Linux【极客时间】 - 虚拟化 - 《linux》

三种虚拟化方式
总结时刻

三种虚拟化方式

我们先来看第一种方式，完全虚拟化（Full virtualization）。其实说白了，这是一种“骗人”的方式。虚拟化软件会模拟假的 CPU、内存、网络、硬盘给到我，让我自我感觉良好，感觉自己终于又像个内核了。

这种方式一个坏处就是，慢，而且往往慢到不能忍受。

安装虚拟机的时候，我们务必要将物理 CPU 的这个标志位打开。想知道是否打开，对于 Intel，你可以查看 grep “vmx” /proc/cpuinfo；对于 AMD，你可以查看 grep “svm” /proc/cpuinfo
这叫作硬件辅助虚拟化（Hardware-Assisted Virtualization）。

另外就是访问网络或者硬盘的时候，为了取得更高的性能，也需要让虚拟机内核加载特殊的驱动，也是让虚拟机内核从代码层面就重新定位自己的身份，不能像访问物理机一样访问网络或者硬盘，而是用一种特殊的方式。
我知道我不是物理机内核，我知道我是虚拟机，我没那么高的权限，我很可能和很多虚拟机共享物理资源，所以我要学会排队，我写硬盘其实写的是一个物理机上的文件，那我的写文件的缓存方式是不是可以变一下。我发送网络包，根本就不是发给真正的网络设备，而是给虚拟的设备，我可不可以直接在内存里面拷贝给它，等等等等。
一旦我知道我不是物理机内核，痛定思痛，只好重新认识自己，反而能找出很多方式来优化我的资源访问。
这叫作半虚拟化（Paravirtualization）。

对于桌面虚拟化软件，我们多采用 VirtualBox，如果使用服务器的虚拟化软件，则有另外的选型。
服务器上的虚拟化软件，多使用 qemu，其中关键字 emu，全称是 emulator，模拟器。所以，单纯使用 qemu，采用的是完全虚拟化的模式。
qemu 向 Guest OS 模拟 CPU，也模拟其他的硬件，GuestOS 认为自己和硬件直接打交道，其实是同 qemu 模拟出来的硬件打交道，qemu 会将这些指令转译给真正的硬件。由于所有的指令都要从 qemu 里面过一手，因而性能就会比较差。

按照上面的介绍，完全虚拟化是非常慢的，所以要使用硬件辅助虚拟化技术 Intel-VT，AMD-V，所以需要 CPU 硬件开启这个标志位，一般在 BIOS 里面设置。
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当确认开始了标志位之后，通过 KVM【 Kernel-based Virtual Machine】，GuestOS 的 CPU 指令不用经过 Qemu 转译，直接运行，大大提高了速度。

所以，KVM 在内核里面需要有一个模块，来设置当前 CPU 是 Guest OS 在用，还是 Host OS 在用。
下面，我们来查看内核模块中是否含有 kvm, lsmod | grep kvm。

KVM 内核模块通过 /dev/kvm 暴露接口，用户态程序可以通过 ioctl 来访问这个接口。例如，你可以通过下面的流程编写程序。

Qemu 将 KVM 整合进来，将有关 CPU 指令的部分交由内核模块来做，就是 qemu-kvm (qemu-system-XXX)。
qemu 和 kvm 整合之后，CPU 的性能问题解决了。另外 Qemu 还会模拟其他的硬件，如网络和硬盘。同样，全虚拟化的方式也会影响这些设备的性能。
于是，qemu 采取半虚拟化的方式，让 Guest OS 加载特殊的驱动来做这件事情。
例如，网络需要加载 virtio_net，存储需要加载 virtio_blk，Guest 需要安装这些半虚拟化驱动，GuestOS 知道自己是虚拟机，所以数据会直接发送给半虚拟化设备，经过特殊处理（例如排队、缓存、批量处理等性能优化方式），最终发送给真正的硬件。这在一定程度上提高了性能。
至此，整个关系如下图所示。

我们可以对 KVM 创建桥接网络了。这个要模拟 virtualbox 的桥接网络模式。
如果在桌面虚拟化软件上选择桥接网络，在你的笔记本电脑上，就会形成下面的结构。

每个虚拟机都会有虚拟网卡，在你的笔记本电脑上，会发现多了几个网卡，其实是虚拟交换机。这个虚拟交换机将虚拟机连接在一起。在桥接模式下，物理网卡也连接到这个虚拟交换机上。物理网卡在桌面虚拟化软件的“界面名称”那里选定。
如果使用桥接网络，当你登录虚拟机里看 IP 地址时会发现，你的虚拟机的地址和你的笔记本电脑的地址，以及你旁边的同事的电脑的网段是一个网段。这是为什么呢？这其实相当于将物理机和虚拟机放在同一个网桥上，相当于这个网桥上有三台机器，是一个网段的，全部打平了。

在数据中心里面，采取的也是类似的技术，连接方式如下图所示，只不过是 Linux 在每台机器上都创建网桥 br0，虚拟机的网卡都连到 br0 上，物理网卡也连到 br0 上，所有的 br0 都通过物理网卡连接到物理交换机上。

同样我们换一个角度看待这个拓扑图。同样是将网络打平，虚拟机会和物理网络具有相同的网段，就相当于两个虚拟交换机、一个物理交换机，一共三个交换机连在一起。两组四个虚拟机和两台物理机都是在一个二层网络里面的。

qemu-kvm 如何才能创建一个这样的桥接网络呢？
1. 在 Host 机器上创建 bridge br0。

brctl addbr br0

将 br0 设为 up。
```
ip link set br0 up
```
创建 tap device。
```
tunctl -b
```
将 tap0 设为 up。
```
ip link set tap0 up
```
将 tap0 加入到 br0 上。
```
brctl addif br0 tap0
```

启动虚拟机, 虚拟机连接 tap0、tap0 连接 br0。

qemu-system-x86_64 -enable-kvm -name ubuntutest -m 2048 -hda ubuntutest.qcow2 -vnc :19 -net nic,model=virtio -nettap,ifname=tap0,script=no,downscript=no

虚拟机启动后，网卡没有配置，所以无法连接外网，先给 br0 设置一个 ip。
```
ifconfig br0 192.168.57.1/24
```
8.VNC 连上虚拟机，给网卡设置地址，重启虚拟机，可 ping 通 br0。
9. 要想访问外网，在 Host 上设置 NAT，并且 enable ip forwarding，可以 ping 通外网网关。
```
# sysctl -p
net.ipv4.ip_forward = 1
sudo iptables -t nat -A POSTROUTING -o eth0 -j MASQUERADE
```
如果 DNS 没配错，可以进行 apt-get update。
在这里，请记住 qemu-system-x86_64 的启动命令，这里面有 CPU 虚拟化 KVM，有内存虚拟化、硬盘虚拟化、网络虚拟化。接下来的章节，我们会看内核是如何进行虚拟化的。
总结时刻
今天我们讲了虚拟化的基本原理，并且手动创建一个可以上网的虚拟机。请记住下面这一点，非常重要，理解虚拟机启动的参数就是理解虚拟化技术的入口。学会创建虚拟机，在后面做内核相关实验的时候就会非常方便。
具体到知识点上，这一节你需要需要记住下面的这些知识点：

虚拟化的本质是用 qemu 的软件模拟硬件，但是模拟方式比较慢，需要加速；
虚拟化主要模拟 CPU、内存、网络、存储，分别有不同的加速办法；
CPU 和内存主要使用硬件辅助虚拟化进行加速，需要配备特殊的硬件才能工作；
网络和存储主要使用特殊的半虚拟化驱动加速，需要加载特殊的驱动程序。

虚拟化

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