Linux 核心虛擬技術 - KVM（Kernel-based Virtual Machine）

KVM， 全名為 Kernel-based Virtual Machine ，自 2006 年 12 月起，就屬於 Linux 核心架構下的一部分，簡單來說，就是以後 Linux 系統核心，就具備支援虛擬化的功能，並且是以核心模組化的方式載入執行，只要硬體搭配得宜（此指 CPU 支援虛擬化技術，也就是 lntel VT 或 AMD-V ），再安裝 KVM 這一套虛擬系統，就可以直接在現有的 Linux 系統架構之下，建構裸機式（ Bare-Metal ）虛擬系統平台。

所以，首先，我們必須知道手上的電腦 / 伺服器的 CPU 是否可執行 KVM，也就是是否支援 lntel VT 或 AMD-V ，不過，如果沒有 CPU 的相關資訊（如型號或是說明文件），該如何知道 CPU 有沒有 lntel VT 或 AMD-V 呢？有以下幾種方式可以知道：

# 備註1：這邊所謂的〝可否執行 KVM〞，並不代表，若 CPU 不支援 Intel VT 或 AMD-V 就不可以使用 KVM，這邊指的是有沒有核心模組可以來釋放 KVM 全部的效能，若 CPU 不支援虛擬化技術，還是可以安裝與使用 KVM，不過，這時實際在運作的，就不是 KVM 了，而是 QEMU。


開始檢查

方法一：若電腦 / 伺服器已經安裝 Linux 系統，在此以 Ubuntu 10.04 LTS 版本為例，只要開啟終端機，直接輸入以下指令：

$ kvm-ok

按下 Enter 鍵之後，若看到〝INFO: Your CPU supports KVM extensions〞的字串，這就表示 CPU 支援虛擬化技術。

# 備註2：若系統為 RedHat 或是 CentOS ，必須注意 SELinux 是開啟的狀態，否則之後一些動作（vitr-install）將不會正常運作，請利用〝system-config-securitylevel〞指令來確認 SELinux 的狀態，確認之後，將指令置換為〝egrep '(vmx | svm)' --color=always /proc/cpuinfo〞，或簡單一點〝egrep '(vmx | svm)' /proc/cpuinfo〞，來查看 CPU 相關訊息，如果什麼資訊都沒有，那就表示此電腦的 CPU 不支援虛擬化技術了。

方法二：取得 Ubuntu LiveCD ，以此光碟開機，進入系統之後，再由終端機輸入〝kvm-ok〞，就可以得知 CPU 是否支援虛擬化技術。

# 備註3：再次強調，若 CPU 沒有支援虛擬化技術, 還是可以安裝 KVM 套件, 只是系統會以 QEMU 來執行虛擬主機 (速度很慢)。

方法三：直接上 CPU 硬體廠商的官方網站，查詢 CPU 相關訊息即可得知。

# 備註4： Intel：http://www.intel.com/products/processor_number/
AMD：http://www.amd.com/tw/products/Pages/processors.aspx


安裝 Linux KVM

確認 CPU 是否支援虛擬化技術之後，接著就是要安裝 KVM 套件，請開啟終端機並輸入：

$ sudo apt-get install kvm

（按下 enter 鍵之後，若系統提示需要輸入密碼，請輸入管理者密碼，系統提示是否安裝套件時，請輸入〝y〞）

而 KVM 相關的安裝套件所下圖所示：

不過，一股腦的裝了一堆套件之後，怎知道 KVM 是否有在運作？其實，只要輸入以下指令，就可以知道了：

$ lsmod | grep kvm

只要看到以下的輸出結果，就可以確認 KVM 有正常在運作：

kvm_intel 44896 2
kvm 159656 1 kvm_intel

# 備註5：〝kvm_intel〞，表示 CPU 的廠商為 Intel ，若是 AMD ，則會顯示〝kvm_amd〞

還記得，前面有提到，KVM 是以模組化的方式，讓系統核心可以執行虛擬化，那到底是哪些模組呢？讓我們關心一下吧；在終端機輸入以下指令：

$ modprobe -l | grep kvm

按下 Enter 鍵之後，畫面會顯示以下訊息：

kernel/arch/x86/kvm/kvm.ko
kernel/arch/x86/kvm/kvm-intel.ko
kernel/arch/x86/kvm/kvm-amd.ko

沒錯，這三個 .ko 的檔案，就是 KVM 相關的核心模組。

# 備註6：筆者在撰寫此文章時，所接觸的 Linux 核心版本為 2.6.28 ~ 2.6.32 ，由於 KVM 是 Linux 核心支援的原生虛擬化技術，所以上述所查看到的三個 .ko 的檔案，並非因為安裝 kvm 之後才一併安裝近來的模組，而是一開始就存在於系統之內的核心模組！

KVM 安裝完成之後，與一般虛擬系統（如 VMware ）最大的不同，在於套件本身並沒有包含 GUI 套件，也就是沒有視窗介面的操作環境，必須完全在終端機下，以指令與相關參數的配合，來建置與運行虛擬電腦，我想，看到這段說明，大概會使得許多人對於 KVM 退避三舍吧，但別擔心，自由軟體的好處，就是擁有無限的可能性，原生套件所沒有的東西，在許多人的努力之下，總是會慢慢成形的，也就是說， KVM 還是有相關的 GUI 套件可以安裝使用。不過，GUI 介面的相關操作，背後還是憑藉相關指令與參數的組合，來達到虛擬電腦的創建與操作，所以在使用 GUI 套件之前，還是先來熟悉一下指令的操作與參數的運用吧。

既然，需要使用指令來操作虛擬電腦的建立與運作，那 KVM 到底提供了哪些指令呢？用以下的指令，就可以查詢到 KVM 的相關操作指令：

$ ls -la / usr/bin | grep kvm

查詢之後的結果如下圖：

而這六個指令，就是之後操作 KVM 所會用的到的相關操作指令了。


你的第一個虛擬電腦

基本上，要建立一個虛擬電腦，有以下的基本順序：

第一，要分割（建立）一個硬碟空間來安裝作業系統，不過，在虛擬環境下，所謂的硬碟空間，其實只是一個檔案，安裝的作業系統與所有的資料，都存在這一個檔案裡面。

第二、以光碟開機，安裝作業系統，當然，也可以用掛載映像檔（ISO 檔案）的方式，來安裝。

第三、安裝完成，啟動作業系統，開始使用虛擬電腦。

這看起來似乎很簡單，沒錯，就是這麼簡單，要架構一個基本的虛擬電腦，差不多三個步驟就可以完成，只是需要在終端機下，以指令的方式來完成上述的三大步驟，不過別擔心，照著以下的步驟，就會發現，其實，使用基本的 KVM ，並沒有很困難。

建立硬碟檔案（或硬碟映像檔）

回到終端機畫面，在游標提示列輸入以下指令：

$ kvm-img create -f qcow2 us1042.qcow 4G

• kvm-img：KVM 建立硬碟檔案的指令
• create：建立的參數
• -f qcow2 ：指定硬碟檔案的格式（以此為例， qcow2 為 QEMU 第二版的檔案格式，且是採用〝隨需擴增〞的模式）
• us1042.qcow：硬碟檔案名稱，其中，〝.qcow〞的副檔名，只是方便辨識，也可以任意設定
• 4G：指定硬碟檔案的大小，這樣設定，表示最終硬碟檔案的大小最大只到 4G，且預設採用的是動態增加使用空間，直到 4G ，而不是一次劃分出 4G 來使用。

按下 Enter 鍵之後，若看到以下回應訊息，則代表硬碟檔案建立成功：

Formatting 'factory.img', fmt=qcow2 size=4294967296 encryption=off cluster_size=0

安裝作業系統

接著就要在虛擬電腦內安裝作業系統了，接著輸入以下指令：

$ kvm -m 512 -localtime -hda us1042.qcow -cdrom ubuntu-10.04-desktop-i386.iso -boot d

• kvm：執行 KVM
• -m 512 ：指定虛擬電腦的記憶體為 512 MB
• -localtime：指定以實體電腦的時間為虛擬電腦的時間
• -hda us1042.qcow：指定硬碟檔案，也就是前一步驟所建立的檔案，若檔案不在當前的執行目錄內，記得要給完整的檔案所在路徑。
• -cdrom ubuntu-10.04.2-desktop-i386.iso：指定要安裝的光碟（或映像檔）
• -boot d ：指定以光碟開機

按下 Enter 鍵之後，就會看到跳出一個黑色視窗，不一會就會進入作業系統的安裝畫面，接著按照此作業系統的安裝步驟，一部一部的依序設定安裝，就可以啦～

大 部分的作業系統，安裝完成之後，都會要求重新開機，所安裝的虛擬電腦也不例外，不過，重新開機之後，大家應該都會傻眼，重新開機之後的視窗，怎會顯示找不 到開機檔案呢？剛剛不是才把作業系統安裝完成嗎？怎麼馬上就不能使用呢？別擔心，讓我們回想一下，剛剛在虛擬電腦內安裝作業系統時，不是指定以光碟開機 嗎？重新開機之後，光碟檔案就卸載，沒有了光碟，當然開不了機，虛擬電腦也就會跟使用者反應，無法開機嘛～

啟動虛擬電腦

讓我們先關掉虛擬電腦的運作視窗，再回到終端機畫面，並輸入以下指令：

$ kvm -m 512 -localtime -hda us1042.qcow -boot c

• -boot c：指定硬碟（硬碟檔案）開機

再按下 enter 鍵之後，虛擬電腦的運作視窗會重新開啟，就會發現，已經可以正常開啟，並登入剛剛安裝好的虛擬電腦了～


KVM 運作架構

操作了一堆指令，雖然已經學會利用 KVM 的相關指令，來架構與安裝虛擬電腦，不過，到底 KVM 是怎樣運作的呢？由以下的架構圖，可以略窺一二：

先簡單說明一下圖中相關名稱的意思：

• Hardware：這邊指的是實體電腦的硬體架構， CPU 有支援虛擬化技術（ Inter VT-x or AMD V Pacifica ）
• OS / VM：代表虛擬電腦
• Memory & CPU Paravirtualized（橘線）： 這邊，主要要強調，由於 KVM 的虛擬化技術是 Linux 核心所支援的，所以虛擬電腦的 CPU 核心指令與記憶體的使用，可以直接通透到實體電腦的 CPU 之內，並直接進行解析與動作，不需要再透過一個轉譯的動作來傳達虛擬電腦與實體電腦之間的 CPU 核心命令
• Emulated Storage & Network（紅線、 QEMU ）：這邊指的是虛擬電腦的週邊裝置，如硬碟、網路卡、顯示卡等，都是透過 QEMU 來模擬並與實體電腦進行溝通

所 以由上圖所示，可以得知 KVM 內的虛擬電腦，主要有兩大部分，第一是 CPU 與記憶體的運作，第二則是週邊裝置的連結，其中 CPU 與記憶體的部份，因為 Linux 的核心支援虛擬化技術，所以虛擬電腦 CPU 的核心指令，可以直接進入實體 CPU 來進行運作，以提高運算效能與速度，而另一的重要的環節，就是 QEMU，也就是控制所有週邊裝置的套件。

QEMU 本身就是一套虛擬系統，也可以獨力建立與安裝虛擬電腦，而 KVM ，就是以 QEMU 為基礎，搭配 CPU 虛擬化技術而創建的虛擬系統，而最初利用指令所安裝的 KVM 套件 ，實際上安裝的是 qemu-kvm ，兩者差別在於，當使用 kvm 指令來操作時，若 CPU 有支援虛擬化技術時，用的是 kvm ，反之則是 qemu。

回 頭看看操作步驟，以 KVM 來建立虛擬電腦，似乎很簡單，也好像有這麼一回事，不過，若是仔細回頭想想，似乎少了些什麼，譬如，網路卡與網路組態的設定，而在前述的指令中，好像也沒 有看到與網路相關設定的參數，沒錯，上述的三大步驟，只是建立虛擬電腦的基本動作，若要讓整個虛擬電腦運作更完善，則需要更多的參數來輔助，尤其是網路架 構， KVM 的運作模式有別於一般的虛擬系統，有點特別，不過，就目前單一虛擬電腦來說，是可以對外連線上網的，至於原理與設定步驟，這就留到下一章節再來討論吧～