KVM虚拟化平台搭建、工作模式与原理
2024-04-08 07:08:19
文章目录
- 简介
- 1.虚拟化技术
- 1.1 概述
- 1.2 虚拟化技术的发展雏形
- 1.3 虚拟化类型
- 2.KVM架构和原理
- 2.1 KVM简介
- 2.2 KVM虚拟化架构/三种模式
- 2.3 KVM原理
- 2.3.1 KVM虚拟化技术核心功能（原理方面）
- 2.3.2 KVM各核心组件功能
- 3.虚拟化的特性
- 4.搭建KVM平台
- 4.1 项目拓扑图
- 4.2 KVM环境准备
- 4.3 安装KVM
- 4.4 设置KVM网络为桥接
- 4.5 KVM管理
- 4.5.1 创建存储池
- 4.5.2 创建存储卷
- 4.6 开始创建虚拟机
- 4.7 总结
简介
- 美国环境保护EPA报告中曾经统计过一组统计数据：EPA研究服务器和数据中心得能源效率时发现，实际上服务器只有5%得时间时在工作的，其他时间一直处于休眠状态。为了提高硬件利用率，KVM等虚拟化技术应时而生；
- KVM 自 Linux 2.6.20 版本后就直接整合到 Linux 内核， 它依托 CPU 虚拟化指令集（如Intel-VT、 AMD-V） 实现高性能的虚拟化支持。
1.虚拟化技术
1.1 概述
- 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运行多个逻辑计算机，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
虚拟化理解
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
定位
2、通过软件/应用程序的方式,来实现物理硬件的功能，也就是模拟硬件资源/设备/操作系统。
实际应用：workstation、virtualbox、网吧等
1.2 虚拟化技术的发展雏形
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)；
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支持的虚拟化技术：全虚拟化。
1.3 虚拟化类型
- 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
- 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)
全虚拟化使用的方法：
- 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。
注意：
- 软件资源是没有硬件资源性能高的 (相同功能下)
2.KVM架构和原理
2.1 KVM简介
- 广义的 KVM 实际上包含两部分：
一部分是基于 LINUX 内核支持的 KVM 内核模块， 另一部分就是经过简化和修改的 Qemu。
1、KVM 内核模块模拟处理器和内存以支持虚拟机的运行，Qemu 主要处理 I/O 以及为用户提供一个用户空间工具来进行
虚拟机的管理。 两者相互结合， 相辅相成， 构成了一个完整的虚拟化平台。2、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注意： Qemu 本身并不是 KVM 的一部分， Qemu 是一套完整的虚拟化解决方案， 是纯软件实现虚拟化， 包括处理器
虚拟化、 内存虚拟化以及各种虚拟设备的模拟， 但因为是纯软件模拟出来的， 所以 Qemu 的性能比较低。
2.2 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
2.3 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
1）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
2）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
2.3.1 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
2.3.2 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：为虚拟化提供CPU、内存（硬件资源）的虚拟化
3.虚拟化的特性
- 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)
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)
- 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)
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)
4.搭建KVM平台
4.1 项目拓扑图
- 虚拟机资源
CPU：双核双线程-CPU虚拟化开启
内存：8G
硬盘：300G
双网卡：单网卡
操作系统：Centos 7.5
4.2 KVM环境准备
- 首先安装centos7系统：即在VMware软件中新建虚拟机，并安装centos7系统
- centos7系统优化：在centos7系统安装完成后，需要勾选上KVM虚拟化功能，且网卡选择NAT模式
- 相关优化配置
1、防火墙优化
[root@kvm ~]# systemctl stop firewalld.service
[root@kvm ~]# systemctl disable firewalld.service '//关闭防火墙，永久关闭'
[root@kvm ~]# vi /etc/selinux/config
...
SELINUX=disabled '//将enforcing修改为disabled'2、设置镜像光盘自动挂载
[root@kvm ~]# vi /etc/fstab '//设置永久挂载'
...
/dev/cdrom /mnt iso9660 defaults 0 0
[root@kvm ~]# mount -a '//让挂载生效'3、优化ssh
[root@kvm ~]# vim /etc/ssh/sshd_config '//设置DNS反向解析，让客户端连接服务器更快'
...
UseDNS no '//取消注释，并将yes改成no'4、yum本地仓库搭建
[root@kvm ~]# cd /etc/yum.repos.d/
[root@kvm yum.repos.d]# mkdir backup
[root@kvm yum.repos.d]# mv C* backup
[root@kvm yum.repos.d]# ls
backup local.repo
[root@kvm yum.repos.d]# vim yql.repo '//搭建本地Yum仓库'
//添加以下配置
[yql]
name=test
baseurl=file:///mnt
enabled=1
gpgcheck=0
[root@kvm yum.repos.d]# yum clean all '//清空yum仓库'
[root@kvm yum.repos.d]# mount /dev/sr0 /mnt '//因为没有重启，所以需要手动挂载一下光盘镜像'
[root@kvm yum.repos.d]# yum makecache '//建立缓存，加载yum数据'
4.3 安装KVM
- 安装相关组件包
[root@kvm ~]# yum groupinstall -y "GNOME Desktop"
'//安装 GNOME 桌面环境 如果装了图形界面不需要装了'[root@kvm ~]# yum -y install qemu-kvm '//安装KVM 模块'
[root@kvm ~]# yum -y install qemu-kvm-tools '// KVM 调试工具,可不安装'
[root@kvm ~]# yum -y install virt-install '//构建虚拟机的命令行工具'
[root@kvm ~]# yum -y install qemu-img '//Qemu 组件,创建磁盘、 启动虚拟机等'
[root@kvm ~]# yum -y install bridge-utils '//网络支持工具'
[root@kvm ~]# yum -y install libvirt '//虚拟机管理工具'
[root@kvm ~]# yum -y install virt-manager '//图形界面管理虚拟机'
[root@kvm ~]# ln -sf /lib/systemd/system/graphical.target /etc/systemd/system/default.target
'//将 系 统 的 默 认 运 行 target 更 改 为graphical.targe。 重启后系统将进入图形化界面。'[root@kvm ~]# reboot '//重启'
- 查看虚拟化模块，并开启相关服务
[root@kvm ~]# cat /proc/cpuinfo | grep vmx '//查看CPU是否支持虚拟化'
[root@kvm ~]# lsmod | grep kvm '//查看KVM模块是否安装'
kvm_intel 183621 0
kvm 586948 1 kvm_intel
irqbypass 13503 1 kvm
[root@kvm ~]# systemctl start libvirtd '//开启libvirtd服务'
[root@kvm ~]# systemctl enable libvirtd '//开机启动libvirtd服务'
4.4 设置KVM网络为桥接
- 宿主服务器安装完成 KVM， 首先要设定网络， 在 libvirt 中运行 KVM 网络有两种方法：
分别为 NAT 和 Bridge， 默认是 NAT。
1、用户模式， 即 NAT 方式， 这种方式是默认网络， 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。2、桥接模式， 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。这里以 Bridge（桥接） 为例。
- 修改ens33网卡
[root@kvm ~]# vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33
TYPE=Ethernet
PROXY_METHOD=none
BROWSER_ONLY=no
BOOTPROTO=none '//修改为none'
DEFROUTE=yes
#IPADDR=192.168.140.30
#NETMASK=255.255.255.0
#GATEWAY=192.168.140.2
#DNS=192.168.140.2
BRIDGE=br0 '//注释掉原本的IP地址和网关等设置，添加此处'
IPV4_FAILURE_FATAL=no
IPV6INIT=yes
IPV6_AUTOCONF=yes
IPV6_DEFROUTE=yes
IPV6_FAILURE_FATAL=no
IPV6_ADDR_GEN_MODE=stable-privacy
NAME=ens33
UUID=5aa5a365-ef5d-4600-a8f0-a89e553e2714
DEVICE=ens33
ONBOOT=yes
- 新建桥接网卡，并重启网卡服务
[root@kvm ~]# vim /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-br0 '//配置桥接网卡'
TYPE=Bridge
OTPROTO=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=192.168.140.30
NETMASK=255.255.255.0
GATEWAY=192.168.140.2[root@kvm~]# systemctl restart network '//重启网卡'
4.5 KVM管理
- 创建KVM存储和镜像文件夹，并上传镜像
[root@kvm ~]# mkdir -p /data_kvm/iso '//创建上传镜像centos 7.5的镜像目录'
[root@kvm ~]# mkdir -p /data_kvm/store '//创建虚拟机存储文件目录'
[root@kvm ~]# mount.cifs //192.168.140.1/elk /mnt
Password for root@//192.168.140.1/elk: ****** //输入电脑主机密码（若没密码按空格即可）
[root@kvm ~]# cd /mnt/
[root@kvm mnt]# ls
CentOS-7-x86_64-DVD-1708.iso
[root@kvm mnt]# cp CentOS-7-x86_64-DVD-1708.iso /data_kvm/iso/
[root@kvm mnt]# ll /data_kvm/iso/
总用量 4415488
-rwxr-xr-x 1 root root 4521459712 1月 11 08:50 CentOS-7-x86_64-DVD-1708.iso[root@kvm ~]# virt-manager '//图形界面敲，打开虚拟系统管理器'
4.5.1 创建存储池
- 双击打开QEMU/KVM–存储–添加（加号）–填写名称–前进–浏览–其他位置–计算机–data_kvm–store–打开–完成
(1) 先创建存储池选择 /data_kvm/store
(2) 再使用同样的方法，创建存储池选择 /data_kvm/iso
4.5.2 创建存储卷
4.6 开始创建虚拟机
- 打开虚拟系统管理器—右击QEMU/KVM—选择新建
- 本地安装介质—前进
- 选择使用ISO映像—浏览选择刚刚创建的镜像的存储池中的镜像—前进
- 配置内存和CPU—前进
- 管理–选择刚刚创建的存储池中的存储卷–前进
- 点击在安装前自定义配置–选择网络（桥接）–完成
- 点击引导选项–勾选主机引导时启动虚拟机–开始安装–出现提示选择是
4.7 总结
- 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，为虚拟机提供端口；
- 使用KVM虚拟化技术，极大地提高了硬件利用率。集中化管理多台虚拟机，维护方便
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