高逼格技术来啦~KVM_kvm 进程

高逼格技术来啦~KVM

一、什么事云计算？

云计算：用户可以在任何时间、地点通过网络获取所需要得计算资源、网络资源、存储资源并且按量计费，弹性伸缩。
就是一个大的租赁渠道。
通过云平台方式汇聚资源。
云平台使用得底层平台技术为openstack。
而openstack利用了什么技术将资源可以划分给不同得用户使用呢
---->虚拟化技术+物理资源集成方式。

1、云计算定义(最重要的:

①汇聚资源，并以资源池的方式提供；
②以云平台，例如openstack做为底座平台提供的；
③openstack使用虚拟化+物理资源的方式将这些计算、存储、网络等资源租赁给用户)

KVM虚拟化简介！！！

一、背景：

美国环境保护EPA报告中曾经统计过：
EPA研究服务器和数据中心的能源效率，服务器只有5%的时间在工作，其他时间一直处于休眠状态。
并且，软件资源是没有硬件资源性能高的—相同功能下的稳定和效率。

虚拟化产品：
网吧–（中心服务器连接着用户得主机—主机打开应用—>加载中心服务器得这部分数据–桌面虚拟化）
ensp—以软件形式实现物理设备的功能（二层交换机、路由器、三层交换机等）
vmware workstation

二、虚拟化技术：

虚拟化是云计算的基础！！！
①通过虚拟化技术将一台物理计算机虚拟为多台逻辑计算机，虚拟机共享物理机的CPU、内存、IO硬件资源，但逻辑上是相互隔离的。

②每个逻辑计算机可以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。
—>每台虚拟机运行3个进程==同时运行9个进程
1、在一个操作系统中（win10）模拟多个操作系统（centos、win10、suse），同时每个操作系统可以跑不同的服务（nginx+tomcat），从而实现一台宿主机搭建一个集群（从整体）。
2、通过软件/应用程序的方式，来实现物理硬件的功能：
ensp—以软件形式实现物理设备的功能（二层交换机、路由器、三层交换机等）

③物理机一般称为宿主机(Host)，虚拟机一般称为客户机(Guest)。
—>Host通过Hypervisor程序实现自身硬件资源虚拟化，并提供给Guset使用。
根据Hypervisor的实现方式和所处位置，虚拟化分为两种：

1、全虚拟化：

全虚拟化，即Hypervisor直接安装在物理机上，多个虚拟机在Hypervisor上进行。Hypervisor的实现方式一般是一个特殊定制的Linux系统，Xen和VMWare的ESXi都属于这个类型。

2、半虚拟化：

半虚拟化，通过修改客户操作系统代码，将原来在物理机上执行的一些特权指令，修改成可以和VMM直接交互的方式，实现操作系统的定制化。
半虚拟化技术XEN，就是通过为客户操作系统定制一个专门的内核版本，和X86、MIPS、ARM这些内核版本等价。
这样，就不会有捕获异常、翻译和模拟的过程，性能损耗比较少。
这也是XEN这种半虚拟化架构的优势，也是为什么XEN只支持Linux的虚拟化，不能虚拟化Windows的原因（微软不开源）。
---->区别：半虚拟化需要修改内核。

三、虚拟化技术的发展：

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机的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)。
Xen2003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。
KVM2007年问世，现已内置在kernel内核中。
—>
Xen：支持的虚拟化技术：全虚拟化，半虚拟化。
KVM：支持的虚拟化技术：全虚拟化。

四、虚拟化类型：

1、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。

⭐⭐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系统的开源产品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。
---->KVM在内核层，将物力资源逻辑分割为虚拟化资源
Qemu组件，和内核层的KVM对接，调用所需资源

2、半虚拟化：需要修改操作系统。（以软件形式模拟物理硬件+物理硬件资源加强型支持）

目的：趋近于物理硬件设备的性能。

3、直通：直接使用物理硬件资源（需要支持，还不完善)。

五、虚拟化的特性：

1、优势：

①集中化管理（远程管理、维护）；
②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）；
③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）；---->虚拟机加硬盘、网卡等
④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）。

2、劣势：

①前期高额费用（初期的硬件支持）；
②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，数据库）；
③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）；
④实施配置复杂、管理复杂（管理人员运维、排障困难）；
⑤一定的限制性（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）；
⑥安全性（虚拟化技术自身的安全隐患）。

小结：

虚拟化：
是提高资源利用率的解决方案；
虚拟化典型特性：
①在一台操作系统中模拟多个操作系统；
②使用软件形式模拟物理硬件设备；
虚拟化技术类型：KVM、XEN、vitrailbox（ensp的组件）
①全需②半虚③直通

------案例：
VMwareWorkstation：使用软件达到虚拟多操作系统
VirtualBox：使用软件虚拟出多物理设备功能
以VMwareworkstation为例
workstation支持intel公司和AMD公司的虚拟化技术硬件辅助虚拟化技术Intel-VT-x AMD-V。

Intel VT-x技术主要包含CPU、内存和I／O三方面的虚拟化技术，同时提供优化处理（早期为弥补X86架构虚拟化的缺陷）
AMD-V是对x86处理器系统架构的一组硬件扩展和硬件辅助虚拟化技术，可以简化纯软件的虚拟化解决方案
改进VMM（虚拟机监视器）的设计，更充分地利用硬件资源，提高服务器和数据中心的虚拟化效率
VMM(虚拟机监视器/管理程序）haperivisor
VMM是一个系统软件，可以维护多个高效、隔离的程序环境(虚拟机），同时可以管理计算机系统的真实资源、为虚拟机提供接口。

VMM功能：
1、对物理资源进行逻辑分割（转化为虚拟资源）；
2、调用虚拟资源供与应用程序（虚拟机）。

六、KVM简介：广义上

KVM（Kernel-based Vritual Machine)–基于内核的虚拟机；
KVM是基于虚拟化扩展的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（组件）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I/O（ioctl）进行调度资源和维护管理；
****Libvirt：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、命令行工具virsh。
---->
KVM在内核层，将物力资源逻辑分割为虚拟化资源
Qemu组件在抽象层，和内核层的KVM对接，调用所需资源，再借助libvirt工具，加强资源的调度管理。

七、KVM架构及原理：

KVM虚拟化架构/三种模式：**
1、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，客户机分为内核模式和用户模式，作用如下：
2、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）
3、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
1、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。
2、KVM 内核模块模拟处理器和内存以支持虚拟机运行
3、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

简单理解：
KVM驱动提供处理器、内存的虚拟化，以及客户机I/O的拦截（拦截敏感指令），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 虚拟化架构/三种模式
1、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，客户机分为内核模式和用户模式，作用如下：
2、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）
3、linux内核模式
模拟CPU、内存，实现客户模式切换，处理从客户模式的退出，KVM即运行在此模式下

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 I/O则处理完成后重新进入客户模式。如果需要 I/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

思路：
1、KVM技术介绍
是什么技术：虚拟化

2、KVM技术定位（实际应用）
workstation、virtualbox
模拟硬件资源/设备/操作系统

3、KVM虚拟化技术核心功能（原理方面)
QEMU（工作在用户层，控制libkvm工具（工具作用，控制内核中的KVM）来调用物理虚拟化资源
（调用物理虚拟化资源的方式是ioctl，供给虚拟机）
KVM（工作在内核层，虚拟化/抽象化物理硬件资源，供给Qemu组件调用）

4、KVM各核心组件功能
QEMU
功能：控制I/O虚拟化，调用硬件资源
KVM
功能：为虚拟机提供CPU、内存（硬件资源）的虚拟化

5、工作模式是啥？

6、CPU分片：
①逻辑分片的方式：
将一个CPU的单位时间1S划分为10分，每一份0.1S，我可以使用分时系统将多个任务轮询分配给1个CPU的10个时间片。让一个CPU模拟多个CPU。

②前期：
1、CPU同一时刻点1个CPU处理1个任务，想要处理多个任务要多个CPU；
2、以人为感知，1S内完成10个甚至更多的任务，人为感知可能会认为是不是有多个CPU同时工作；
3、当61年的时候，IMB分时系统可以将CPU的单位时间进行分片，以轮询的方式将多个任务(10）分配给1个CPU处理，假设10个任务(每个任务CPU只需要0.1s就能完成)，也做到了1s处理了10个任务；

③资源的利用：
使用虚拟化方式处理了10个任务，使用了1个CPU资源；
不使用虚拟化处理10个任务，需要多个CPU同时工作；
小结：使用分时系统对CPU单位时间进行分片这种方式，更为充分利用了CPU资源