部署：KVM虚拟化平台

目录

KVM虚拟化

核心特性

技术架构

优势与应用场景

与其他虚拟化技术的对比

安装与使用示例

KVM运行时的三种模式

LVM工作原理

核心组件与分工

工作流程

硬件虚拟化支持

案例

---

KVM虚拟化

KVM（Kernel-based Virtual Machine）是一种基于Linux内核的全虚拟化解决方案，允许用户在Linux系统上运行多个隔离的虚拟机（VM），每个虚拟机拥有独立的操作系统和硬件资源。

核心特性

1. 内核级虚拟化
   • KVM作为Linux内核模块（kvm.ko）直接集成到操作系统中，通过硬件虚拟化扩展（如Intel VT-x或AMD-V）实现高效的CPU和内存虚拟化。
   • 与传统模拟器（如QEMU）不同，KVM无需软件模拟CPU指令，性能接近物理机。
2. 全虚拟化支持
   • 无需修改客户机操作系统（Guest OS），即可运行Windows、Linux等主流系统。
   • 通过硬件辅助虚拟化（如EPT/NPT）实现内存虚拟化，降低性能开销。
3. 与QEMU的集成
   • KVM仅处理CPU和内存虚拟化，而QEMU负责模拟I/O设备（如磁盘、网卡）。
   • 组合后的qemu-kvm工具提供完整的虚拟化解决方案，支持图形化管理和命令行操作。

---

技术架构

1. 组件组成
   • KVM内核模块：提供虚拟化基础能力。
   • QEMU：模拟硬件设备并处理I/O操作。
   • Libvirt：标准化管理接口（如virsh命令行工具），支持跨平台管理。
   • 虚拟化工具链：如virt-manager（图形化管理）、virt-install（自动化部署）。
2. 工作流程
   • 用户通过管理工具（如virt-manager）创建虚拟机。
   • KVM加载客户机操作系统到内存，并利用硬件虚拟化扩展执行指令。
   • I/O请求由QEMU拦截并模拟，确保隔离性。

---

优势与应用场景

1. 优势
   • 高性能：接近物理机的运行效率，适合生产环境。
   • 低成本：开源免费，无需额外授权费用。
   • 灵活性：支持动态资源调整（如CPU热插拔、内存热添加）。
   • 安全性：通过硬件隔离和SELinux增强安全性。
2. 典型应用场景
   • 云计算：OpenStack、oVirt等平台依赖KVM提供基础设施。
   • 开发与测试：快速创建隔离环境，降低硬件成本。
   • 服务器整合：将多台物理机迁移到虚拟机，提高资源利用率。

---

与其他虚拟化技术的对比

技术	类型	性能	成本	适用场景
KVM	全虚拟化	高	免费	云计算、生产环境
VMware ESXi	裸金属虚拟化	极高	收费	企业级关键业务
Xen	半虚拟化/全虚拟化	中高	免费	高性能计算、安全敏感场景
VirtualBox	桌面虚拟化	中	免费	个人开发、测试

• KVM vs VMware：KVM在开源生态和成本上占优，但VMware提供更丰富的企业级功能（如vMotion）。
• KVM vs Xen：KVM更易集成到Linux发行版，而Xen在半虚拟化场景下性能更优。

---

安装与使用示例

1. 安装KVM（Ubuntu/Debian）

   	sudo apt update
   	sudo apt install qemu-kvm libvirt-daemon-system libvirt-clients bridge-utils virt-manager
   	sudo usermod -aG kvm,libvirt $(whoami) # 添加当前用户到相关组
   	sudo systemctl enable --now libvirtd

2. 创建虚拟机

   	virt-install \
   	--name=my-vm \
   	--memory=2048 \
   	--vcpus=2 \
   	--disk path=/var/lib/libvirt/images/my-vm.qcow2,size=20 \
   	--cdrom /path/to/iso/ubuntu-22.04.iso \
   	--os-variant ubuntu22.04 \
   	--graphics spice

3. 图形化管理
   使用virt-manager工具，通过直观界面管理虚拟机生命周期。 

---

KVM运行时的三种模式

1. 客户模式（Guest Mode）：
   • 客户模式是指在虚拟机中运行的操作系统，被称为Guest OS。虚拟机运行在Guest OS上，执行非I/O的客户代码。
   • 客户模式本身又分为内核模式和用户模式，但通常在讨论KVM架构时，将虚拟机在操作系统中运行的整体状态统称为客户模式。
2. 用户模式（User Mode）：
   • 用户模式提供虚拟机管理的用户空间工具，以及代表用户执行I/O操作的功能。
   • QEMU（Quick Emulator）作为KVM的用户模式组件，运行在这个模式下，负责模拟CPU、内存和I/O设备，并提供对虚拟机的控制和管理。
3. 内核模式（Kernel Mode）：
   • 内核模式是KVM虚拟化的核心模式，运行KVM内核模块。
   • 在这个模式下，KVM为虚拟机创建虚拟CPU和虚拟内存，然后执行VMLAUNCH指令进入客户模式，装载Guest OS并运行。
   • 如果Guest OS运行过程中发生异常（如非法指令、外部中断等），KVM会暂停Guest OS的运行，保存当前状态，并退出到内核模式来处理这些异常。
   • 内核模式还负责处理需要I/O的情况，如果处理过程中需要I/O操作，则会进入到用户模式，由QEMU来处理I/O，处理完成后重新进入内核模式，再进入客户模式。

LVM工作原理

 KVM（Kernel-based Virtual Machine）的工作原理主要基于硬件虚拟化技术和Linux内核的深度融合，通过内核模块、用户空间工具和硬件虚拟化扩展的协同工作，实现高效的虚拟机管理

---

核心组件与分工

1. 内核模块（KVM Driver）：
   • 作为Linux内核的一部分，负责虚拟机的CPU虚拟化、内存管理和设备管理。
   • 通过/dev/kvm设备接口与用户空间程序通信，处理虚拟机的创建、运行和销毁等关键操作。
   • 利用硬件虚拟化扩展（如Intel VT-x和AMD-V）实现高效的CPU虚拟化，减少性能开销。
2. 用户空间工具（QEMU）：
   • 负责模拟虚拟机的I/O设备，如硬盘、网卡等。
   • 通过IOCTL系统调用与KVM内核模块交互，为虚拟机提供完整的硬件环境。
   • 处理虚拟机的启动、停止、配置等管理任务，以及提供用户控制接口。

---

工作流程

1. 虚拟机创建：
   • 用户通过管理工具（如virt-manager或virsh）发起虚拟机创建请求。
   • QEMU通过IOCTL系统调用向KVM内核模块申请资源，为虚拟机搭建虚拟化环境。
   • KVM内核模块分配虚拟CPU（vCPU）和内存，并初始化虚拟机的状态。
2. 虚拟机运行：
   • QEMU启动虚拟机内的操作系统，并执行VMLAUNCH指令，使CPU进入Guest模式。
   • 在Guest模式下，虚拟机操作系统直接访问虚拟硬件资源，执行应用程序代码。
   • KVM内核模块负责调度vCPU的运行，确保每个虚拟机都能获得合理的计算资源。
3. I/O请求处理：
   • 当虚拟机操作系统发起I/O请求时，KVM内核模块拦截该请求，并将其提交给用户空间的QEMU处理。
   • QEMU模拟I/O设备的操作，完成处理后通过IOCTL系统调用将结果反馈给KVM内核模块。
   • KVM内核模块将结果返回给虚拟机操作系统，恢复其执行。
4. 异常处理与VM-Exit：
   • 如果虚拟机操作系统运行过程中发生外部中断、影子页表缺页等事件，CPU会暂停Guest模式的执行，触发VM-Exit。
   • KVM内核模块进行必要的处理，如更新虚拟机的状态或修复缺页异常，然后通过VM-Entry重新进入Guest模式，恢复虚拟机操作系统的执行。

---

硬件虚拟化支持

• KVM充分利用现代处理器提供的硬件虚拟化扩展（如Intel VT-x和AMD-V），引入根模式（Root Mode）和非根模式（Non-Root Mode）。
• 在根模式下，KVM虚拟机监控程序运行，拥有完整的硬件控制权。
• 在非根模式下，虚拟机操作系统运行，其特权指令和敏感操作会被捕获并触发VM-Exit，将控制权交还给KVM虚拟机监控程序。

案例

基础环境：两台虚拟机，修改hosts主机名称，101：kvm01 102：kvm02 关闭防火墙及系统内核

安装 KVM所需要的依赖包

[root@kvm01 ~]# dnf -y install gnome-shell gdm gnome-session gnome-terminal

• gnome-shell：GNOME Shell是GNOME桌面环境的用户界面组件，负责提供窗口管理、任务栏、通知区域等功能。它是用户与GNOME桌面环境交互的主要界面。
• gdm：GDM（GNOME Display Manager）是GNOME桌面环境的显示管理器，负责用户登录管理。它提供了一个图形化的登录界面，并处理用户的认证过程。在KVM环境中安装GDM，可以方便地通过图形界面登录到虚拟机。
• gnome-session：GNOME Session是GNOME桌面环境的会话管理器，负责启动和管理用户会话中的各种进程和服务。它确保在用户登录时，所有必要的桌面组件和服务都能正确启动。
• gnome-terminal：GNOME Terminal是GNOME桌面环境下的终端模拟器程序，允许用户在图形界面中访问命令行。在KVM环境中安装GNOME Terminal，可以方便地在虚拟机中执行命令行操作。

让系统开机自动进入图形化页面

[root@kvm01 ~]# systemctl set-default graphical.target    设置开机启动自动进入图形化
[root@kvm01 ~]# poweroff

虚拟机配置勾选CPU虚拟化（先给虚拟机关机后在操作）

                开机——进入系统——活动——下面九宫格——终端

 下载虚拟化依赖工具

[root@kvm01 ~]# dnf -y install qemu-kvm qemu-img bridge-utils virt-manager libguestfs-tools virt-install libvirt

• qemu-kvm：QEMU 的 KVM 加速模块，提供硬件虚拟化支持（基于 KVM 内核模块）
• qemu-img：QEMU 的磁盘镜像管理工具。
• bridge-utils：网络桥接工具（用于配置 Linux 网桥）。
• virt-manager：图形化虚拟机管理工具。
• libguestfs-tools：虚拟机磁盘镜像操作工具集。
• virt-install：命令行工具，用于创建和安装虚拟机。
• libvirt：虚拟化平台的标准化管理库和守护进程。

验证：

[root@kvm01 ~]# cat /proc/cpuinfo	#查看有没有vmx的样式
[root@kvm01 ~]# lsmod | grep kvm	#查看系统支不支持虚拟化

[root@kvm01 ~]# systemctl start libvirtd	#启动
[root@kvm01 ~]# systemctl enable libvirtd     #设置开机自启动

 基于NetworkManager的网络环境中创建一个新的网络桥接连接

[root@kvm01 ~]# nmcli connection add type bridge con-name br0 ifname br0 

 可以通过查看配置文件来确认是否成功

[root@kvm01 ~]# cd /etc/sysconfig/network-scripts/
[root@kvm01 network-scripts]# ls
ifcfg-br0  ifcfg-ens160
[root@kvm01 network-scripts]# cat ifcfg-br0
STP=yes
BRIDGING_OPTS=priority=32768
TYPE=Bridge
HWADDR=
PROXY_METHOD=none
BROWSER_ONLY=no
BOOTPROTO=dhcp
DEFROUTE=yes
IPV4_FAILURE_FATAL=no
IPV6INIT=yes
IPV6_AUTOCONF=yes
IPV6_DEFROUTE=yes
IPV6_FAILURE_FATAL=no
IPV6_ADDR_GEN_MODE=default
NAME=br0
UUID=c90e9bee-d9c0-4b4e-8ef9-bf0b0a990496
DEVICE=br0
ONBOOT=yes

 基于NetworkManager的网络环境中配置一个以太网接口，将其连接到之前创建的桥接接口

[root@kvm01 network-scripts]# nmcli connection add type ethernet con-name br0-slave-ens33 ifname ens33 master br0 

 验证效果并查看

[root@kvm01 network-scripts]# ls
ifcfg-br0  ifcfg-br0-slave-ens33  ifcfg-ens33

IP迁移 01

nmcli connection modify br0 ipv4.method manual ipv4.address 192.168.10.101/24 ipv4.gateway 192.168.10.254 ipv4.dns 8.8.8.8 

 02

nmcli connection modify br0 ipv4.method manual ipv4.address 192.168.10.102/24 ipv4.gateway 192.168.10.254 ipv4.dns 8.8.8.8

 01/02查看ip并关闭ens33,远程会断，需要去虚拟机上操作

ifconfig
nmcli con down "ens33"

虚拟机操作：

nmcli con up br0
nmcli con up br0-slave-ens33

 ——这个地方可以做快照，方便后续操作

在桌面环境操作：

双击QEMU/KVM，点存储，左下角加号（+）
起名kgc，/data_kvm/store
点击kgc，添加卷（+），名称：test01，存储卷配额：10G
拉取镜像到/opt下，谁都能用

创建新虚拟机系统，选择本地iso或者本地目录，创建虚拟机

查看

virsh list --all

关闭

virsh shutdown centos7.0

运行，对系统来说通电皆是运行

virsh start centos7.0

强制关机，不建议

virsh destroy centos7.0

启动虚拟机

virsh create /etc/libvirt/qemu/centos7.0.xml

挂起

virsh suspend centos7.0

恢复

virsh resume centos7.0

开机自启动

virsh autostart centos7.0

 备份虚拟机

/data_kvm/store/test01.qcow2
/etc/libvirt/qemu
cd /etc/libvirt/qemu
virsh dumpxml centos7.0>test01.xml
ls

virsh define test01.xml

删除掉然后关机，注册，在删除文件会更彻底一些

virsh shutdown centos7.0
virsh undefine centos7.0

重新注册（重新定义）

virsh define test01.xml

启动

virsh start centos7.0
virsh list --all	#查看

 关闭虚拟机

virsh shutdown centos7.0

 查看虚拟机内部hosts文件，需要下载工具

使用这个命令需要安装 libguestfs-tools-c和guestfs-tools-c 工具包。 

virt-cat -a /data_kvm/store/test01.qcow2 /etc/hosts

修改hosts文件

virt-edit -a /data_kvm/store/test01.qcow2 /etc/hosts

 查看指定虚拟机

virt-df centos7.0

克隆

virt-clone -o centos7.0 -n test02 -f /data_kvm/stort/test02.qcow2
virsh list --all        #查看所有虚拟机

 快照，快照时间相隔越久，id越大

virsh snapshot-create test02
virsh snapshot-create test02
virsh snapshot-create test02

恢复快照

virsh snapshot-revert test02 快照id

查看快照

virsh snapshot-list test02

删除快照

virsh snapshot-delete test02 快照id

virsh snapshot-list test02