KVMLinux内核虚拟机的架构深入解析

　　Linux 既有良好的灵活性，在虚拟化方面同样出色。但是最近，随着内核虚拟机（KVM）的出现，Linux 虚拟化的前景发生了变化。KVM 是构成主流 Linux 内核（V2.6.20）一部分的第一个虚拟化解决方案。KVM 支持 Linux 客户操作系统的虚拟化 ?? 甚至支持其硬件对虚拟化敏感的 Windows 系统的虚拟化。了解 Linux KVM 的架构并了解它与内核的紧密集成为何会改变您使用 Linux 的方式。

　　简介

　　虚拟化 概念很早就已出现。简单来说，虚拟化就是使用某些程序，并使其看起来类似于其他程序的过程。将这个概念应用到计算机系统中可以让不同用户看到不同的单个系 统（例如，一台计算机可以同时运行 Linux 和 Microsoft Windows）。这通常称为全虚拟化（full virtualization）。

　　虚拟化也可以使用更加复杂的格式，其中单个计算机看上去具有多个架构（对于一个用户来说，它是一个标准的 x86 平台；对于另外一个用户来说，它是 IBM Power PC 平台）。这种虚拟化形式通常被称为 硬件仿真。

　　最后，更加简单的一种虚拟化是操作系统虚拟化，其中一台计算机可以运行相同类型的多个操作系统。这种虚拟化可以将一个操作系统的多个服务器隔离开来（这意味着全都必须使用相同类型和版本的操作系统）。

　　虚拟化和准虚拟化（para-virtualization）

　　虚拟化最常使用的两种方法是全虚拟化 和准虚拟化。使用全虚拟化，在虚拟化的操作系统和硬件之间存在一个层，用于决定访问。这个层称为系统管理程序 或虚拟机监视器（VMM）。准虚拟化与之类似，但是系统管理程序会以一种更具协作性的方式进行操作。这是因为每个客户操作系统都了解自己正在虚拟化模式中 运行，因此每个系统都与系统管理程序协作，来实现底层硬件的虚拟化。

　　全虚拟化的例子包括商业虚拟化解决方案 VMware，以及商业 IBM zSeries 计算机上使用的 IBM System z9 Virtual Machine（z/VM）操作系统。准虚拟化的例子有 Xen 和 User-Mode-Linux (UML)。 KVM 也被认为是一个全虚拟化解决方案，不过我们稍后再介绍这个问题。

　　虚拟化的工作原理

　　我们首先简要介绍一下虚拟化技术及其涉及的元素。虚拟化解决方案的底部是要进行虚拟化的机器。这台机器可能直接支持虚拟化，也可能不会直接支持虚拟化；那 么就需要系统管理程序 层的支持。系统管理程序，或称为 VMM，可以看作是平台硬件和操作系统的抽象化。在某些情况中，这个系统管理程序就是一个操作系统；此时，它就称为主机操作系统，如 图 1 所示。

图 1. 虚拟化的分层抽象

　　系统管理程序之上是客户机操作系统，也称为虚拟机（VM）。这些 VM 都是一些相互隔离的操作系统，将底层硬件平台视为自己所有。但是实际上，是系统管理程序为它们制造了这种假象。

　　目前使用虚拟化解决方案的问题是，并非所有硬件都可以很好地支持虚拟化。较老的 x86 处理器根据执行范围对特定指令会产生不同结果。这就产生了一个问题，因为系统管理程序应该只能在一个最受保护的范围中执行。由于这个原因，诸如 VMWare 之类的虚拟化解决方案会提前扫描要执行的代码，从而将这些指令替换为一些陷阱指令（trap instruction），这样系统管理程序就可以正确地处理它们。Xen 可以支持一种协作的虚拟化方法，它不需要任何修改，因为客户机知道自己正在进行虚拟化，并已经进行了修改。KVM 会简单地忽略这个问题，如果您希望进行虚拟化，就强制必须在更新的硬件上运行。

　　刚开始会觉得这有些不方便，但是考虑到目前上市的较新机器都可以支持虚拟化（例如 Intel VT 和 AMD SVM），用不了多久，这将成为标准方法而不是少数例外情况。

　　KVM 系统管理程序

　　考虑到虚拟化技术的发展时间并不长，KVM 实际上还是一种相对来说比较新的技术。目前存在各具功能的开源技术，例如 Xen、Bochs、UML、Linux-VServer 和 coLinux，但是 KVM 目前正在被大量使用。另外，KVM 不再仅仅是一个全虚拟化解决方案，而将成为更大的解决方案的一部分。

　　KVM 所使用的方法是通过简单地加载内核模块而将 Linux 内核转换为一个系统管理程序。这个内核模块导出了一个名为 /dev/kvm 的设备，它可以启用内核的客户模式（除了传统的内核模式和用户模式）。有了 /dev/kvm 设备，VM 使自己的地址空间独立于内核或运行着的任何其他 VM 的地址空间。设备树（/dev）中的设备对于所有用户空间进程来说都是通用的。但是每个打开 /dev/kvm 的进程看到的是不同的映射（为了支持 VM 间的隔离）。

　　KVM 然后会简单地将 Linux 内核转换成一个系统管理程序（在安装 kvm 内核模块时）。由于标准 Linux 内核就是一个系统管理程序，因此它会从对标准内核的修改中获益良多（内存支持、调度程序等）。对这些 Linux 组件进行优化（例如 2.6 版本内核中的新 O(1) 调度程序）都可以让系统管理程序（主机操作系统）和 Linux 客户操作系统同时受益。但是 KVM 并不是第一个这样做的程序。UML 很久以前就将 Linux 内核转换成一个系统管理程序了。使用内核作为一个系统管理程序，您就可以启动其他操作系统，例如另一个 Linux 内核或 Windows 系统。

　　KVM

　　安装 KVM 之后，您可以在用户空间启动客户操作系统。每个客户操作系统都是主机操作系统（或系统管理程序）的一个单个进程。 图 2 提供了一个使用 KVM 进行虚拟化的视图。底部是能够进行虚拟化的硬件平台（目前指的是 Intel VT 或 AMD-SVM 处理器）。在裸硬件上运行的是系统管理程序（带有 KVM 模块的 Linux 内核）。这个系统管理程序与可以运行其他应用程序的普通 Linux 内核类似。但是这个内核也可以支持通过 kvm 工具加载的客户操作系统。最后，客户操作系统可以支持主机操作系统所支持的相同应用程序。

图 2. 使用 KVM 的虚拟化组件

　　记住 KVM 只是虚拟化解决方案的一部分。处理器直接提供了虚拟化支持（可以为多个操作系统虚拟化处理器）。内存可以通过 kvm 进行虚拟化（这在下一节中将会讨论）。最后，I/O 通过一个稍加修改的 QEMU 进程（执行每个客户操作系统进程的一个拷贝）进行虚拟化。

Linux 既有良好的灵活性，在虚拟化方面同样出色。但是最近，随着内核虚拟机（KVM）的出现，Linux 虚拟化的前景发生了变化。KVM 是构成主流 Linux 内核（V2.6.20）一部分的第一个虚拟化解决方案。KVM 支持 Linux 客户操作系统的虚拟化 ?? 甚至支持其硬件对虚拟化敏感的 Windows 系统的虚拟化。了解 Linux KVM 的架构并了解它与内核的紧..