教學(xué)ppt第2章 qemu-kvm介紹

1、第二章 Qemu-kvm介紹北京西普陽光教育科技股份有限公司授課講師：顧軍林目 錄ContentsQemu支持的磁盤格式介紹KVM原理簡介0501Qemu-kvm虛擬化環(huán)境搭建Qemu原理介紹0602Qemu-img生產(chǎn)虛擬機(jī)硬盤KVM和Qemu的關(guān)系070308Qemu-kvm命令創(chuàng)建虛擬機(jī)04Qemu工具介紹01KVM原理簡介內(nèi)核模式KVMDriver客戶模式Guest OS用戶模式的qemu利用libkvm通過ioctl進(jìn)入內(nèi)核模式，kvm模塊為虛擬機(jī)創(chuàng)建虛擬內(nèi)存，虛擬CPU后執(zhí)行VMLauch 指令進(jìn)入客戶模式。加載Guest OS并執(zhí)行。如果Guest OS 發(fā)用戶模式Qemu執(zhí)行L

2、OCTL系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入客戶模式執(zhí)行客戶代碼生外部中斷或者頁表缺頁之類的情況，會(huì)暫停Guest OS的Yes執(zhí)行，退出客戶模式，執(zhí)行異常處理，之后重新進(jìn)入客戶模式，I/ONo信號到達(dá)就會(huì)進(jìn)入用戶模式處理。VMX Root OperationVMX Non-Root Operation處理I/O處理退出開始KVM工作流程如圖所示，左側(cè)部分是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Linux操作系統(tǒng)，可以是RHEL、Fedora、Ubuntu等。KVM內(nèi)核模塊在運(yùn)行時(shí)按需加載進(jìn)入內(nèi)核空間運(yùn)行。KVM本身不執(zhí)行任何設(shè)備模擬，需要用戶空間程序QEMU通過/dev/kvm接口設(shè)置一個(gè)虛擬客戶機(jī)的地址空間，向它提供模擬的I/O設(shè)備，并將它

3、的視頻顯示映射回宿主機(jī)的顯示屏。Linux（Host）用戶空間內(nèi)核空間KVM模塊硬件系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備內(nèi)存處理器QEMU虛擬機(jī)1虛擬硬件虛擬機(jī)1虛擬硬件KVM架構(gòu)KVM模塊KVM模塊是KVM虛擬機(jī)的核心部分。其主要功能是初始化CPU硬件，打開虛擬化模式，然后將虛擬客戶機(jī)運(yùn)行在虛擬機(jī)模式下，并對虛擬客戶機(jī)的運(yùn)行提供一定的支持。KVM模塊加載之初，只存在/dev/kvm文件，而針對該文件的最重要的IOCTL調(diào)用就是“創(chuàng)建虛擬機(jī)”。在這里，“創(chuàng)建虛擬機(jī)”可以理解成KVM為了某個(gè)特定的虛擬客戶機(jī)（用戶空間程序創(chuàng)建并初始化）創(chuàng)建對應(yīng)的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。處理器對設(shè)備的訪問主要是通過IO指令和MMIO，其中IO指

4、令會(huì)被處理器直接截獲，MMIO會(huì)通過配置內(nèi)存虛擬化來捕捉。但是，外設(shè)的模擬一般并不由KVM模塊負(fù)責(zé)。一般來說，只有對性能要求比較高的虛擬設(shè)備才會(huì)由KVM內(nèi)核模塊來直接負(fù)責(zé)，比如虛擬終端控制器和虛擬時(shí)鐘，這樣可以大量減少處理器的模式切換的開銷。02Qemu原理介紹APPsAPPsAPPsQEMU模塊客戶機(jī)系統(tǒng)（Guest）客戶機(jī)系統(tǒng)客戶機(jī)系統(tǒng)（Guest）（Guest）.QEMU（X86架構(gòu)）QEMU（ARM架構(gòu)）QEMU（X86架構(gòu)）宿主系統(tǒng)（Host）.硬件平臺（X86架構(gòu)）Qemu是純軟件實(shí)現(xiàn)的虛擬化模擬器，幾乎可以模擬任何硬件設(shè)備，是一個(gè)完整的可以運(yùn)行的軟件，非常靈活可移植，我們最熟悉的

5、就是能夠模擬一臺能夠獨(dú)立運(yùn)行操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)，虛擬機(jī)認(rèn)為自己和硬件打交道，但其實(shí)是和Qemu模擬出來的硬件打交道，Qemu將這些指令轉(zhuǎn)譯給真正的硬件。CPU模擬CPU模擬CPU模擬CPU模擬Qemu架構(gòu)Qemu模塊QEMU本身并不是KVM的一部分，其自身就是一個(gè)著名的開源虛擬機(jī)軟件。與KVM不同，QEMU虛擬機(jī)是一個(gè)純軟件的實(shí)現(xiàn)，所以性能地下。但是，其優(yōu)點(diǎn)是在支持QEMU本身編譯運(yùn)行的平臺上就可以實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的功能，甚至虛擬機(jī)可以與宿主機(jī)并不是同一個(gè)架構(gòu)。作為一個(gè)存在已久的虛擬機(jī)，QEMU的代碼中有整套的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)，包括處理器虛擬化、內(nèi)存虛擬化，以及KVM使用到的虛擬設(shè)備模擬（比如網(wǎng)卡、顯卡、存

6、儲控制器和硬盤等）。從QEMU和KVM模塊之間的關(guān)系可以看出，這是典型的開源社區(qū)在代碼共用和開發(fā)項(xiàng)目共用上面的合作。誠然，QEMU可以選擇其他的虛擬機(jī)或技術(shù)來加速， 比如Xen或者KQEMU；KVM也可以選擇其他的用戶空間程序作為虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)，只要它按照KVM提供的API來設(shè)計(jì)。但是在現(xiàn)實(shí)中，QEMU與KVM兩者的結(jié)合是最成熟的選擇，這對一個(gè)新開發(fā)和后起的項(xiàng)目（KVM）來說，無疑多了一份未來成功的保障。QemuQemuQemuLibkvm/dev/kqemu/dev/kvmKqemukvmLinux內(nèi)核空間1) 第一種模式是通過kqemu模塊實(shí)現(xiàn)內(nèi)核態(tài)的加速。2) 第二種模式是在用戶態(tài)直接運(yùn)行Q

7、EMU，由QEMU對目標(biāo)機(jī)的 所有指令進(jìn)行翻譯后執(zhí)行，相當(dāng)于全虛擬化。3) 第三種模式則是KVM官方提供的kvm-qemu加速模式。Qemu的三種運(yùn)行模式Qemu的特點(diǎn)（1）QEMU的兩種操作模式：完整的系統(tǒng)仿真和用戶模式仿真。（2） QEMU具有以下特點(diǎn)： QEMU可以在沒有主機(jī)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序的情況下運(yùn)行。 它適用于多種操作系統(tǒng)（GNU / Linux，* BSD， Mac OS X，Windows）和體系結(jié)構(gòu)。 它執(zhí)行FPU的精確軟件仿真。（3） QEMU用戶模式仿真具有以下功能： 通用Linux系統(tǒng)調(diào)用轉(zhuǎn)換器，包括大部分ioctls。 使用本機(jī)CPU clone的仿真為線程使用Linux調(diào)

8、度程序。 通過將主機(jī)信號重新映射到目標(biāo)信號來實(shí)現(xiàn)精確信號處理。Qemu的特點(diǎn)（4） QEMU全系統(tǒng)仿真具有以下特點(diǎn)： QEMU使用完整的軟件MMU來實(shí)現(xiàn)最大的便攜性。 QEMU可以選擇使用內(nèi)核加速器，如kvm。加速器本地執(zhí)行大部分客戶代碼，同時(shí)繼續(xù)模擬機(jī)器的其余部分。 可以仿真各種硬件設(shè)備，并且在某些情況下，客戶機(jī)操作系統(tǒng)可以透明地使用主機(jī)設(shè)備（例如串行和并行端口，USB，驅(qū)動(dòng)器）。主機(jī)設(shè)備傳遞可用于與外部物理外圍設(shè)備（例如網(wǎng)絡(luò)攝像頭，調(diào)制解調(diào)器或磁帶驅(qū)動(dòng)器）交談。 對稱多處理（SMP）支持。目前，內(nèi)核加速器需要使用多個(gè)主機(jī)CPU進(jìn)行仿真。03KVM和Qemu的關(guān)系KVM和Qemu的關(guān)系 Qe

9、mu是一個(gè)獨(dú)立的虛擬化解決方案，通過intel-VT 或AMD SVM實(shí)現(xiàn)全虛擬化，安裝qemu的系統(tǒng)，可以直接模擬出另一個(gè)完全不同的系統(tǒng)環(huán)境。QEMU本身可以不依賴于KVM，但是如果有KVM的存在并且硬件(處理器)支持比如Intel VT功能，那么QEMU在對處理器虛擬化這一塊可以利用KVM提供的功能來提升性能。 KVM是集成到Linux內(nèi)核的Hypervisor，是X86架構(gòu)且硬件支持虛擬化技術(shù)（Intel-VT或AMD-V）的Linux的全虛擬化解決方案。它是Linux的一個(gè)很小的模塊，利用Linux做大量的事，如任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理與硬件設(shè)備交互等。準(zhǔn)確來說，KVM是Linux kern

10、el的一個(gè)模塊。04Qemu工具介紹qemu-imgqemu-img是QEMU的磁盤管理工具，在qemu-kvm源碼編譯后就會(huì)默認(rèn)編譯好qemu-img這個(gè)二進(jìn)制文件。qemu-img也是QEMU/KVM使用過程中一個(gè)比較重要的工具。下面我們將幾條重要的選項(xiàng)講解一下。 check -f fmt filename對磁盤鏡像文件進(jìn)行一致性檢查，查找鏡像文件中的錯(cuò)誤，目前僅支持對“qcow2”、“qed”、“vdi”格式文件的檢查。 create -f fmt -o options filename size創(chuàng)建一個(gè)格式為fmt大小為size文件名為filename的鏡像文件。 commit -f

11、fmt -t cache filename提交filename文件中的更改到后端支持鏡像文件（創(chuàng)建時(shí)通過backing_file指定的）中去。 convert -c -p -f fmt -t cache -O output_fmt -o options -s snapshot_name -S sparse_size filename filename2 . output_filename 將fmt格式的filename鏡像文件根據(jù)options選項(xiàng)轉(zhuǎn)換為格式為output_fmt的名為output_filename的鏡像文件。qemu-img info -f fmt filename展示fil

12、ename鏡像文件的信息。 snapshot -l | -a snapshot | -c snapshot | -d snapshot filename“-l” 選項(xiàng)是查詢并列出鏡像文件中的所有快照，“-a snapshot”是讓鏡像文件使用某個(gè)快照，“-c snapshot”是創(chuàng)建一個(gè)快照，“-d”是刪除一個(gè)快照。 rebase -f fmt -t cache -p -u -b backing_file -F backing_fmtfilename改變鏡像文件的后端鏡像文件，只有qcow2和qed格式支持rebase命令。 resize filename + | -size改變鏡像文件的大小

13、，使其不同于創(chuàng)建之時(shí)的大小。qemu-kvm此命令用于創(chuàng)建虛擬機(jī)，其使用格式為“qemu-kvm options disk_image”， 其選項(xiàng)非常多，大致可分為如下幾類：標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)； USB選項(xiàng)； 顯示選項(xiàng)；i386平臺專用選項(xiàng)； 網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)；字符設(shè)備選項(xiàng)； 藍(lán)牙相關(guān)選項(xiàng)；Linux系統(tǒng)引導(dǎo)專用選項(xiàng)； 調(diào)試/專家模式選項(xiàng)； PowerPC 專 用 選 項(xiàng) ； Sparc32專用選項(xiàng)。下面我們將講解幾個(gè)重要的選項(xiàng)。qemu-kvm qemu-kvm的標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)該選項(xiàng)主要涉及指定主機(jī)類型、CPU模式、NUMA、軟驅(qū)設(shè)備、光驅(qū)設(shè)備及硬件設(shè)備等。 qemu-kvm的顯示選項(xiàng)該選項(xiàng)主要用來配置虛擬機(jī)的顯示

14、狀態(tài)。 網(wǎng)絡(luò)屬性相關(guān)選項(xiàng)：該選項(xiàng)用來配置虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)信息。具體選項(xiàng)參考教科書上內(nèi)容。qemu-gaqga是一個(gè)運(yùn)行在虛擬機(jī)內(nèi)部的普通應(yīng)用程序（可執(zhí)行文件名稱默認(rèn)為qemu- ga，服務(wù)名稱默認(rèn)為qemu-guest-agent），其目的是實(shí)現(xiàn)一種宿主機(jī)和虛擬機(jī)進(jìn)行交互的方式，這種方式不依賴于網(wǎng)絡(luò)，而是依賴于virtio-serial（默認(rèn)首選方式） 或者isa-serial，而QEMU則提供了串口設(shè)備的模擬及數(shù)據(jù)交換的通道，最終呈現(xiàn)出來的是一個(gè)串口設(shè)備（虛擬機(jī)內(nèi)部）和一個(gè)unix socket文件（宿主機(jī)上）。qga通過讀寫串口設(shè)備與宿主機(jī)上的socket通道進(jìn)行交互，宿主機(jī)上可以使用普通的u

15、nix socket讀寫方式對socket文件進(jìn)行讀寫，最終實(shí)現(xiàn)與qga的交互，交互的協(xié)議與qmp（QEMU Monitor Protocol）相同（簡單來說就是使用JSON格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換），串口設(shè)備的速率通常都較低，所以比較適合小數(shù)據(jù)量的交換。qemu-io這是一個(gè)執(zhí)行 Qemu I/O 操作的命令行工具，可以對qemu-img創(chuàng)建的鏡像進(jìn)行I/O測試，其幫助文檔為，使用格式為qemu-io -h -V -rsnm -c cmd . file，下面是常用的選項(xiàng)：（1）-c, -cmd：執(zhí)行指令；（2）-r, -read-only：設(shè)置出口為只讀模式；（3）-s, -snapshot：使用快

16、照文件進(jìn)行測試；（4）-n, -nocache：禁用主機(jī)緩存；（5）-k, -native-aio：使用內(nèi)核AIO實(shí)現(xiàn)（僅在Linux上）；（6）-t, -cache=MODE：對image使用指定的緩存模式。qemu-nbdqemu-nbd在有的系統(tǒng)上叫kvm-nbd，qemu-nbd-xen等。基本上都一樣。用qemu-nbd實(shí)現(xiàn)mount虛擬硬盤到Host上的功能。網(wǎng)絡(luò)塊設(shè)備: Network Block Device?？梢詫⒁粋€(gè)遠(yuǎn)程主機(jī)的磁盤空間，當(dāng)作一個(gè)塊設(shè)備來使用，就像一塊硬盤一樣。使用它，可以很方便的將另一臺服務(wù)器的硬盤空間增加到本地服務(wù)器上。NBD與NFS有所不同，NFS只是提

17、供一個(gè)掛載點(diǎn)供客戶端使用，客戶端無法改變這個(gè)掛載點(diǎn)的分區(qū)格式。而NBD提供的是一個(gè)塊設(shè)備，客戶端可以把這個(gè)塊設(shè)備格式化成各種類型的分區(qū)，更便于用戶的使用。05Qemu支持的磁盤格式介紹qemu-nbdqemu-img支持非常多種的文件格式，我們可以通過“qemu-img -help”查看幫助文檔得到，它支持二十多種格式：vvfat、vpc、vmdk、vhdx、vdi、ssh、sheepdog、rbd、raw、host_cdrom、host_floppy、host_device、file qed、qcow2、qcow、parallels、nbd、iscsi、gluster、 dmg、tftp、f

18、tps、ftp、https、http、cloop、bochs、blkverify、blkdebug。下面對其中幾種常用的文件格式做簡單的介紹。rawraw格式是簡單的二進(jìn)制鏡像文件，一次性會(huì)把分配的磁盤空間占用。host_device在需要將鏡像轉(zhuǎn)化到不支持空洞的磁盤設(shè)備時(shí)需要用這種格式來代替raw格式。qcow2qcow2是QEMU目前推薦的鏡像格式，它是功能最多的格式。qemu-nbd qcow較舊的QEMU鏡像格式，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用了，一般用于兼容比較老版本的QEMU。它支持backing_file（后端鏡像）和encryption（加密）兩個(gè)選項(xiàng)。 cowcopy-on-write f

19、ormat，寫時(shí)復(fù)制格式。曾經(jīng)qemu的寫時(shí)拷貝的鏡像格式，目前由于歷史遺留原因不支持窗口模式，后來被qcow格式所取代。 vdi兼容Oracle（Sun）VirtualBox1.1的鏡像文件格式（Virtual Disk Image）。 vmdkVMDK（VMWare Virtual Machine Disk Format）是虛擬機(jī)VMware創(chuàng)建的虛擬硬盤格式，文件存在于VMware文件系統(tǒng)中，被稱為VMFS（虛擬機(jī)文件系統(tǒng)）。qemu-nbd vpc兼容Microsoft的Virtual PC的鏡像文件格式（Virtual Hard Disk format）。 sheepdogSheepdog項(xiàng)目是由日本的NTT實(shí)驗(yàn)室發(fā)起的，為QEMU/KVM做的一個(gè)開源的分布式存儲系統(tǒng)，為KVM虛擬化提供塊存儲。 cloop壓縮的loop格式，主要用于可直接引導(dǎo)優(yōu)盤或者光盤的一種鏡像格式。06實(shí)驗(yàn)一：Qemu-kvm虛擬化環(huán)境搭建Qemu-kvm虛擬化環(huán)境搭建一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握使用VMware Workstation創(chuàng)建虛擬機(jī)； 掌握安裝過程中如何配置虛擬化； 了解如何在沒有虛擬化環(huán)境下安裝軟件包實(shí)現(xiàn)qemu-kvm環(huán)境； 學(xué)會(huì)配置vncserver環(huán)境。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通過VMware Workstation創(chuàng)建一臺虛擬機(jī)，并將其虛擬化引擎設(shè)置為Intel V