。

存储虚拟化

KVM 的存储虚拟化是通过存储池（Storage Pool）和卷（Volume）来管理的。

Storage Pool 是宿主机上可以看到的一片存储空间。

Volume 是在 Storage Pool 中划分出的一块空间，宿主机将 Volume 分配给虚拟机，Volume 在虚拟机中看到的就是一块硬盘。

Storage Pool种类：

1、本地目录或远程挂载点目录(比如nfs、Glusterfs)

2、宿主机上 VG 中的 LV，无MBR引导记录，只能做数据盘。这种情况下宿主机上的 VG 就是一个 Storage Pool，VG 中的LV 就是 Volume，LV 的优点是有较好的性能；

不足的地方是管理和移动性方面不如镜像文件，而且不能通过网络远程使用。

3、iSCSI，Ceph 等多种类型。

以lvm为例查看及添加Storage Pool：

创建了一个 Storage Pool 的定义文件/etc/libvirt/storage/HostVG.xml，内容为

virsh pool-list –all

virsh pool-define /etc/libvirt/storage/HostVG.xml

virsh pool-start HostVG

Volume 文件格式：

1、raw，默认格式，即原始磁盘镜像格式，移植性好，性能好，但大小固定，不能节省磁盘空间，不支持快照。

2、qcow2，cow 表示 copy on write，能够节省磁盘空间，支持 AES 加密，支持 zlib 压缩，支持多快照，功能很多。

3、vmdk 是 VMWare 的虚拟磁盘格式，VMWare 虚机可以直接在 KVM上 运行。

网络虚拟化

Linux Bridge：

Linux Bridge 是 Linux 上用来做 TCP/IP 二层协议交换的设备，其功能可以简单的理解为是一个二层交换机或者 Hub。

virbr0 是 KVM 默认创建的一个 Bridge，其作用是为连接其上的虚机网卡提供 NAT 访问外网的功能。virbr0 默认分配了一个IP 192.168.122.1。

brctl show可以查看的到，配置文件位于/etc/libvirt/qemu/networks/default.xml

初始模板位于/usr/share/libvirt/networks/default.xml

virbr0 使用 dnsmasq 提供 DHCP 服务，可以在宿主机中查看该进程信息。

ps -elf|grep dnsmasq

VLAN

VLAN 表示Virtual Local Area Network，一个带有 VLAN 功能的switch 能够将自己的端口划分出多个 LAN。一个 LAN 表示一个广播域。VLAN 将一个交换机分成了多个交换机，限制了广播的范围。VLAN 的隔离是二层上的隔离，A 和 B 无法相互访问指的是二层广播包（比如 arp）无法跨越 VLAN 的边界。但在三层上（比如IP）是可以通过路由器让 A 和 B 互通的。

通常交换机的端口有两种配置模式： Access 和 Trunk

Access 口
这些端口被打上了 VLAN 的标签，表明该端口属于哪个 VLAN。

不同 VLAN 用 VLAN ID 来区分，VLAN ID 的 范围是 1-4096。

Access 口都是直接与计算机网卡相连的，这样从该网卡出来的数据包流入 Access 口后就被打上了所在 VLAN 的标签。

Access 口只能属于一个 VLAN。

Trunk 口
假设有两个交换机 A 和 B。

A 上有 VLAN1（红）、VLAN2（黄）、VLAN3（蓝）；B 上也有 VLAN1、2、3

那如何让 AB 上相同 VLAN 之间能够通信呢？

办法是将 A 和 B 连起来，而且连接 A 和 B 的端口要允许 VLAN1、2、3 三个 VLAN 的数据都能够通过。这样的端口就是Trunk口了。

VLAN1、2、3 的数据包在通过 Trunk 口到达对方交换机的过程中始终带着自己的 VLAN 标签。

eth0 是宿主机上的物理网卡，有一个命名为 eth0.10 的子设备与之相连。

eth0.10 就是 VLAN 设备了，其 VLAN ID 就是 VLAN 10

eth0.10 挂在命名为 brvlan10 的 LinuxBridge 上，虚机 VM1 的虚拟网卡 vent0 也挂在 brvlan10 上。

这样的配置其效果就是：

宿主机用软件实现了一个交换机（当然是虚拟的），上面定义了一个 VLAN10。

eth0.10，brvlan10 和 vnet0 都分别接到 VLAN10 的 Access口上。而eth0 就是一个 Trunk 口。
VM1 通过 vnet0 发出来的数据包会被打上 VLAN10的标签。

eth0.10 的作用是：定义了 VLAN10

brvlan10 的作用是：Bridge 上的其他网络设备自动加入到 VLAN10 中。

KVM 的网络虚拟化总结：

1、物理交换机存在多个 VLAN，每个 VLAN拥有多个端口。

同一 VLAN 端口之间可以交换转发，不同 VLAN 端口之间隔离。

所以交换机其包含两层功能：交换与隔离。

2、Linux 的 VLAN 设备实现的是隔离功能，但没有交换功能。

一个 VLAN 母设备（比如 eth0）不能拥有两个相同 ID 的VLAN 子设备，因此也就不可能出现数据交换情况。

3、Linux Bridge 专门实现交换功能。

将同一 VLAN 的子设备都挂载到一个 Bridge 上，设备之间就可以交换数据了。

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虚拟化简述