Linux虚拟化的模式

三种虚拟化方式:完全虚拟化(Full virtualization)、硬件辅助虚拟化(Hardware-Assisted Virtualization)、半虚拟化(Paravirtualization)。

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。

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。

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。

  • 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。

此文章为11月Day27学习笔记,内容来源于极客时间《趣谈Linux操作系统》,推荐该课程。

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