KVM全称是Kernel-based Virtual Machine，由一个叫做Qumranet的软件公司开发并发布于2006年10月，2017年2月KVM代码被整合进Linux内核。

2008年，RedHat收购了Qumranet，推出基于KVM的虚拟化产品套件，作为他们主推的虚拟化产品。

现在Linux内核的虚拟化模块包括KVM和XEN，但是基于Linux的虚拟化技术，大多数人默认的选择是KVM。

众所周知Linux是开源操作系统，所有在Linux内核上的开发都会被开源，KVM作为Linux内核的一部分，可以得到来自全世界的商业和个人支持，这意味着持续的系统升级、新特性升级和安全更新，因为这个原因，KVM会得到越来越多的支持，可以说KVM就是虚拟化技术的发展方向。

KVM简介

KVM特性
  • KVM内核模块安装到Linux内核中，Linux内核就变成了一个hypervisor。
  • KVM虚拟化需要CPU支持硬件虚拟化技术（Intel-VT或AMD-V）。
  • KVM作为hypervisor通过硬件虚拟化技术提供虚拟CPU和内存。支持CPU和内存超分。更多细节可以参考这篇文章
  • KVM通过/dev/kvm在hypervisor上暴露出可供用户空间访问的内核接口，这些接口需要由软件来调用，这个软件就是QEMU。另外，QEMU还负责模拟IO设备供guest使用。VirtIO通过在guest和模拟IO设备之间添加抽像层，达到IO设备的paravirtualization，提高了IO性能（参考这篇文章）。
  • 支持VM在线和离线迁移。
  • 支持VM快照（依虚拟磁盘类型而定）。
  • 网络层面支持基于Linux的NAT和Bridge.
将KVM投入使用的公司
  • IBM
  • Apple
  • Google (GCP)
  • RedHat
  • DigitalOcean
趋势
  • VMWare and HyperV are leading.
  • KVM is the future.
  • Citrix(Xen) is losing ground.

KVM架构

QEMU可以不依靠KVM模拟完整的guest系统，但性能很差，下图右上角的”QEMU guest”就是这样的模式。
KVM guest vs QEMU guest

Xen, KVM, QEMU架构对比
Xen vs KVM vs QEMU

下图左边是完全虚拟化的网卡通信，没有VirtIO抽像层，虚拟网卡和Hypervisor通信需要经过QEMU翻译。右边是添加了VirtIO抽像层的Paravirtualization版本，在Guest和hypervisor上安装了VirtIO驱动，虚拟网卡和Hypervisor通信经过VirtIO优化，提升了性能。
VirtIO作用示意图

KVM在CloudStack中的实际使用

整体配置
  • 以CloudStack作为云计算管理平台，用来管理hypervisors, Volumes, Clusters, Virtual Routers…
  • 云计算的主要作用：为各类应用系统，包括SAP软件，Hana DB等提供自动化部署。
  • 自动化部署使用Ansible，包括基础服务系统和客户系统。
  • 网络配置优化，VLan隔离用户。
  • KVM作为hypervisor
  • Ceph作为存储backend
  • 目录访问使用OpenLDAP
  • 监控用checkMK
云架构Overview

KVM应用实例

通过图形化界面调用基础设施服务(VPN, Webproxy, DNS, Routing, LDAP, Monitoring, Billing等)的API来读取VM的系统信息。CloudStack负责管理存储、网络和hypervisor.

通过图形化界面调用AnsibleAPI来管理基础设施服务和客户VM，比如：

  • 创建DNS记录
  • 创建Backup记录
  • 创建LDAP用户
  • 将VM加入监控系统名单
  • 调用CloudStackAPI创建或删除VM、Volume或其他CloudStack对象
  • 在操作系统层面配置VM或基础设施服务所在的服务器
CouldStack特性

支持多种类型的hypervisor，包括HyperV, VMWare, Citrix Xen, 当然还有KVM(基于Ubuntu或RedHat)。因为这个特性，多种hypervisor可以设置为在CloudStack上共存。

支持多种存储技术。

用Java开发，开源，社区活跃，Bug处理及时。

CloudStack架构

CloudStack架构

多台CloudStack Management Server实例组成一个服务器集群，接入MySQL数据库集群，提供统一的管理服务接口。

多种访问API：

  • User UI
  • Admin UI
  • Doman Admin UI

在hypervisor上装有CloudStackAgent，用以定义接口并和CloudStack进行通信。

通过API Bindings管理网络设备、防火墙。

通过一些额外的VM来管理和扩展一些服务，如second storage, console proxy等。

网络配置

网络配置模型

其中的缩写意义：

  • SSVM: Second Storage VM
  • CPVM: Console Proxy VM
  • VR: Virtual Router

上图是一个以KVM作为hypervisor的基本网络配置模型，hypervisor运行在Lenovo的物理机上，系统是Ubuntu。6块网卡，每2块Bond成为一个逻辑网卡，分别作为管理、客户和存储的网络接口。

客户的VM通过Virtual Router和Internet进行通信，也就是说，客户这块网卡是设置了VLan连接到外网的。

存储配置

CloudStack支持多种存储形式，包括常见的Local Storage, NFS, SMB, 以及这里使用的Ceph

Ceph

Ceph是下一代的分布式存储技术，扩容方便，支持商用硬盘，不依赖特殊的企业级存储产品（如EMC的产品）。

KVM原生支持Ceph作为Backend，相比于VMWare需要安装插件才可以支持。

典型客户Landscape应用场景

客户与客户之间的网络完全隔离，由CloudStack配置的虚拟路由作为网关。虚拟路由是CloudStack自带的，和KVM没有关系。客户VM通过虚拟路由和Internet通信

在CloudStack集群中，对应每个客户有一个Service VM，提供LDAP，监控，自动化管理等服务。自动化管理由客户专属的Ansible服务提供。