一、什么是虚拟化？

• 虚拟化是允许更有效地利用物理计算机硬件的过程，并且是云计算的基础。 --IBM
• 虚拟化使用软件在计算机硬件上创建抽象层，该抽象层允许将单台计算机的硬件元素（处理器，内存，存储设备等）划分为多个虚拟计算机，通常称为虚拟机（VM）。 每个VM都运行自己的操作系统（OS），并且行为类似于独立的计算机，即使它仅在实际基础计算机硬件的一部分上运行。 --IBM
• 为什么要用虚拟化（传统的物理设备不够灵活）
• 时间灵活性: 想什么时候要就什么时候要，需要的时候一点就出来了
• 空间灵活性:想要多少就有多少。需要一个太很小的电脑，可以满足；需要一个特别大的空间例如云盘，云盘给每个人分配的空间动不动就很大很大，随时上传随时有空间，永远用不完，也是可以满足的
• 这两个灵活性也就是后面我们要讲的云计算的弹性
• 虚拟化实现依赖的技术(物理机也就是宿主机host如何将自己的资源虚拟化并提供给Guest呢？)
• VMM(Virtual Machine Monitor)/Hypervisor
• Hypervisor：根据RedHat的定义
• Hypervisor是创建并运行虚拟机(VM)的软件,虚拟机监控程序也叫虚拟机监视器(VMM),将虚拟机监控程序操作系统和资源与虚拟机隔离开来，并能够创建和管理这些VM。
• 用作Hypervisor的物理硬件称为主机，而使用其资源的许多VM都是来宾。Hypervisor将诸如CPU，内存和存储之类的硬件资源看作一种可以动态分配的资源池。可以灵活的给虚拟机分配
• Hypervisor提供了虚拟化一个主要优势：多个不同的Guest OS可以独立运行，并与Hypervisor共享相同的虚拟化硬件资源。这是虚拟化的主要优势。没有虚拟化，您只能在硬件上运行1个操作系统

二、VMM Types

• 分为1型虚拟化、2型虚拟化
• 1型虚拟化Hypervisor既是操作系统，又是虚拟化软件，它与操作系统的虚拟化功能集成在一起，为来宾提供虚拟化功能，可以管理所有物理资源，因此具有高效率和安全性的优点。 虚拟机仅依赖于VMM，缺点是管理所有物理资源，意味着VMM承担了大量的开发工作。
• 2型虚拟化也就是主机模型删除了管理功能和虚拟化功能，并且虚拟化功能仅作为内核模块加载。例如，KVM技术是最好的技术之一。 KVM技术可以说是云计算中最核心的技术，将来会经常使用。通常，KVM仅负责CPU和内存的虚拟化，而I/O虚拟化则由另一种技术完成，即QEMU。
• 当前主流X86平台的Hypervisor技术。
• VMware的ESXi
• Linux的KVM + QEMU
• Xen
• 微软的Hyper-V
• Oracle的virtualbox

三、KVM

• 先从由字面意思理解Kernel-Based Virtual Machine就是基于Linux Kernel内核实现
• KVM官方解释：KVM(基于内核的虚拟机)是针对x86硬件上的Linux的完整虚拟化解决方案，包含虚拟化扩展(Intel VT或AMD-V)。它由提供核心虚拟化基础架构的可加载内核模块kvm.ko和处理器特定模块kvm-intel.ko或kvm-amd.ko组成。KVM基于某些Linux内核机制，包括CPU虚拟化，内存虚拟化，外围虚拟化和虚拟机管理以及其他主要功能。它是支持软件仿真硬件并连接各种模式之间的转换的桥梁, KVM自2.6.20版本后已合入主干并发行
• KVM工作原理:KVM包含一个内核模块kvm.ko用来实现核心虚拟化功能，以及一个和处理器强相关的模块如kvm-intel.ko或kvm-amd.ko。KVM本身不实现任何模拟，仅仅是暴露了一个/dev/kvm接口，这个接口可被宿主机用来主要负责vCPU的创建，虚拟内存的地址空间分配，vCPU寄存器的读写以及vCPU的运行。有了KVM以后，guest os的CPU指令不用再经过QEMU来转译便可直接运行，大大提高了运行速度。但KVM的kvm.ko本身只提供了CPU和内存的虚拟化，所以它必须结合QEMU才能构成一个完整的虚拟化技术，也就是下面要介绍的技术。
• Libvirt是KVM的管理工具，OpenStack底层也用的Libvirt，Libvrt常用的命令工具virsh
• 举个例子：大家直到nova list {--all-t}可以看vm列表

四、QEMU

• 字面意思Quick Emulator，用C语言编写的一个模拟器，有整套的VM实现，本身并不依赖KVM
• 官方说明：QEMU是一个通用的开源计算机仿真器和虚拟器。
• 现在流行的KVM虚拟化平台，就是在修改了QEMU代码，把他模拟CPU、内存的代码换成KVM，而网卡、显示器等留着，因此QEMU+KVM就成了一个完整的虚拟化平台。由于KVM运行在内核空间，只是内核模块，QEMU运行在用户空间，实际模拟创建，管理各种虚拟硬件（磁盘，网卡，显卡等）。从KVM的角度来说，用户没法直接跟内核模块交互，需要借助用户空间的管理工具，因此需要借助QEMU这个运行在用户空间的工具。KVM和QEMU相辅相成，QEMU通过KVM达到了硬件虚拟化的速度，而KVM则通过QEMU来模拟设备并实现和内核空间的KVM的交互，虽然这个交互并不仅仅只有QEMU能够办到。此外，由于QEMU模拟IO设备效率不高的原因，现在常常采用半虚拟化的virtio方式(DPDK场景)来虚拟IO设备：
• 说白了，QEMU干的就是I/O虚拟化的活

五、KVM and QEMU Architecture

KVM作为虚拟机管理程序在主机操作系统内核中运行，支持CPU，内存，I / O的仿真，虚拟机的监视，并为QEMU提供物理支持。

QEMU是一种模拟器，为虚拟机提供运行所需的硬件环境，它是在主机用户模式下运行的进程，基于KVM和内核的特性，可以模拟CPU，内存，I / O等 来宾操作系统的硬件，支持该进程中运行的来宾操作系统。

QEMU和KVM一起使用。 KVM在内核模式下运行以完成CPU和内存模拟，而QEMU在用户模式下运行，负责I / O设备的虚拟化并将模拟的虚拟设备呈现到外部。

六、虚拟化就是云计算么？

• 虚拟化需要手动调度，集群越大，时间和空间灵活性会变差，例如因为虚拟化软件一般创建一台虚拟的电脑，是需要人工指定这台虚拟电脑放在哪台物理机上的。这一过程可能还需要比较复杂的人工配置。所以仅仅凭虚拟化软件所能管理的物理机的集群规模都不是特别大，一般在十几台、几十台、最多百台这么一个规模。
• 这一方面会影响时间灵活性：虽然虚拟出一台电脑的时间很短，但是随着集群规模的扩大，人工配置的过程越来越复杂，越来越耗时。另一方面也影响空间灵活性：当用户数量多时，这点集群规模，还远达不到想要多少要多少的程度，很可能这点资源很快就用完了，还得去采购。
• 人们发明了各种各样的算法来做这个事情，算法的名字叫做调度(Scheduler)。通俗一点说，就是有一个调度中心，几千台机器都在一个池子里面，无论用户需要多少CPU、内存、硬盘的虚拟电脑，调度中心会自动在大池子里面找一个能够满足用户需求的地方，把虚拟电脑启动起来做好配置，用户就直接能用了。这个阶段我们称为池化或者云化。到了这个阶段，才可以称为云计算，在这之前都只能叫虚拟化。

官方文档：https://docs.openstack.org/

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