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KVM服務(wù)器架構(gòu)詳解
一、KVM虛擬化技術(shù)
KVM（Kernel-based Virtual Machine）是一種開源系統(tǒng)虛擬化模塊，自Linux 2.6.20內(nèi)核版本開始被集成到主要發(fā)行版中，KVM通過將Linux內(nèi)核轉(zhuǎn)換為一個hypervisor，允許在同一硬件上運行多個獨立的操作系統(tǒng)環(huán)境，KVM支持包括x86和ARM在內(nèi)的多種平臺，并逐漸成為主流的服務(wù)器虛擬化技術(shù)。
KVM的優(yōu)勢
1.1. 降低運營成本： 通過減少物理服務(wù)器的數(shù)量，降低了電力消耗和維護成本。
1.2. 提高應(yīng)用兼容性： 封裝性和隔離性使應(yīng)用在不同環(huán)境中獨立運行。
1.3. 加速應(yīng)用部署： 通過模板快速部署虛擬機，縮短了部署時間。
1.4. 提高資源利用率： 整合CPU、內(nèi)存、存儲等設(shè)備，提高了整體的資源利用率。
1.5. 動態(tài)調(diào)度資源： 靈活分配和調(diào)整虛擬機資源，適應(yīng)不同工作負載。
1.6. 降低能源消耗： 通過減少運行的物理服務(wù)器數(shù)量，實現(xiàn)了節(jié)能減排。
KVM的工作原理
KVM利用Linux內(nèi)核模塊實現(xiàn)CPU和內(nèi)存的虛擬化，而QEMU則用于模擬IO設(shè)備，通過這種方式，KVM可以在不修改客戶操作系統(tǒng)鏡像的情況下，同時運行多個虛擬機，每個虛擬機都可以配置個性化的硬件環(huán)境，如網(wǎng)卡、磁盤和圖形適配器，并且還能使用KSM（Kernel Samepage Merging）技術(shù)優(yōu)化內(nèi)存使用。
二、KVM虛擬化架構(gòu)
主流虛擬化架構(gòu)對比
在當前市場上，主要的虛擬化解決方案包括VMware ESXi、Xen和KVM，每種方案都有其獨特的優(yōu)勢和適用場景。
1.1. VMware ESXi
作為私有云領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，ESXi擁有強大的功能和廣泛的企業(yè)級應(yīng)用支持，其商業(yè)許可費用較高，適合大型企業(yè)使用。
1.2. Xen
由XenProject開發(fā)，支持高性能虛擬化，無需特殊硬件支持，適用于需要高性能和定制化需求的場景。
1.3. KVM
開源免費，靈活性高，社區(qū)支持廣泛，適用于各種規(guī)模的企業(yè)和公有云環(huán)境。
KVM虛擬化架構(gòu)
KVM虛擬化架構(gòu)主要由兩部分組成：KVM驅(qū)動和QEMU。
2.1. KVM驅(qū)動
現(xiàn)已成為Linux內(nèi)核的一部分，負責(zé)虛擬機的創(chuàng)建、內(nèi)存分配、VCPU寄存器的讀寫以及VCPU的運行。
2.2. QEMU
用于模擬虛擬機的用戶空間組件，提供I/O設(shè)備模型和外設(shè)訪問途徑。
CPU虛擬化
3.1. pCPU與vCPU
物理CPU（pCPU）是實際存在的CPU，而虛擬CPU（vCPU）是由hypervisor創(chuàng)建的邏輯CPU，KVM通過映射vCPU到pCPU來實現(xiàn)多任務(wù)處理。
3.2. 虛擬化類型對比
完全虛擬化（Full Virtualization）和準虛擬化（Paravirtualization）各有優(yōu)劣，完全虛擬化不需要修改客戶操作系統(tǒng)，但性能開銷較大；準虛擬化性能更高，但需要修改客戶操作系統(tǒng)。
3.3. KVM CPU虛擬化
KVM采用完全虛擬化方式，通過QEMU模擬IO設(shè)備，實現(xiàn)了高效的CPU虛擬化。
內(nèi)存虛擬化
4.1. EPT與VPID
擴展頁表（EPT）和虛擬處理器標識（VPID）是Intel和AMD分別提出的技術(shù)，用于提高內(nèi)存虛擬化的效率。
4.2. 透明大頁THB
透明大頁（THB）通過合并多個小頁面來減少頁表項的數(shù)量，從而提高內(nèi)存管理效率。
4.3. 內(nèi)存超分Over-commit
內(nèi)存超分技術(shù)允許分配給客戶機的內(nèi)存總量超過實際物理內(nèi)存，從而更高效地利用資源。
IO設(shè)備虛擬化
5.1. IO設(shè)備虛擬化
IO設(shè)備的虛擬化是通過模擬真實設(shè)備來實現(xiàn)的，使得每個虛擬機都能獨立訪問IO設(shè)備。
5.2. 設(shè)備模擬與virtio驅(qū)動
QEMU模擬傳統(tǒng)設(shè)備，而virtio驅(qū)動提供了一種半虛擬化的高效IO解決方案。
5.3. 設(shè)備直通與設(shè)備共享
設(shè)備直通（Direct I/O）和設(shè)備共享（Shared Devices）進一步提高了IO性能，特別是在高負載環(huán)境下。
5.4. 其他IO設(shè)備特性
KVM還支持熱插拔、IO限速等功能，增強了虛擬機的靈活性和可控性。
三、KVM虛擬化平臺部署
虛擬機資源配置
典型的虛擬機資源配置包括雙核雙線程CPU、8GB內(nèi)存、300GB硬盤和雙網(wǎng)卡，這些資源可以根據(jù)實際需求進行調(diào)整。
實驗環(huán)境優(yōu)化
為了提高虛擬機的性能，可以進行以下優(yōu)化：
反解DNS設(shè)置： 將SSH配置中的UseDNS設(shè)為NO，加快客戶端連接速度。
本地YUM倉庫： 制作本地YUM倉庫，加快軟件包下載速度。
安裝KVM及所需組件
3.1. 安裝GNOME桌面環(huán)境
對于某些需要圖形界面的應(yīng)用，可以安裝GNOME桌面環(huán)境。
yum groupinstall "GNOME Desktop Environment" -y systemctl set-default graphical.target
3.2. 安裝KVM及所需組件
yum install @kvm -y yum install qemu-kvm libvirt virt-install -y systemctl enable --now libvirtd systemctl enable --now kvm-libvirtd
3.3. 修改sshd配置文件
為了避免DNS解析帶來的延遲，可以修改SSH配置文件。
vim /etc/ssh/sshd_config
找到UseDNS一行，將其設(shè)置為NO。
UseDNS no :wq
創(chuàng)建和管理虛擬機
4.1. 創(chuàng)建鏡像目錄和磁盤文件目錄
mkdir -p /var/lib/libvirt/images/{ centos7, centos8 } 4.2. 創(chuàng)建虛擬機的磁盤文件
qemu-img create -f qcow2 /var/lib/libvirt/images/centos8/centos8.qcow2 40G
4.3. 創(chuàng)建虛擬機
virt-install --name centos8 --ram 4096 --vcpus 2 --disk path=/var/lib/libvirt/images/centos8/centos8.qcow2, --network network=default --graphics none --os-type linux --os-variant rhel8.0 --location /root/CentOS-8-x86_64-dvd1.iso
4.4. 配置虛擬機的網(wǎng)絡(luò)
可以通過NAT或橋接方式配置虛擬機的網(wǎng)絡(luò)，NAT模式適合測試環(huán)境，而橋接模式適合生產(chǎn)環(huán)境。
virsh net-define --persist default --incoming-interface enp2s0f0, --outgoing-interface br0, --forward mode userdata --masquerade sourcenat --dhcp enable --dns resolvconf --lease-days 7 --start immediately --autostart restart --persist on --controller user,org.libvirt.Controller,,userPasswordAuthentication,credentials=base64:"$(echo 'yourpassword' | base64)" --controller user,org.libvirt.Controller.qemuAgentSubprocess,address=192.168.122.1,192.168.122.254,192.168.122.1,192.168.122.254,192.168.122.1,192.168.122.254 --controller user,org.libvirt.Controller.qemuAgentCommand,0,address=192.168.122.122,192.168.122.254,192.168.122.1,192.168.122.254 --controller user,org,org.libvirt.Controller.qemuAgentCommand,0,address=192.168.122.122,192.168.122.254192.168.122.1,192.168.122.254 --controller user,org,org.libvirt.Controller.qemuAgentCommand0,enable=no --controller user,org,org.libvirt.Controller.qemuAgentCommand0,enable=no --controller user,org,org.libvirt.Controller.qemuAgentCommand0,enable=no --controller user,org,org.libvirt.Controller.qemuAgentCommand0,enable=no --controller user,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org,org... (truncated for readability)
四、常見問題解答（FAQs）
Q1: KVM與Xen的區(qū)別是什么？
A1: KVM和Xen都是流行的虛擬化技術(shù)，但它們在架構(gòu)和實現(xiàn)上有顯著差異：
架構(gòu)： KVM直接集成到Linux內(nèi)核中，而Xen作為一個輕量級的hypervisor運行在裸機上。
性能： KVM通常在CPU和內(nèi)存密集型任務(wù)中表現(xiàn)更好，而Xen在IO密集型任務(wù)中更具優(yōu)勢。
復(fù)雜度： KVM更容易安裝和使用，適合大多數(shù)用戶；Xen的配置和管理相對復(fù)雜，適合需要高級定制的場景。
社區(qū)支持： KVM有一個活躍的開源社區(qū)，提供豐富的文檔和支持資源；Xen也有強大的社區(qū)支持，但主要集中在企業(yè)級應(yīng)用。
Q2: KVM如何實現(xiàn)高效的資源管理和調(diào)度？
A2: KVM通過以下幾種機制實現(xiàn)高效的資源管理和調(diào)度：
內(nèi)核集成： KVM作為Linux內(nèi)核的一部分，可以直接訪問和管理底層硬件資源。
QEMU模擬： QEMU負責(zé)模擬IO設(shè)備，確保虛擬機能夠無縫訪問硬件資源。
內(nèi)存管理： KVM支持透明大頁（THB）和內(nèi)存超分（Over-commit），提高了內(nèi)存利用率。
CPU調(diào)度： KVM利用Linux進程調(diào)度器進行CPU資源分配，確保每個虛擬機公平地獲得計算資源。
動態(tài)資源調(diào)整： KVM允許在運行時動態(tài)調(diào)整虛擬機的資源分配，適應(yīng)不同的工作負載需求。
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