kvm虚拟机是做什么用的，kvm虚拟机是干什么的

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本文目录导读：

1. KVM虚拟机概述
2. KVM虚拟机的功能
3. KVM虚拟机的应用场景
4. KVM虚拟机的技术实现
5. KVM虚拟机的性能优化

《深入探究KVM虚拟机：功能、应用与技术解析》

KVM虚拟机概述

（一）KVM的定义与基本概念

KVM（Kernel - based Virtual Machine）是一种基于Linux内核的开源虚拟机技术，它利用Linux内核的虚拟化功能，将物理服务器的资源（如CPU、内存、磁盘、网络等）进行虚拟化分割，从而可以在一台物理主机上创建多个相互隔离的虚拟机实例，每个虚拟机都可以运行自己的操作系统，就好像是独立的物理计算机一样。

（二）KVM在虚拟化领域的地位

在当今的虚拟化市场中，KVM占据着重要的地位，它是Linux平台上主流的虚拟化解决方案之一，与其他商业和开源的虚拟化技术（如VMware、Xen等）竞争并有着自己独特的优势，KVM由于直接集成在Linux内核中，能够很好地利用Linux内核的各种特性，如内存管理、进程调度等，使得它在性能、稳定性和安全性方面表现出色，KVM的开源特性也吸引了众多开发者和企业的关注，他们可以根据自己的需求对KVM进行定制和优化。

KVM虚拟机的功能

（一）资源隔离与分配

1、CPU隔离

- KVM通过Linux内核的调度器实现对CPU资源的隔离，在多虚拟机环境下，每个虚拟机都可以被分配一定比例的CPU时间片，在一台拥有4个物理CPU核心的主机上，如果创建了4个虚拟机，并且平均分配CPU资源，那么每个虚拟机理论上可以获得相当于1个物理CPU核心的计算能力，KVM使用CPU亲和性（CPU Affinity）技术，将虚拟机的虚拟CPU（vCPU）绑定到特定的物理CPU核心上，这样可以减少CPU缓存的无效性，提高虚拟机的性能。

- KVM还支持对CPU资源的动态分配，当某个虚拟机的负载增加时，可以动态地为其分配更多的CPU时间片；而当负载降低时，又可以减少分配的CPU资源，从而提高整个物理主机资源的利用率。

2、内存隔离

- 内存是虚拟机运行的重要资源，KVM利用Linux内核的内存管理机制，为每个虚拟机分配独立的内存空间，它通过内存虚拟化技术，将物理内存划分为多个虚拟机可以使用的虚拟内存块，在一台拥有16GB物理内存的主机上，如果创建了2个虚拟机，每个虚拟机可以被分配8GB的虚拟内存。

- KVM采用了影子页表（Shadow Page Tables）技术来提高内存访问的效率，影子页表是一种在虚拟机监控器（VMM，即KVM模块本身）中维护的页表，它将虚拟机中的虚拟内存地址映射到物理内存地址，这样，在虚拟机进行内存访问时，可以通过影子页表快速定位到对应的物理内存地址，减少了内存访问的延迟，KVM还支持内存的过量使用（Memory Overcommitment），即允许虚拟机分配的总内存超过物理主机的实际内存大小，但需要合理配置以避免内存不足的情况。

3、磁盘和I/O隔离

- 在磁盘资源方面，KVM通过将物理磁盘划分为多个虚拟磁盘供虚拟机使用，每个虚拟机都有自己独立的磁盘分区或虚拟磁盘镜像文件，可以使用QEMU（Quick EMUlator，常与KVM一起使用）来创建虚拟机磁盘镜像，如.qcow2格式的镜像文件，这种镜像文件可以方便地进行复制、迁移等操作。

- 对于I/O隔离，KVM利用Linux内核的I/O调度器来实现，不同的I/O调度算法（如CFQ、Deadline、Noop等）可以根据虚拟机的需求进行选择，对于对磁盘I/O延迟要求较高的数据库虚拟机，可以选择Deadline调度算法，以优先满足其I/O请求；而对于普通的文件服务器虚拟机，可以选择CFQ调度算法，以实现公平的I/O资源分配。

（二）操作系统支持

1、多种操作系统兼容

- KVM具有广泛的操作系统支持能力，它可以支持多种Linux发行版作为虚拟机的操作系统，如Ubuntu、CentOS、Red Hat Enterprise Linux等，这是因为KVM本身是基于Linux内核的，与这些Linux发行版有着良好的兼容性。

- 除了Linux，KVM还可以支持Windows操作系统作为虚拟机的操作系统，无论是Windows Server版本还是Windows桌面版本，都可以在KVM虚拟机中运行，这使得企业可以在Linux服务器上同时运行Windows和Linux的应用程序，实现异构环境的整合，企业可以在KVM主机上创建一个Windows虚拟机来运行特定的Windows - only应用程序，如某些企业级的财务软件，同时在其他Linux虚拟机中运行基于Linux的服务，如Web服务器、邮件服务器等。

2、操作系统定制与安装

- 在KVM虚拟机中安装操作系统非常灵活，可以使用ISO镜像文件来安装操作系统，就像在物理计算机上安装操作系统一样，可以将CentOS的ISO镜像挂载到虚拟机的虚拟光驱上，然后启动虚拟机进行CentOS操作系统的安装。

- 企业或开发者还可以根据自己的需求定制虚拟机中的操作系统，可以在安装过程中选择特定的软件包进行安装，或者在安装完成后对操作系统进行配置，可以定制一个只包含Web服务器相关软件（如Apache、Nginx等）的Linux虚拟机，以提高虚拟机的安全性和性能。

（三）网络功能

1、虚拟网络配置

- KVM支持多种虚拟网络模式，最常见的是NAT（Network Address Translation）模式、桥接（Bridge）模式和仅主机（Host - Only）模式。

- 在NAT模式下，虚拟机通过主机的网络地址转换功能连接到外部网络，虚拟机的IP地址是内部网络地址，主机作为虚拟机与外部网络的网关，这种模式适合于虚拟机不需要直接暴露在外部网络的情况，如内部开发环境中的测试虚拟机。

- 桥接模式则将虚拟机直接连接到物理网络上，虚拟机就像一台独立的物理计算机一样拥有自己的外部网络IP地址，这种模式适用于需要虚拟机直接与外部网络设备（如其他物理服务器、网络打印机等）进行通信的场景，如企业中的生产服务器虚拟机。

- 仅主机模式下，虚拟机只能与主机以及同一主机上的其他仅主机模式的虚拟机进行通信，形成一个内部的封闭网络，这种模式可用于构建内部的测试网络或者安全隔离的网络环境。

2、网络性能优化

- KVM通过优化网络数据包的处理来提高网络性能，它利用Linux内核的网络协议栈，支持诸如TCP/IP协议的加速技术，通过启用TCP分段卸载（TCP Segmentation Offload，TSO）、大接收卸载（Large Receive Offload，LRO）等技术，可以减少CPU在网络数据处理方面的开销。

- KVM还可以通过调整网络缓冲区的大小来优化网络性能，合理设置发送和接收缓冲区的大小，可以减少网络拥塞，提高网络数据的传输效率，对于高带宽需求的虚拟机，可以适当增大网络缓冲区的大小，以适应大量数据的传输。

KVM虚拟机的应用场景

（一）企业数据中心

1、服务器整合

- 在企业数据中心中，KVM可以用于服务器整合，许多企业存在大量利用率不高的物理服务器，通过将这些服务器上的应用程序迁移到KVM虚拟机中，并将多个虚拟机整合到一台物理主机上，可以大大提高服务器的利用率，降低硬件成本和能源消耗，一个企业有10台物理服务器，每台服务器的平均利用率只有20% - 30%，通过使用KVM虚拟机技术，将这些服务器上的应用整合到3 - 4台物理主机上，每台主机上运行多个虚拟机，每个虚拟机对应原来物理服务器上的一个应用。

- 服务器整合还可以简化数据中心的管理，管理人员可以通过KVM的管理工具对多个虚拟机进行统一管理，而不需要分别管理多台物理服务器，可以使用Libvirt工具来管理KVM虚拟机，通过Libvirt可以实现虚拟机的创建、启动、停止、迁移等操作，大大提高了管理效率。

2、灾备与业务连续性

- KVM虚拟机在企业数据中心的灾备方面也发挥着重要作用，可以通过定期对虚拟机进行备份，如创建虚拟机的快照（Snapshot），虚拟机快照是虚拟机在某个时间点的状态备份，包括虚拟机的磁盘状态、内存状态等，如果发生灾难（如硬件故障、软件故障、数据丢失等），可以快速从快照中恢复虚拟机的运行。

- KVM还支持虚拟机的实时迁移（Live Migration），实时迁移可以在不中断虚拟机业务运行的情况下，将虚拟机从一台物理主机迁移到另一台物理主机，这对于企业的业务连续性非常重要，当一台物理主机需要进行维护（如硬件升级、软件更新等）时，可以将运行在该主机上的虚拟机实时迁移到其他主机上，确保业务的不间断运行。

（二）软件开发与测试

1、多环境测试

- 在软件开发过程中，需要在不同的操作系统和环境下进行测试，KVM虚拟机可以方便地创建各种操作系统环境的虚拟机，如不同版本的Linux、Windows等，开发人员可以在这些虚拟机中安装和测试他们的软件，确保软件在不同环境下的兼容性，一个软件开发团队开发了一款跨平台的应用程序，需要在Ubuntu 18.04、CentOS 7和Windows 10等环境下进行测试，他们可以使用KVM创建这三个操作系统的虚拟机，然后在每个虚拟机中安装和运行该应用程序进行测试。

- KVM虚拟机还可以用于测试软件在不同网络环境下的性能，通过配置虚拟机的不同网络模式（如NAT、桥接、仅主机模式），可以模拟软件在不同网络拓扑结构下的运行情况，对于一款网络应用程序，可以在桥接模式的虚拟机中测试其在企业网络环境下的性能，在NAT模式的虚拟机中测试其在家庭网络环境下的性能。

2、开发环境隔离

- 为了避免不同开发项目之间的相互干扰，开发团队可以使用KVM虚拟机创建独立的开发环境，每个开发项目可以在自己的虚拟机中进行开发，虚拟机可以根据项目的需求进行定制化配置，一个开发团队同时进行两个项目，一个项目需要Python 2.7环境，另一个项目需要Python 3.6环境，他们可以创建两个KVM虚拟机，在一个虚拟机中安装Python 2.7及其相关开发工具，在另一个虚拟机中安装Python 3.6及其相关开发工具，这样可以保证两个项目的开发环境相互独立，不会因为环境冲突而影响开发进度。

（三）云计算平台

1、IaaS层基础架构

- 在云计算平台的基础设施即服务（IaaS）层，KVM是一种常用的虚拟化技术，云服务提供商可以使用KVM在其数据中心的物理服务器上创建大量的虚拟机，然后将这些虚拟机作为云资源出租给用户，用户可以根据自己的需求选择不同配置（如CPU、内存、磁盘大小等）的虚拟机，一个云服务提供商使用KVM创建了一系列不同配置的虚拟机，包括1核CPU、2GB内存、50GB磁盘的小型虚拟机，以及4核CPU、8GB内存、200GB磁盘的大型虚拟机，用户可以根据自己的业务需求租用这些虚拟机来部署自己的应用程序。

- KVM的开源特性使得云服务提供商可以根据自己的业务模式对其进行定制化开发，他们可以开发自己的虚拟机管理界面，集成计费系统等功能，以提供更加个性化的云服务。

2、云资源管理与调度

- 在云计算环境中，KVM虚拟机需要与云资源管理和调度系统相结合，通过资源管理系统，可以对虚拟机的资源（如CPU、内存、磁盘等）进行监控和统计，可以实时监测虚拟机的CPU使用率、内存使用率等指标，当某个虚拟机的资源使用率过高时，可以采取相应的措施，如为其分配更多的资源或者进行虚拟机的迁移。

- 云资源调度系统可以根据用户的需求和物理主机的资源状况，合理地调度KVM虚拟机，当有新用户申请虚拟机资源时，调度系统可以根据物理主机的剩余资源情况，选择最合适的主机来创建虚拟机；当物理主机的资源紧张时，调度系统可以将一些低负载的虚拟机迁移到其他资源充足的主机上，以实现云资源的优化配置。

KVM虚拟机的技术实现

（一）KVM内核模块

1、模块架构

- KVM内核模块是KVM虚拟机技术的核心部分，它的架构设计紧密结合了Linux内核的体系结构，KVM内核模块主要由两部分组成：一是虚拟机管理部分，负责虚拟机的创建、启动、停止等操作；二是硬件虚拟化支持部分，负责与物理硬件（如CPU、内存等）进行交互，实现硬件资源的虚拟化。

- 在虚拟机管理部分，KVM内核模块通过与Linux内核的进程管理、内存管理等子系统进行协作，在创建虚拟机时，它会利用Linux内核的进程创建机制来创建一个代表虚拟机的进程，这个进程将负责虚拟机的运行管理，在内存管理方面，KVM内核模块会与Linux内核的内存管理子系统协调，为虚拟机分配和管理内存资源。

- 在硬件虚拟化支持部分，KVM内核模块利用了现代CPU的硬件虚拟化技术，如Intel的VT - x技术和AMD的AMD - V技术，这些技术允许CPU在硬件层面上支持虚拟机的运行，KVM内核模块通过与CPU的交互，将物理CPU的功能进行虚拟化，为虚拟机提供虚拟CPU（vCPU）的支持。

2、模块功能实现细节

- 在KVM内核模块的功能实现方面，对于虚拟机的创建过程，首先需要分配必要的内核数据结构空间，如虚拟机控制结构（VMCS）等，根据用户指定的虚拟机配置（如CPU数量、内存大小等），初始化这些数据结构，当创建一个具有2个vCPU和4GB内存的虚拟机时，KVM内核模块会在内存中创建相应大小的控制结构，并对其进行初始化，设置每个vCPU的初始状态、内存映射关系等。

- 在虚拟机的运行过程中，KVM内核模块负责处理虚拟机的各种指令，当虚拟机中的操作系统发出指令时，这些指令会被KVM内核模块截获，对于普通指令，KVM内核模块可以直接在物理硬件上执行；而对于特权指令（如访问物理设备、修改系统状态等指令），KVM内核模块需要进行特殊处理，以确保虚拟机的安全性和隔离性，当虚拟机中的操作系统试图直接访问物理磁盘时，KVM内核模块会将这个指令转换为对虚拟机磁盘镜像文件的访问操作，而不是直接允许其访问物理磁盘。

（二）QEMU的作用

1、QEMU与KVM的关系

- QEMU是一个开源的模拟器，在KVM虚拟机技术中扮演着重要的角色，QEMU与KVM密切配合，共同实现虚拟机的功能，KVM负责提供硬件虚拟化支持，而QEMU则负责虚拟机的模拟部分，QEMU可以模拟各种硬件设备，如磁盘、网络接口卡、显卡等，为虚拟机提供一个完整的硬件模拟环境。

- 虽然KVM本身可以利用CPU的硬件虚拟化技术实现虚拟机的运行，但如果没有QEMU的配合，虚拟机将缺乏完整的硬件模拟，QEMU可以将KVM提供的虚拟化硬件环境进行进一步的细化和补充，使得虚拟机能够运行各种不同类型的操作系统和应用程序。

2、QEMU的功能实现

- QEMU通过软件模拟的方式实现对硬件设备的模拟，对于磁盘设备，QEMU可以将虚拟机的磁盘镜像文件（如.qcow2格式）模拟成真实的磁盘设备，它通过处理虚拟机对磁盘的读写操作，将这些操作转换为对磁盘镜像文件的相应操作，当虚拟机中的操作系统向磁盘写入数据时，QEMU会将这些数据写入到对应的磁盘镜像文件中的相应位置。

- 在网络设备模拟方面，QEMU可以模拟不同类型的网络接口卡，如Ethernet网卡，它可以处理虚拟机与外部网络之间的网络数据包交换，根据虚拟机的网络模式（如NAT、桥接等），将虚拟机发出的网络数据包进行相应的处理，如进行网络地址转换或者直接将数据包转发到物理网络上。

（三）虚拟机监控与管理工具

1、Libvirt

- Libvirt是一个用于管理虚拟机的开源工具包，它提供了一套统一的API来管理不同的虚拟机技术，包括KVM，Libvirt可以对KVM虚拟机进行全面的管理，如虚拟机的创建、启动、停止、暂停、恢复等操作。

- 通过Libvirt的API，开发人员和管理员可以编写脚本来自动化虚拟机的管理任务，可以编写一个脚本来定期创建虚拟机的快照，或者根据物理主机的资源使用情况自动启动或停止虚拟机，Libvirt还支持对虚拟机的远程管理，管理员可以通过网络远程登录到Libvirt管理服务器，对KVM虚拟机进行管理操作，这对于大规模数据中心的管理非常方便。

2、Virt - Manager

- Virt - Manager是一个基于Libvirt的图形化虚拟机管理工具，它为管理员提供了一个直观的界面来管理KVM虚拟机，通过Virt - Manager，管理员可以轻松地创建虚拟机，配置虚拟机的各种参数（如CPU数量、内存大小、磁盘大小、网络模式等），并且可以实时查看虚拟机的运行状态。

- Virt - Manager还支持对虚拟机的克隆操作，克隆虚拟机可以快速创建与现有虚拟机具有相同配置和软件安装情况的新虚拟机，这对于在软件开发和测试环境中快速创建多个相同环境的虚拟机非常有用，在测试一个软件的多节点部署时，可以先创建一个测试虚拟机，然后通过Virt - Manager克隆出多个相同的虚拟机来模拟多节点的环境。

KVM虚拟机的性能优化

（一）硬件层面优化

1、CPU优化

- 在硬件层面，对于CPU