KVM/QEMU虚拟化简介

虚拟化基础

作者：Diting0x

CSysSec注： 本文来自Diting0x的个人博客，主要介绍KVM/QEMU虚拟化基础，对认识KVM与QEMU之间的关系有很大帮助。
转载本文请务必注明，文章出处：《KVM/QEMU虚拟化简介》与作者信息：Diting0x

  • 0X01 KVM/Qemu选择与部署
  • 0X02 KVM/Qemu原理概览

0X01 KVM/Qemu选择与部署

KVM作为虚拟机监控器VMM，分为两部分，分别是运行于kernel模式的KVM内核模块（kvm-kmod)和运行于user模式的Qemu模块。KVM的具体实现下文会作简单介绍。先来看kvm-kmod部分，linux kernel从2.6版本开始便开始集成了KVM模块，如果你只想简单的使用KVM，只需简单编译和配置内科即可使用KVM的一切特性，这里不作介绍，如果你想基于KVM做开发，还是老老实实去kvm官网下载，自己源码安装吧，在选择KVM版本之前，可以打开任意一个版本例如kvm-kmod-3.8里面的configure文件，可看到以下代码：

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# minimum is 2.6.x
min_kernel_version=24
# maximum is 3.x
max_kernel_version=8
kernel_version=`echo $kernel_version_str | sed 's/\([0-9]*\)\.[0-9]*\.[0-9]*.*/\1/'`
kernel_patchlevel=`echo $kernel_version_str | sed 's/[0-9]*\.\([0-9]*\)\.[0-9]*.*/\1/'`
kernel_sublevel=`echo $kernel_version_str | sed 's/[0-9]*\.[0-9]*\.\([0-9]*\).*/\1/'`
if [ ! -n "$force_build" ]; then
	if [ $kernel_version -eq 2 ] && [ $kernel_sublevel -lt $min_kernel_version ]; then
		echo
		echo "Error: kernel is too old for this kvm-kmod release."
		echo
		exit 1
	elif [ $kernel_version -eq 3 ] && [ $kernel_patchlevel -gt $max_kernel_version ]; then
		echo
		echo "Error: kernel is more recent than KVM modules delivered with this release."
		echo "You probably want to use the KVM support that is already part of your kernel."
		echo
		exit 1
	fi
fi

这段代码仔细看看，就不难看出kvm-kmod版本的每个数字和kernel版本号都是有关联的，kvm-kmod毕竟是一个内核模块，必须去适应内核，大家如果在安装kvm-kmod时出现kernel is too old 或者kernel is more recent等错误就应该静下来好好看看这段代码了。下载后匹配的kvm-kmod后，安装很简单，只需要执行./configure make $$ make install即可

安装之后，有两个模块kvm.ko kvm-intel.ko便会生成在./kvm/x86文件夹中，执行insmod kvm.ko kvm-intel.ko 或者modprobe kvm.ko kvm-intel.ko，便成功将kvm模块加载到内核了，
如果期间出现错误，可执行lsmod | grep kvm 看kvm是否成功加载，或执行dmesg | grep kvm查看具体执行信息。
这里强调，kvm-kmod是内核的一个模块，可随时加载随时删除，因此基于kvm的开发，修改kvm的源码之后，编译与运行起来都很方便。

qemu-kvm是为兼容kvm基于qemu模拟器开发出来的一个分支版本，安装qemu-kvm之前，检查是否有以下依赖包： linux-kernel-headers zlib1g-dev libglib2.0-dev，如果没有apt-get install一下。
之后,执行：

./configure --prefix=/usr/local/kvm 
make && make install

即可，qemu-kvm便会安装到/usr/local/kvm路径下，安装成功后，会在此路径的/bin文件夹下出现qemu-img, qemu-system-x86_64等二进制文件,自己也可以选择将这些二进制文件拷贝到根目录下的/bin文件夹中，这样在执行这些二进制文件的时候就不用加前缀/usr/local/kvm/bin了。
执行：

/usr/local/kvm/bin/qemu-img create -f qcow2 imgname.img 10G

创建一个qcow2格式的空虚拟机img文件
执行： 

/usr/local/kvm/bin/qemu-system-x86_64 -hda imgname.img -m 1024 -vnc :1 -cdrom imgname.iso -boot d

将imgname.iso系统安装到imgname.img中
之后利用xvnc4viewer等vnc软件连接虚拟机完成安装过程，安装完后，执行:

/usr/local/kvm/bin/qemu-system-x86_64 -hda imgname.img -vnc :1 -m 1024 -monitor stdio

登陆到虚拟机。具体细节可自行摸索。

0X02 KVM/Qemu原理概览

说说kvm与qemu的关系，借用实验室某大神给的一张图：

kvm-qemu-rela

可以看到，这里有三种模式，第一是客户机执行时所处的Guest模式，也就是虚拟化技术VMX中的非Root模式；第二是KVM运行的Kernel模式，即VMX中的Root模式，此时特权级为0；第三是Qemu运行的User模式，处于VMX Root模式中的特权级3.有关VMX技术，以及非Root模式如何通过VM Exit进入到Root模式，Root模式如何通过VM Entry进入到非Root模式，可参考Intel系统编程手册。

简单说说Qemu所在的User模式如何与KVM所在的kernel模式交互，虚拟化中的VT-x技术的支持，使得KVM可以虚拟出多个虚拟处理器VCPU, 而这些VCPU对应每一个Qemu线程，VCPU的创建、初始化、运行以及退出都是在Qemu线程的上下文中进行，这些过程都是通过Qemu向KVM发送一个I/O通道管理函数ioctl来完成，以qemu-kvm-1.1.2为例，qemu-kvm中首先会在./linux-header/linux/kvm.h注册相应的ioctl,如#define KVM_GET_REGS _IOR(KVMIO, 0x81, struct kvm_regs)，各参数含义可以具体去了解ioctl的实现方式，之后调用kvm_vcpu_ioctl(env,KVM_GET_REGS,&regs)（有些也会调用kvm_vm_ioctl），KVM-Kmod中也会注册相应的ioctl，之后真正执行时会调用KVM_Kmod的相应函数，一般会在kvm_main.c文件中定义。如果想自定义自己的函数，需要分别在qemu-kvm与kvm-kmod注册相应的ioctl，只要编号不重复即可，注册后再调用自己定义的函数。

备注：Qemu 线程以 ioctl 的方式向 KVM 内核模块发出指 示,后者执行 VM entry 操作,将处理器由 kernel 模式切换到 Guest 模式,中止宿主机软件, 转而运行客户软件。注意,宿主机软件被中止时,正处于 Qemu 线程上下文,且正在执行 ioctl 系统调用的 kernel 模式处理程序。客户软件在运行过程中,如发生异常或外部中断等事件, 或执行 I/O 操作,可能导致 VM exit,将处理器状态由 Guest 模式切换回 Kernel 模式。KVM 内核模块检查发生 VM exit 的原因,如果 VM exit 由于 I/O 操作导致,则执行系统调用返回操 作,将 I/O 操作交给处于 User 模式的 Qemu 线程来处理,Qemu 线程在处理完 I/O 操作后再 次执行 ioctl,指示 KVM 切换处理器到 Guest 模式,恢复客户软件的运行;如果 VM exit 由于 其它原因导致,则由 KVM 内核模块负责处理,并在处理后切换处理器到 Guest 模式,恢复 客户机的运行。

完

作者@Diting0x

于2016年1月1日West Lafayette, Lawson Computer Science Building.

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