前言：为什么使用虚拟化？

是为了提高机器的利用率，在企业生产过程中，如果正常使用一台电脑的话，
其实利用率并不会很高，正常百分之四十五，五十，当然为了提升利用率可
以多开应用，但是随之而来的的问题就是电脑蓝屏，且同时开多个应用随之
而来的不安全，不兼容，以及应用服务之间产生冲突，这时候虚拟化技术的
出现就可以完全解决这些问题，虚拟化通过资源整合来调用底层硬件资源也
就是资源池来运行不同的应用服务，来提高资源利用率，以及安全性，隔离性，
并进行集中化管理，实现高可靠利用。这也就是虚拟化前与虚拟化后的一个差别。

一，什么是虚拟化技术

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

二，虚拟化技术发展

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

因为硬件和操作系统不兼容或者不支持，导致有些软、硬件功能无法正常使用（也是最难的问题）
使用虚拟化，软硬件之间是会通过虚拟化层驱动进行隔离（调配）的，只要虚拟化层可以识别软/硬件应用，就可以将软硬件结合使用

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

三，KVM简介：

1，如何理解KVM

从广义上；理解KVM：

KVM（Kernel-based Vritual Machine)–基于内核的虚拟机
KVM 是基于虚拟化扩展的X86硬件的开源Linux原生的全虚拟化方案（要求cpu支持Intel-VT-x或AMD-V），KVM内嵌于内核模块中，模拟处理器和内存以支持虚拟机运行虚拟机被实现为常规的 Linux 进程，由标准 Linux 调度程序进行调度；虚拟机的每个虚拟 CPU 被实现为一个常规的 Linux 进程。这使得 KVM 能够使用 Linux 内核的已有功能，但KVM本身不执行任何模拟。需要客户空间程序（虚拟机）通过/dev/kvm（此虚拟设备需要开起硬件辅助虚拟化才能看到）接口设置一个客户机虚拟服务器的地址空间，并且由Qemu模拟I/O（ioctl）进行调度资源和维护管理

• 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：

KVM驱动提供处理器、内存的虚拟化，以及客户机I/O的拦截，guest的I/O被拦截后，交由Qemu处理
Qemu利用接口libkvm调用（ioctl）虚拟机设备接口/dev/kvm来分配资源、管理、维护虚拟机

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）