QEMU,KVM及QEMU-KVM介绍

导读

• what's QEMU
• what's KVM
• what's QEMU-KVM

what's QEMU

WIKI定义如下：

QEMU (short for Quick Emulator) is a free and open-source hosted hypervisor that performs hardware virtualization.

QEMU是一个主机上的VMM（virtual machine monitor）,通过动态二进制转换来模拟CPU，并提供一系列的硬件模型，使guest os认为自己和硬件直接打交道，其实是同QEMU模拟出来的硬件打交道，QEMU再将这些指令翻译给真正硬件进行操作。
通过这种模式，guest os可以和主机上的硬盘，网卡，CPU，CD-ROM，音频设备和USB设备进行交互。但由于所有指令都需要经过QEMU来翻译，因而性能会比较差：

QEMU工作原理

运行模式

QEMU提供多种运行模式：

• User-mode emulation
  这种模式下QEMU上仅进运行一个linux或其他系统程序，由和主机不同的指令集来编译运行。这种模式一般用于交叉编译及交叉调试使用。
• System emulation
  这种模式QEMU模拟一个完整的操作系统，包括外设。可用来实现一台物理主机模拟提供多个虚拟主机。QEMU也支持多种guest OS：Linux,windows,BSD等。支持多种指令集：x86,MIPS,ARMv8,PowerCP,SPARC,MicroBlaze等等。
• KVM Hosting
  这种模式下QEMU处理包括KVM镜像的启停和移植，也涉及到硬件的模拟，guest的程序运行由KVM请求调用QEMU来实现。
• Xen Hosting
  这种模式下QEMU仅参与硬件模拟，guest的运行完全对QEMU不可见。

what's KVM?

WIKI定义如下：

Kernel-based Virtual Machine(KVM) is a virtualization infrastructure for the Linux kernel that it into a hypervisor.

KVM实际是linux内核提供的虚拟化架构，可将内核直接充当hypervisor来使用。KVM需要处理器硬件本身支持虚拟化扩展，如intel VT 和AMD AMD-V技术。
KVM自2.6.20版本后已合入主干并发行，除此之外，还以模块形式被移植到FreeBSD和illumos中。除了支持x86的处理器，同时也支持S/390,PowerPC,IA-61以及ARM等平台。

工作原理

KVM包含一个内核模块kvm.ko用来实现核心虚拟化功能，以及一个和处理器强相关的模块如kvm-intel.ko或kvm-amd.ko。
KVM本身不实现任何模拟，仅仅是暴露了一个/dev/kvm接口，这个接口可被宿主机用来主要负责vCPU的创建，虚拟内存的地址空间分配，vCPU寄存器的读写以及vCPU的运行。
有了KVM以后，guest os的CPU指令不用再经过QEMU来转译便可直接运行，大大提高了运行速度。但KVM的kvm.ko本身只提供了CPU和内存的虚拟化，所以它必须结合QEMU才能构成一个完整的虚拟化技术，也就是下面要介绍的技术。

what's QEMU-KVM

从前面的介绍可知，KVM负责cpu虚拟化+内存虚拟化，实现了cpu和内存的虚拟化，但kvm并不能模拟其他设备。还必须有个运行在用户空间的工具才行，KVM的开发者选择了比较成熟的开源虚拟化软件QEMU来作为这个工具，QEMU模拟IO设备（网卡，磁盘等），对其进行了修改，最后形成了QEMU-KVM。

具体的架构如图所示

在QEMU-KVM中，KVM运行在内核空间，QEMU运行在用户空间，实际模拟创建、管理各种虚拟硬件，QEMU将KVM整合了进来，通过/ioctl 调用 /dev/kvm，从而将CPU指令的部分交给内核模块来做，KVM实现了CPU和内存的虚拟化，但kvm不能虚拟其他硬件设备，因此qemu还有模拟IO设备（磁盘，网卡，显卡等）的作用，KVM加上QEMU后就是完整意义上的服务器虚拟化。
综上所述，QEMU-KVM具有两大作用：

1. 提供对cpu，内存（KVM负责），IO设备（QEMU负责）的虚拟
2. 对各种虚拟设备的创建，调用进行管理（QEMU负责）

这个方案中，QEMU模拟其他的硬件，如Network, Disk，同样会影响这些设备的性能。于是又产生了pass through半虚拟化设备virtio_blk, virtio_net，提高设备性能。

工作原理图

总结

通过前面三节描述，大家应该能基本掌握三种不同技术之前的区别和联系了。

参考

1. QEMU:https://en.wikipedia.org/wiki/QEMU
2. KVM:https://en.wikipedia.org/wiki/Kernel-based_Virtual_Machine
3. http://changfei.blog.51cto.com/4848258/1672147
4. http://blog.csdn.net/shengxia1999/article/details/52244119