基于KVM的虚拟化技术研究

2024年6月3日发(作者：)

基于KVM的虚拟化技术研究

作者：彭晓平，张雪坚，黄波

来源：《中国新通信》 2017年第20期

彭晓平，张雪坚，黄波

【摘要】 近年来，虚拟化技术发展迅速 , 尤其是 KVM 虚拟化技术已经被整合到 linux

内核中，其特点是能快速进行资源的整合 , 进而最大限度的对已整合资源进行分配，KVM 虚拟

化是基于 Linux 内核的开源虚拟机平台 , 是硬件虚拟化的扩展及 QEMU 的升级版，在很大程

度上已取代 Xen 成为 Linux 系统上创建和支持虚拟机的默认开源方案，文中解释了基于硬件

虚拟化技术解决方案 Kernel-based Virtual Machine（KVM）的系统架构，深入地剖析了 KVM

虚拟机的核心技术和工作原理，分析了 KVM 的虚拟化拓扑结构灵活、硬件配置方案简单以及数

据统一集中管理。

【关键词】 虚拟化 KVM 架构

引言

虚拟化技术最早出现在大型机时代。上世纪 60 年代，IBM 开始在其 CP-40 大型机系统中

尝试虚拟化的实现，后来在 System/360-67 中采用，并衍生出 VM/CMS 到后来的 z/VM等产品

线，这项技术极大地提高了大型机资源利用率，由于当时软硬件水平的限制，只应用于少数型

号的大型机上。20世纪 90 年代后期，随着微处理器性能的不断提升以及多核处理器的发展，

使得 KVM 虚拟化技术开始迅速升温，这项属于大型机及专利的技术开始在普通 X86 计算机上

应用并成为当前计算机发展和研究的一个热点方向。目前，无论是在高性能服务器领域，还是

在云计算等领域，KVM 虚拟化技术的应用都得到了蓬勃发展。

一、KVM 虚拟化技术概述

KVM (Kernel-based Virtual Machine， 基于内核的虚拟机)，是一种用于 Linux 内核中

的虚拟化基础设施，是硬件支持虚拟化技术（Intel VT 或 AMD-V）的 Linux 的全虚拟化解决

方案。KVM 采用寄居式虚拟化架构，是 Linux 内核中的一个可装载模块，KVM 本身不执行任何

硬件模拟，需要修改过的QEMU 向它提供模拟的 I/O，其功能是将 Linux 内核转换成一个裸金

属架构的 Hypervisor，实际上 KVM 只是虚拟化解决方案的一部分，其底层需要处理器支持，

为多个操作系统提供虚拟化处理器，I/O 通过修改过的 QE-MU 进行的。KVM 最初是由以色列的

公司 Qumranet 开发，并于 2006 年 12 月被合并在发布于 2007 年 2 月的 linux 2.6.20 内

核中。RedHat 公司在 2008 年 9 月收购 Qumranet 公司后，在 RHEL 6 及以后发行版中使用

KVM 作为默认的虚拟化引擎。KVM 是免费的开源系统并在迅速发展当中，是目前唯一进入

Linux 核心的虚拟化解决方案。其架构如图 1 所示。

上图 kvm 已经是内核模块，被看作是一个标准的 linux字符集设备（/dev/kvm）。Qemu

通过 libkvm 应用程序接口，用 fd 通过 ioctl 向设备驱动来发送创建，运行虚拟机命令。

KVM 包含内核模块和处理器模块两部分，内核模块 提供核心的虚拟化支持，处理器模

块 kvm-inte1．ko 和 kvm-amd．ko 分别提供了对 Intel 和 AMD 处理器虚拟化技术的支持，

实现客户模式的切换，处理因为 I/O 或者其他指令引起的从客户模式退出（VM_EXIT）,kvm 模

块工作在这个模式下。KVM 通过加载 内核模块将 Linux 内核转换为一个

VirtualMachineMonitor(VMM，Hypervisor)，因此 KVM 可以随着 Linux 标准内核的升级而获

得性能提升 ( 如调度程序、内存支持等 )。虚拟机对应成为标准的 Linux 进程，因而可以用

标准的 Linux 进程管理机制进行管理。普通的 Linux 进程有 Linux 内核模式和 Linux 用户

模式两种运行模式，内核模式表示代码执行的特权模式，用户模式表示代码执行的非特权模式。

在KVM系统中为Linux引入了一种新的进程模式，新的模式称为客户模式，客户模式用来执行

虚拟机操作系统的非 I/O 代码。在客户模式中包含内核模式和用户模式两种标准模式，VM 操

作系统可在内核模式下运行标准的内核，在用户模式下支持自己的内核和用户空间应用程序，

在 kvm的模型中，每一个 Gust OS 都是作为一个标准的 linux 进程，都可以使用 linux 进

程管理命令管理。

虚拟机操作系统的 I/O 操作是由修改过的 QEMU 支持的，QEMU 是一种用动态翻译技术实

现的快速指令集层虚拟机，它支持整个计算机系统的模拟，包括多种处理器 (X86、ARM、

PowerPC 等 )、磁盘、图形适配器和网络设备等。KVM 是用硬件虚拟化技术代替了 QEMU 的动

态翻译技术，实现虚拟机操作系统代码直接由硬件处理从而提高系统性能。 VM操作系统生成

的I/O请求会被截获并转发到用户空间，由 QEMU 的设备模型来模拟 I/O 操作，在需要的情况

下触发真实的 I/O 操作。

二、KVM 与 QEMU、libvirt 组件关系

KVM 是 linux 内核的模块，它需要 CPU 的支持，采用硬件辅助虚拟化技术 Intel-VT，

AMD-V，内存的相关如 Intel的 EPT 和 AMD 的 RVI 技术，通过 /dev/kvm 暴露接口，用户态

程序可以通过 ioctl 函数来访问这个接口，而 Qemu 将KVM 整合进来，通过 ioctl 调用

/dev/kvm 接口，将有关 CPU指令的部分交由内核模块来做。kvm 负责 cpu 虚拟化 + 内存虚

拟化，实现了 cpu 和内存的虚拟化，但 kvm 不能模拟其他设备，所以用 qemu 模拟 IO 设备

（网卡，磁盘等），kvm 加上 qemu 之后就能实现真正意义上服务器虚拟化。因为用到了上面

两个东西，所以称之为 qemu-kvm。libvirt 是目前使用最为广泛的对 KVM 虚拟机进行管理的

工具和 API，Libvirtd是一个 daemon 进程，可以被本地的 virsh 调用，也可以被远程的

virsh 调用，Libvirtd 调用 qemu-kvm 操作虚拟机。

KVM 、QEMU 、 libvirt 三者之间的关系如下图 2。

2.1 KVM 与 QEMU 的关系

QEMU 是一个开源的模拟器，作者是法布里斯·贝拉(Fabrice Bellard)。准确来说，KVM

是 Linux kernel 的一个模块。可以用命令 modprobe 去加载 KVM 模块。加载了模块后，才能

进一步通过其他工具创建虚拟机，但仅有 KVM 模块是 远远不够的，因为用户无法直接控制内

核模块去作事情 , 你还必须有一个运行在用户空间的工具才行。这个用户空间的工具，kvm 开

发者选择了已经成型的开源虚拟化软件QEMU。说起来 QEMU 也是一个虚拟化软件。它的特点是

可虚拟不同的 CPU。比如说在 x86 的 CPU 上可虚拟一个 Power的 CPU，并可利用它编译出可

运行在 Power 上的程序，KVM使用了 QEMU 的一部分，并稍加改造，就成了可控制 KVM的用户

空间工具了。所以你会看到，官方提供的 KVM 下载有两 大部分 (qemu 和 kvm) 三个文件

(KVM 模块、QEMU 工具以及二者的合集 )。也就是说，你可以只升级 KVM 模块，也可以只升级

QEMU 工具。

2.2 KVM 与 libvirt 的关系libvirt 是一套实现 Linux 虚拟化功能的开源 API，旨在提

供一种单一的方式管理多种不同的虚拟化方案。libvirt 由一套 API库，一个 libvirtd 服务，

以及一个 virsh 命令行管理工具组成。虽然 libvirt 是 C 开发的，但是可以很好的支持主流

的编程语言，包括 C, Python, Perl, Java 等等。最新的发行版还包含了一系列基于 libvirt

的工具，用于简化虚拟机的维护管理：

-install: 一个创建虚拟机的工具，支持从本地镜像或者网络镜像 （NFS、 FTP等

等） 启动。

: 一个交互式 / 批处理shell 工具，可以用于完成虚拟机的日常管理工作。

-manager: 一个通用的图形化管理工具，可以用来管理本地或远程的 Hypervisor

及其虚拟机。

-viewer: 一个轻量级的、能够安全连接到远程虚拟机的图形控制台工具。

三、KVM 虚拟机部署

3.1 环境检查及软件配置

KVM 的虚拟化需要硬件支持（如 Intel VT 技术或者AMD V 技术 )，是基于硬件的完全虚

拟化技术。使用 grep -E--color ‘vmx|svm’ /proc/cpuinfo 命令进行检测，有输出结果说

明 CPU 支持虚拟化。部分服务器默认是关闭虚拟化技术的，需要进入 BIOS 打开 CPU 的虚拟

化支持。 Linux 内核是从 2．6．20 版本开始集成 KVM，因此 Linux 内核版本必须在此之上。

使用 uname—a 命令即可查看 Linux 内核版本。使用 lsmod 命令可查看 KVM 模块是否加载成

功，如果未加载成功可以使用命令 modprobekvm 重新载入。

3.2 VM 操作系统实例化

3.2.1 建立 KVM 虚拟磁盘镜像

虚拟磁盘镜像在逻辑上是提供给虚拟机使用的硬盘 , 在物理上可以是 Linux 系 统内一普

通镜像文件 , 也可以是真实的物理磁盘或分区。本方案设计中将虚拟机集中存储在SAN 存储

阵列中 , 采用文件方式 , 用 dd 命令创建如下 dd if= /dev/ zero of= bs= 2G

count= 15,dd 命令创建一个名为 的容量为 15G 的虚拟磁盘。虚拟磁盘并不会立即

分配全部空间 , 而是根据使用情况在不超过 15G 范围内动态分配。

3.2.2 配置 KVM 虚拟网络

KVM 虚拟化有两种网络模式：Bridge 网桥模式和 NAT网络地址转换模式，其中 Bridge

方式适用于服务器主机的虚拟化，NAT 方式适用于桌面主机的虚拟化。客户机安装完成后，需

要为其设置网络接口，以便和主机网络，客户机之间的网络通信。事实上，如果要在安装时使

用网络通信，需要提前设置客户机的网络连接。KVM 客户机网络连接有两种方式：NAT 模式即

用户网络（User Networking）：让虚拟机访问主机、互联网或本地网络上的资源的简单方法，

但是不能从网络或其他的客户机访问客户机，性能上也需要大的调整。Bridge 模式即虚拟网桥

（Virtual Bridge）：这种方式要比用户网络复杂一些，但是设置好后客户机与互联网，客户

机与主机之间的通信都很容易。

1）Bridge 方式

Bridge 方式原理：Bridge 方式即虚拟网桥的网络连接方式，是客户机和子网里面的机器

能够互相通信。可以使虚拟机成为网络中具有独立 IP 的主机。

桥接网络（也叫物理设备共享）被用作把一个物理设备复制到一台虚拟机。网桥多用作高

级设置，特别是主机多个网络接口的情况。如图 3 是其 bridge 的原理图。

如图 3，网桥的基本原理就是创建一个桥接接口 br0，在物理网卡和虚拟网络接口之间传

递数据。

2）NAT 方式

NAT 方式原理：NAT 方式是 kvm 安装后的默认方式。它支持主机与虚拟机的互访， 同时

也支持虚拟机访问互联网，但不支持外界访问虚拟机。如图 4 是其 NAT 的原理图。

从图 4 上可以看出，虚拟接口和物理接口之间没有连接关系，所以虚拟机只能在通过虚拟

的网络访问外部世界，无法从网络上定位和访问虚拟主机。

3.2.3 部署 KVM 操作系统

KVM 虚拟机硬件配置的设定或更改非常灵活 ,KVM 通过虚拟机启动命令参数指 定虚拟机所

对应的CPU、 内存、 硬盘、网卡、声卡、系统时钟等硬件配置。使用启动命令将虚拟磁盘文

件和虚拟机关联起来 , 启动后开始安装操作系统。

kvm - m 1024 - hda /hom e/kvm/- cdrom /dev /cdrom - boot d - localtime

此命令是设置虚拟机使用磁盘镜像文件 /home/kvm / 作为硬盘 , 设置内存容量

为 1024 兆 , 从光驱启动虚拟机安装操作系统 , 安装界面出现后和在物理机器上正常安装操

作系统一致。安装完毕后将启动命令中的 - boot d 参数修改为 -boot c 即可实现从磁盘镜像

正常启动虚拟机。

四、KVM 虚拟机三大存储模式

KVM 的存储选项有多种，包括虚拟磁盘文件、基于文件系统的存储和基于设备的存储。为

实现 KVM(Kernel-basedVirtual Machine) 存 储 管 理， 可 以 使 用 LVM(Logical

VolumeManager) 和创建存储池。当系统创建 KVM 虚拟机的时候，默认使用虚拟磁盘文件作为

后端存储。安装后，虚拟机认为在使用真实的磁盘，但实际上看到的是用于模拟硬盘的虚拟磁

盘文件。这一额外的文件系统层会降低系统速度。当然，基于磁盘镜像的虚拟磁盘并非全无益

处，磁盘文件系统可以很轻松地用于其它的 KVM 虚拟化宿主机。但是如果您希望优化 KVM 虚

拟化性能，最好考虑其它的存储方式。

4.1 基于文件系统的 KVM 存储

在安装 KVM 宿主机时，可选文件系统为 dir(directory)或 fs(formatted block storage)

作为初始 KVM 存储格式。默认选项为 dir, 用户指定本地文件系统中的一个目录用于创建磁盘

镜像文件。fs 选项可以允许用户指定某个格式化文件系统的名称，把它作为专用的磁盘镜像文

件存储。两种 KVM 存储选项之间最主要的区别在于：fs 文件系统不需要挂载到某个特定的分

区。两种选项所指定的文件系统，都可以是本地文件系统或位于 SAN 上某个物理宿主机上的网

络文件系统。后者具备一定的优势，因为 SAN 可以很轻易地实现多个主机同时访问，而本地磁

盘或文件系统则无法实现。还有一种基于文件的磁盘存储方式是 netfs, 用户可以指定一个网

络文件系统的名称，如 Samba. 用这种方式作为 KVM 存储很方便，因为这样很容易访问到位于

其它服务器上的文件系统，同时用户也可以通过多台宿主机访问磁盘文件。所有的这些基于文

件的 KVM 存储方式都有一个缺点：文件系统固有缺陷。因为虚拟机的磁盘文件不能直接读取或

写入KVM存储设备，而是写入宿主机 OS 之上的文件系统。这也就意味着在访问和写入文件时

中间增加了额外一层，这通常会降低性能。所以，如果您希望寻找 KVM 虚拟化性能最优方案，

最好考虑基于设备的存储。

4.2 基于设备的 KVM 存储

另外一种 KVM 存储的方式就是使用基于设备的方式。共支持四种不同的物理存储：磁盘、

iSCSI、SCSI 和逻辑盘。磁盘方式指直接读写硬盘设备。iSCSI 和 SCSI 方式可选，取决于用

户采取 SCSI 或 iSCSI 地址把磁盘设备连接。这种KVM 存储方式的优势在于，磁盘的名称是

固定的，而不需要取决于宿主机 OS 搜索到磁盘设备的顺序 , 这种连接磁盘的方式也有缺点：

灵活性不足。虚拟磁盘的大小很难改变，而且基于设备的 KVM 存储不支持快照。如果要优化

KVM 存储的灵活性，可以使用 LVM(Logical Volume Manager)。LVM的优势在于可以使用快照，

而快照并不是 KVM 虚拟化自带的功能。LVM 可以把所有存储放到一个卷组里，从而轻松创建一

个逻辑卷。该卷组是物理磁盘设备的一个抽象，所以如果超出可用磁盘空间最大值， 还可以向

卷组中添加新的设备，从而极大简化了增加存储空间的过程，增加的空间在逻辑卷中直接可以

使用。使用 LVM 使得磁盘空间分配更加灵活，而且增加和删除存储也更为容易。最后，LVM 无

论是在单宿主机或多宿主机环境中都可以很好工作。 在多宿主机环境中，您可以在 SAN 上创

建逻辑卷。如果使用 Cluster LVM, 可以很容易的配置成多个主机同时访问某个逻辑卷。

4.3 基于使用 KVM 存储池

为简化 KVM 存储管理的目的，可以创建存储池。在宿主机上创建存储池，可以简化 KVM

存储设备的管理。采用存储池的方式还可以实现对提前预留的存储空间的分配。这种策略对于

大型应用环境很有效，存储管理员和创建虚拟机的管理经常不是同一个人。这样，在创建首台

虚拟机之前先完成 KVM 存储池的创建是很好的方法。当您决定开始 KVM虚拟化时，先在宿主

机端创建一个 KVM 存储池，然后通过这个池提供 LVM 逻辑卷。对于使用 LVM 增加的快照功能，

用户是不会感到后悔的，这种 KVM 存储方法提供了极大地灵活性。

五、KVM 技术在虚拟化中的优势

KVM 作为一个快速成长的 Linux 虚拟化技术，已经获得了许多厂商的支持，如 Canonical、

Novell 等。Canonical 公司的 Ubuntu 服务器版操作系统是第一个提供全功能的 KVM 虚拟化

栈的主要 Linux 发行版，之所以很多厂商采用 KVM，主要是 KVM 虚拟化技术具有较强的灵活

性，能较好地将不同操作系统和特殊硬件设备加以利用，降低不同系统间维护的复杂度。而且

KVM 支持的 VM 操作系统种类很多，常见的基于 X86 架构的 Windows、Linux、Unix 操作系统

绝大部分都可以稳定运行。KVM 本身运行在 Linux 系统内核当中，是Linux 内核的一部分，

属于瘦虚拟化方案，这个轻量级的虚拟化管理程序模块能直接与硬件交互，不需要修改虚拟化

操作系统，因此性能更好。同时 KVM 具有优良的稳定性，系统更新便捷，并且补丁包能够和

Linux 内核兼容，轻松控制虚拟化进程，同时减轻管理负担。而且 KVM 本身体积很小，其支持

硬件取决于 Linux 系统本身对硬件的支持，目前主流硬件设备均有对应的 Linux 驱动，这也

就决定了 KVM 可以在最广泛的硬件系统之上运行，从以上几点足以证明 KVM技术其优势是显

而易见的。

六、结语

KVM 是一个发展时间比较短，但是性能和稳定性都表现优秀的虚拟化解决方案，由于操作

系统直接和整合到Linux 内核中的 KVM 虚拟化管理程序交互，所以在任何场景下都可以直接

和硬件进行交互，而不需要修改虚拟化的操作系统 , 另一方面其灵活的网络拓扑结构、简便的

硬件配置方案、集中统一管理可满足于大多数数据中心虚拟化实践的要求。当然 KVM 也有很多

不足之处，比如对一些虚拟化扩展特性，如泛虚拟化支持、虚拟机动态迁移、图形化管理界面

等新功能不是很好的支持， 但是随着时间的推移， Ret Hat （目前掌握 KVM 技术） ， 作为

Linux 企业市场中份额最大的企业，将会使 KVM 虚拟化技术的功能更加齐全，我相信未来虚拟

化市场必定是 KVM 的。