1.部署KVM虛擬化平臺

一.KVM原理簡介

廣義的KVM實際上包含兩部分，一部分是基于Linux內核支持的KVM內核模塊，另一部分就是經過簡化和修改的Qemuo

KVM內核模塊是模擬處理器和內存以支持虛擬機的運行，Qemu主要處理丨℃以及為用戶提供一個用戶空間工具來進行虛擬機的管理。兩者相互結合、相輔相成，構成了一個完整的虛擬化平臺。

需要注意的是，Qemu本身并不是KVM的一部分，Qemu是一套完整的虛擬化解決方案，是純軟件實現虛擬化，包括處理器虛擬化、內存虛擬化以及各種虛擬設備的模擬，但因為是純軟件模擬出來的，所以Qemu的性能比較低。

二.KVM運行時的三種模式

客戶模式:執行非I/O的客戶代碼,虛擬機運行在這個模式下

用戶模式:用戶執行I/O代碼,QEMU運行在這個模式下?

內核模式:CPU調度和內存管理相關

客戶模式（?Guest Mode）?：?可以理解為虛擬機在操作系統中運行的模式。?客戶模式又分為內核模式和用戶模式。?內核模式模擬CPU以及內存，?實現客戶模式的切換，?處理從客戶模式的退出。?KVM內核模塊運行在這個模式下，?模擬CPU以及內存，?實現客戶模式的切換，?處理從客戶模式的退出。

用戶模式（?User Mode）?：?在這種模式下，?運行QEMU，?實現IO模擬與虛擬機管理。?QEMU運行在這個模式下，?為用戶提供虛擬機管理的用戶空間工具以及代表用戶執行I/O操作。?

內核模式（?Kernel Mode）?：?這是KVM虛擬化的核心模式，?運行KVM內核模塊。?在這個模式下，?KVM為虛擬機創建虛擬CPU和虛擬內存，?然后執行VMLAUNCH指令進入客戶模式，?裝載Guest OS并運行。?如果Guest OS運行過程中發生異常，?KVM會暫停Guest OS的運行，?保存當前狀態，?并退出到內核模式來處理這些異常。?內核模式還負責處理需要I/O的情況，?處理完成后重新進入客戶模式。

三.KVM工作原理

KVM（Kernel-based Virtual Machine）是基于Linux內核的虛擬機技術，其工作原理核心是利用硬件虛擬化擴展（如Intel VT-x/AMD-V）將物理CPU、內存和I/O設備虛擬化為多個虛擬機資源，具體如下：

核心組件

? KVM模塊：作為Linux內核模塊，負責創建和管理虛擬機（VM），并通過硬件虛擬化功能實現CPU和內存的虛擬化。

? QEMU：模擬I/O設備（如網卡、硬盤），與KVM結合后，通過KVM模塊接管CPU和內存，自身專注于I/O模擬，提升性能。

工作流程

1. 初始化：KVM模塊加載后，通過/dev/kvm接口為每個虛擬機創建虛擬CPU（vCPU），每個vCPU對應一個Linux進程。

2. CPU虛擬化：利用硬件虛擬化技術（如Intel VT-x的VMX模式），將vCPU調度到物理CPU上運行，實現指令集的隔離和特權級轉換。

3. 內存虛擬化：通過KVM的內存管理組件（如影子頁表或EPT/NPT技術），將虛擬機的虛擬地址映射到物理地址，確保各VM內存獨立。

4. I/O虛擬化：QEMU通過軟件模擬或硬件直通（如PCIe設備直通），讓VM訪問外設，硬件直通可提升I/O性能。

5. 資源調度：Linux內核的調度器負責分配物理CPU時間片給各個vCPU，內存和I/O資源也由KVM和QEMU協同管理。

關鍵技術

? 硬件輔助虛擬化：依賴CPU提供的虛擬化指令，避免純軟件模擬的性能損耗。

? 半虛擬化驅動（virtio）：VM通過virtio接口與宿主機通信，優化網絡、磁盤等I/O性能。

? 實時遷移：利用KVM的狀態保存和恢復機制，可在物理主機間遷移運行中的VM，不中斷服務。

KVM通過與Linux內核深度整合，實現了高效的服務器虛擬化，廣泛應用于云計算和企業服務器集群。

  • Qemu：快速仿真器
  • Libkvm：?libkvm?通過 ioctl 系統調用進入內核模式
  • Ioctl：ioctl是設備驅動程序中對設備的I/O通道進行管理的函數
  • fd：用fd 通過ioctl 向設備驅動來發送創建,運行虛擬機命令,設備驅動/dev/kvm 就會來解析命令
  • /dev/kvm：Linux字符集設備 /dev/kvm，是kvm的內核模塊

QEMU（Quick EMUlator）是一個開源的通用模擬器和虛擬化軟件，由?Fabrice Bellard創建。?它允許在一個平臺上運行一個或多個操作系統，這些操作系統與宿主機（運行QEMU的機器）的原生操作系統完全隔離。QEMU具有以下主要功能：

  • 系統模擬：可以模擬多種不同的計算機類型和架構，如x86, x86-64 (AMD64/Intel 64), ?ARM, ?PowerPC, ?SPARC等。這意味著可以在一個架構上運行為另一架構編譯的操作系統和程序。
  • 用戶模式模擬：支持用戶模式模擬，允許單個程序以不同的操作系統用戶空間在主機上運行，這對于開發和測試跨平臺應用程序非常有用。
  • 虛擬化：當在支持硬件虛擬化的處理器上運行時，QEMU可以利用?KVM（Kernel-based Virtual Machine）模塊提供快速虛擬化，使虛擬機以接近物理硬件的速度運行，同時提供隔離和資源控制的優點。
  • 網絡和設備模擬：支持復雜的網絡模擬功能，允許虛擬機通過不同的網絡拓撲配置相互通信或訪問互聯網。同時能夠模擬各種硬件設備，如硬盤、網絡接口卡、圖形適配器、USB設備等。

QEMU可以獨立使用，也經常與其他虛擬化和模擬工具一起使用，如?VirtualBox或?VMware的用戶界面，或者與?libvirt這樣的虛擬化管理庫配合使用，以簡化虛擬機的管理和操作。這使得QEMU在軟件開發、測試、系統管理、教育和研究等領域有廣泛應用

四.實驗步驟

實驗環境

主機

.? 操作系統

IP地址

主要軟件

kvm01

CentOS 7.9 x86_64

192.168.10.108

KVM 虛擬機

kvm02

CentOS 7.9 x86_64

192.168.10.109

1.搭建KVM虛擬化平臺

1.2準備KVM虛擬化環境

（1）YUM 安裝 KVM

yum -y install qemu-kvm

yum -y install qemu-img

yum -y install bridge-utils

yum -y install qemu-kvm-tools

yum -y install virt-install

yum -y install libvirt

yum -y install virt-manager

yum -y install libguestfs-tools

備注：

qemu-kvm ： kvm核心包–虛擬操作系統模擬器加速模塊

qemu-img ：是QEMU的磁盤管理工具

bridge-utils：虛擬機與外界通信的命令管理工具

qemu-kvm-tools ：qemu-kvm的工具包

virt-install：虛擬機安裝工具

libvirt：必須要裝的核心工具

virt-manager：虛擬機圖形管理工具（宿主機有桌面環境時可以考慮安裝，命令操作或者遠程控制則不需要）

libguestfs-tools：用于訪問虛擬機的磁盤映像文件提供的一組命令

QEMU是“Quick Emulator”的縮寫，是一個用C語言編寫的開源虛擬化軟件。

QEMU（Quick Emulator）快速仿真器

（2）關機，設置CPU支持虛擬化，然后開機

（3）開機后驗證

hostnamectl set-hostname kvm01

?bash

vim /etc/hosts

192.168.10.201 kvm01

192.168.10.202 kvm02

systemctl stop firewalld

systemctl disable firewalld

setenforce 0

sed -i 's/SELINUX=enforcing/SELINUX=disabled/' /etc/selinux/config

cat /proc/cpuinfo | grep vmx

lsmod | grep kvm

（4）開啟libvirtd服務

安裝完成后還需要開啟 libvirtd 服務，以開啟相關支持。

systemctl start libvirtd

systemctl enable libvirtd

2.設置KVM網絡

這里以 Bridge（橋接）為例進行操作演示

cd /etc/sysconfig/network-scripts/

cp ifcfg-ens33 ifcfg-br0

vi ifcfg-ens160

BRIDGE=br0

vi ifcfg-br0

TYPE=bridge

NAME=br0

DEVICE=br0

systemctl restart network

ifconfig

3.KVM管理

virt-manager

（1）創建存儲池

存儲池的名稱為：kgc

存儲池的目錄為：/data_kvm/store

（2）創建存儲卷

在kgc的存儲池中添加存儲卷

存儲卷名稱為：test01

卷最大容量10G

（3）將Linux系統的ISO文件拷貝到/opt目錄下，并關閉存儲設置

（4）在kvm01的主機上新建虛擬機，名稱為test01

5.使用KVM命令集管理虛擬機

virsh -h? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //查看命令幫助

ls /etc/libvirt/qemu/? ? ? ? ? ? //查看KVM的配置文件存放目錄

virsh list --all? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //查看虛擬機狀態

virsh shutdown test01? ? ? ?//虛擬機關機

virsh start test01? ? ? ? ? ? ? ? //虛擬機開機

virsh destroy test01? ? ? ? ? ?//強制實例系統關閉電源

?virsh create /etc/libvirt/qemu/test01.xml? ?//通過配置文件啟動虛擬機系統實例

virsh suspend test01? ? ? ? ? ? ?//掛起虛擬機

?virsh resume test01? ? ? ? ? ? ? //恢復虛擬機

virsh autostart test01? ? ? ? ? ? //配置虛擬機實例伴隨宿主機自動啟動

virsh dumpxml test01 > /etc/libvirt/qemu/test02.xml? ? ? ? ?//導出虛擬機配置

virsh shutdown test01

virsh undefine test01? ? ? ? ? ? ? ? ?//虛擬機的刪除與添加

查看刪除結果，test01 的配置文件被刪除，但是磁盤文件不會被刪除。

ls /etc/libvirt/qemu/

通過 virsh list --all 查看不到 test01 的信息，說明此虛擬機被刪除

通過備份的配置文件重新定義虛擬機：

cd /etc/libvirt/qemu

?mv test02.xml test01.xml

重新定義虛擬機：

virsh define test01.xml

修改虛擬機配置信息

vim命令：vim /etc/libvirt/qemu/test01.xml

virsh命令：?virsh edit test01

6.KVM文件管理

（1）查看當前磁盤格式

qemu-img info /data_kvm/store/test01.qcow2

備注：

如果虛擬機磁盤文件不是 qcow2 格式，可以通過 qemu-img 命令轉換磁盤文件格式，

如執行以下操作可以將 test01 虛擬機 raw 格式磁盤轉換至 qcow2 格式。

[root@kvm01 ~]# virsh shutdown test01

[root@kvm01 ~]# qemu-img convert -f raw -O qcow2 /data_kvm/store/test01.img /data_kvm/store/test01.qcow2

執行轉換磁盤格式的命令后還需要修改 test01 的 xml 配置文件中磁盤的類型與磁盤文件名。

[root@kvm01 ~]# virsh edit test01

…… //省略部分內容

<disk type='file' device='disk'>

<driver name='qemu' type='qcow2' cache='none'/>

<source file='/data_KVM/store/test01.qcow2'/>

<target dev='vda' bus='virtio'/>

<address type='pci' domain='0x0000' bus='0x00' slot='0x04' function='0x0'/>

</disk>

（2）virt-cat 命令，類似于 cat 命令

使用這個命令需要安裝 libguestfs-tools-c 工具包。

virt-cat -a /data_kvm/store/test01.qcow2 /etc/sysconfig/grub

（3）virt-edit 命令

virt-edit 命令，用于編輯文件，用法與 vim 基本一致。

virt-edit -a /data_kvm/store/test01.qcow2 /etc/resolv.conf

（4）virt-df 命令

virt-df 命令用于查看虛擬機磁盤信息。

virt-df -h test01

7.虛擬機克隆

?（1）查看虛擬機狀態 ?

virsh list --all

（2）從 test01 克隆 test02

virt-clone -o test01 -n test02 -f /data_kvm/store/test02.qcow2

（3）查看虛擬機狀態

virsh list --all

（4）啟動虛擬機

?virsh start test02

8.虛擬機快照

KVM 虛擬機要使用鏡像功能，磁盤格式必須為 qcow2。

（1）對 test01 創建快照

virsh snapshot-create test01

已生成域快照 1503494464

（2）查看虛擬機快照版本信息

virsh snapshot-current test01

（3）查看快照信息

?virsh snapshot-list test01

（4）創建新快照

?virsh snapshot-create test01

（5）查看快照信息

virsh snapshot-list test01

（6）恢復虛擬機狀態

virsh snapshot-revert test01 1503494464

（7）查看虛擬機快照版本信息

?virsh snapshot-current test01

（8）刪除快照

?virsh snapshot-delete test01 1503494464

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