浅析openstack虚拟化技术

OpenStack

Openstack：OpenStack is a cloud operating system that controls large pools of compute, storage, and networking resources throughout a datacenter, all managed through a dashboard that gives administrators control while empowering their users to provision resources through a web interface. 以上是官网对 OpenStack 的定义，OpenStack对数据中心的计算、存储和网络资源进行统一管理。 由此可见，OpenStack 针对的是 IT 基础设施，是 IaaS 这个层次的云操作系统。

虚拟化

虚拟化是云计算的基础。虚拟机共享物理机的 CPU、内存、IO 硬件资源，但逻辑上虚拟机之间是相互隔离的。物理机我们一般称为宿主机（Host），宿主机上面的虚拟机称为客户机（Guest）。Host将自己的硬件资源虚拟化并提供给 Guest 使用主要是通过一个叫做 Hypervisor 的程序实现的。

Hypervisor是一种运行在物理服务器和操作系统之间的中间软件层,可允许多个操作系统和应用共享一套基础物理硬件，因此也可以看作是虚拟环境中的“元”操作系统，它可以协调访问服务器上的所有物理设备和虚拟机，也叫虚拟机监视器（Virtual Machine Monitor）。Hypervisor是所有虚拟化技术的核心。非中断地支持多工作负载迁移的能力是Hypervisor的基本功能。当服务器启动并执行Hypervisor时，它会给每一台虚拟机分配适量的内存、CPU、网络和磁盘，并加载所有虚拟机的客户操作系统。

根据Hypervisor 的实现方式和所处的位置，虚拟化又分为两种：
1型虚拟化和2型虚拟化

1型虚拟化

Hypervisor 直接安装在物理机上，多个虚拟机在 Hypervisor上运行。Hypervisor 实现方式一般是一个特殊定制的 Linux 系统。Xen 和VMWare 的 ESXi 都属于这个类型。

 

2型虚拟化

物理机上首先安装常规的操作系统，比如 Redhat、Ubuntu 和Windows。Hypervisor 作为 OS 上的一个程序模块运行，并对管理虚拟机进行管理。KVM、VirtualBox 和VMWare Workstation 都属于这个类型。

理论上讲：

1型虚拟化一般对硬件虚拟化功能进行了特别优化，性能上比2型要高；

2型虚拟化因为基于普通的操作系统，会比较灵活，比如支持虚拟机嵌套。嵌套意味着可以在KVM虚拟机中再运行KVM。

 

KVM

下面重点介绍KVM这种2型虚拟化技术。

基本概念

KVM 全称是Kernel-Based Virtual Machine。即 KVM 是基于 Linux 内核实现的。OpenStack 对 KVM 支持得也最好。
KVM有一个内核模块叫 kvm.ko，只用于管理虚拟 CPU 和内存。

而IO 的虚拟化，比如存储和网络设备由Linux 内核和Qemu来实现。

即KVM 本身只关注虚拟机调度和内存管理这两个方面。IO 外设的任务交给 Linux 内核和Qemu。

Libvirt简单说就是 KVM的管理工具。

其实，Libvirt除了能管理 KVM 这种 Hypervisor，还能管理 Xen，VirtualBox 等。OpenStack底层也使用 Libvirt，所以很有必要学习一下。

Libvirt 包含 3 个东西：后台 daemon 程序 libvirtd、API库和命令行工具 virsh

1.    libvirtd是服务程序，接收和处理 API请求；

2.    API 库使得其他人可以开发基于 Libvirt 的高级工具，比如 virt-manager，这是个图形化的 KVM 管理工具，后面我们也会介绍；

3.    virsh 是我们经常要用的KVM 命令行工具，后面会有使用的示例。 作为 KVM 和OpenStack 的实施人员，virsh 和virt-manager 是一定要会用的。

CPU 虚拟化

KVM 的虚拟化是需要CPU 硬件支持的。

虚机中的每一个虚拟 vCPU 则对应 qemu-kvm 进程中的一个线程。看下图

 

即虚机的 vCPU 总数可以超过物理 CPU 数量，这个叫 CPU overcommit（超配）。 KVM 允许 overcommit，这个特性使得虚机能够充分利用宿主机的 CPU 资源。但在使用overcommit 的时候，需要对虚机的负载情况有所了解，需要测试。

内存虚拟化

KVM 通过内存虚拟化共享物理系统内存，动态分配给虚拟机。看下图

 

为了在一台机器上运行多个虚拟机，KVM 需要实现 VA（虚拟内存） -> PA（物理内存） -> MA（机器内存）直接的地址转换。虚机 OS 控制虚拟地址到客户内存物理地址的映射（VA -> PA），但是虚机 OS 不能直接访问实际机器内存，因此 KVM 需要负责映射客户物理内存到实际机器内存 （PA -> MA）。

内存也是可以 overcommit 的，即所有虚机的内存之和可以超过宿主机的物理内存。但使用时也需要充分测试，否则性能会受影响。

网络虚拟化

 

这是 OpenStack 官网上给出的计算节点（可以理解为 KVM 的宿主机）虚拟网络的逻辑图，上面的网络设备很多，层次也很复杂。

网络虚拟化中最重要的两个东西：Linux Bridge 和 VLAN