前言:为什么使用虚拟化?
从上面可以总结出虚拟化的概念: 虚拟化技术是通过虚拟化技术将一台计算机虚拟为多台逻辑计算机,在一台计算机上同时运行多个逻辑计算机,同时每个逻辑计算机可运行不同的操作系统,应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互相不影响,从而提高计算机的工作效率
1,雏形:
- 1961年,IBM709机器实现了分时系统,将CPU占用切分为多个极短的时间片(1/100sec)每一个时间片执行不同的工作,通过对这些时间片进行轮询
从而将一个CPU伪装成多个CPU - 1972年, IBM正式将system370机的分时系统命名为虚拟机
- 1990年, IBM推出的system390机支持逻辑分区(将一个CPU分为多份,相互独立,也就是逻辑分割)
Xen 2003年问世,是一个外部的hypervisor程序(虚拟机管理程序),能够控制虚拟机和给多个客户机分配资源
KVM:2007年问世,现已内置在kernel内核中的
Xen 支持的虚拟化技术:全虚拟化,半虚拟化
KVM:支持的虚拟化技术:全虚拟化
2,虚拟化类型
- 1、全虚拟化:将物理硬件资源全部通过软件的方式抽象化,最后进行调用
使用的方法: 使用hypervisor(VMM)软件,其原理是在底层硬件和服务器之间建立一个抽象层,而基于核心的虚拟机是面向Linux系统的开源产品hypervisor(VMM)可以捕捉CPU的指令,为指令访问硬件控制器和外设充当中介。 - 2、半虚拟化:需要修改操作系统
- 3、直通:直接使用物理硬件资源(需要支持,还不完善)
3,虚拟化特性:
3.1 优势
- ① 集中化管理(远程管理、维护)
- ② 提高硬件利用率(物理资源利用率低-例如峰值,虚拟化解决了“空闲”容量)
- ③ 动态调整机器/资源配置(虚拟化把系统的应用程序和服务硬件分离、提高了灵活性)
- ④ 高可靠(可部署额外的功能和方案,可提高透明负载均衡、迁移、恢复复制等应用环境)
3.2劣势
- ① 前期高额费用(初期的硬件支持)
- ② 降低硬件利用率(特定场景-例如极度吃资源的应用不一定适合虚拟化)
- ③ 更大的错误影响面(本地物理机down机会导致虚拟机均不可用,同时可能虚拟机中文件全部损坏)
- ④ 实施配置复杂、管理复杂(管理人员运维、排障困难)
- ⑤ 一定的限制性(虚拟化技术涉及各种限制,必须与支持/兼容虚拟化的服务器、应用程序及供应商结合使用)
- ⑥ 安全性(虚拟化技术自身的安全隐患)
4,虚拟化使用的具体场景,例如以下几方面:
- VMwareWorkstation:使用软件达到虚拟多操作系统
- VirtualBox:使用软件虚拟出多物理设备功能
4.1软硬件结合
4.2Apache和Nginx服务
在同一个主机上运行多个应用程序通常会产生冲突
Apache和Nginx 定位相同(80端口)
只能使用反向代理的方式进行分离,而同时如果在同一台机器使用这种方式,Apache和Nginx中重要的数据文件如果同时被泄露出去…而虚拟化可以隔离服务
这里以VMwareworkstation为例来做一解释说明,workstation支持intel公司和AMD公司的虚拟化技术硬件辅助虚拟化技术Intel-VT-x AMD-V, Intel VT-x技术主要包含CPU、内存和I/O三方面的虚拟化技术,同时提供优化处理(早期为弥补X86架构虚拟化的缺陷),AMD-V 是对x86处理器系统架构的一组硬件扩展和硬件辅助虚拟化技术,可以简化纯软件的虚拟化解决方案,改进VMM(虚拟机监视器)的设计,更充分地利用硬件资源,提高服务器和数据中心的虚拟化效率
什么是VMM?
- VMM(虚拟机监视器/管理程序)
- VMM是一个系统软件,可以维护多个高效、隔离的程序环境(虚拟机),同时可以管理计算机系统的真实资源、为虚拟机提供接口
1,如何理解KVM
从广义上;理解KVM:
- Libvirt:KVM的管理工具,除了可以管理KVM这类VMM,还可以管理Xen,VirtualBox,甚至OpenStack底层
- Libvirt包含3个组件:后台daemon程序libvirtd、API库、命令行工具virsh
2,KVM架构及原理
2.1KVM 虚拟化架构/三种模式
- 1、客户模式(guestOS):VM中的OS为GuestOS
客户机在操作系统中运行的模式,客户机分为内核模式和用户模式,作用如下: - 2、用户模式:
为用户提供虚拟机管理的用户空间工具以及代表用户执行I/O,Qemu工作在此模式下(Qemu的主要功能) - 3、linux内核模式
模拟CPU、内存,实现客户模式切换,处理从客户模式的推出,KVM即运行在此模式下
2.2 KVM原理
- 1、Guest:客户机系统,包括CPU(vCPU)、内存、驱动(Console、网卡、I/O 设备驱动等),
被KVM 置于一种受限制的CPU 模式下运行。 - 2、KVM 内核模块模拟处理器和内存以支持虚拟机运行
- 3、Qemu 主要处理I/O以及为客户提供一个用户空间/dev/kvm 工具libvirt 来进行虚拟机管理
+ ioctl(定义) 专用于设备输入输出操作的系统调用
+ libvirt:KVM管理工具
以上构成一个完整的虚拟化平台
简单概括理解:
3,KVM工作流程
用户模式的 Qemu 利用接口 libkvm 通过 ioctl 系统调用进入内核模式。 KVM驱动为虚拟机创建虚拟 CPU 和虚拟内存,然后执行 VMLAU·NCH 指令进入客户模式,装载 Guest OS 并运行。Guest OS 运行过程中如果发生异常,则暂停Guest OS的运行并保存当前状态同时退出到内核模式来处理这些异常。
内核模式处理这些异常时如果不需要 I/O则处理完成后重新进入客户模式。如果需要 I/O 则进入到用户模式,
则由 Qemu 来处理 I/O,处理完成后进入内核模式,再进入客户模式
4,虚拟化前后环境对比
4.1虚拟化前
- ① 每台主机拥有一个操作系统
- ② 软硬件紧密结合
- ③ 在同一个主机上运行多个应用程序通常会产生冲突
- ④ 系统资源利用率低(例如:5%)
- ⑤ 硬件成本高昂并且不够灵活
4.2虚拟化后
- ① 打破了操作系统和硬件的互相依赖
- ② 通过封装到虚拟机的技术,管理操作系统和应用程序为单一的个体
- ③ 强大的安全和故障隔离
- ④ 虚拟机时独立于硬件的,它们可以在任何硬件上运行
4.3对比:
操作系统方面(虚拟化前):
LAMP 架构中(以一台主机实现)
LINUX + Apache + MySQL + PHP ,其中Apache 与 MySQL资源是共享的,如果架构要求服务间的安全性隔离比较高的话,Apache的页面和MySQL数据库的目录一定是不能互相碰面,如果Apache漏洞暴露出来,攻击者就可以Apache的进程访问到MySQL的数据目录,从而获取MySQL中的数据,这种就是严重的安全隐患而想解决这种潜在危险,可以通过实现内核级别的隔离(使用虚拟化技术)
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