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适用范围 SUSE Linux Enterprise Server 15 SP3

33 设置 KVM VM 主机服务器

 

本节介绍如何设置并使用 SUSE Linux Enterprise Server 15 SP3 作为基于 QEMU-KVM 的虚拟机主机。

提示
提示：资源

一般情况下，虚拟 Guest 系统所需的硬件资源与将其安装在物理机上时所需的资源相同。您打算在主机系统上运行的 Guest 越多，需要添加到 VM 主机服务器的硬件资源（CPU、磁盘、内存和网络）就越多。

33.1 CPU 的虚拟化支持

 

要运行 KVM，您的 CPU 必须支持虚拟化，并且需要在 BIOS 中启用虚拟化。/proc/cpuinfo 文件包含有关 CPU 功能的信息。

要确定您的系统是否支持虚拟化，请参见第 7.1.1 节 “KVM 硬件要求”。

33.2 所需的软件

 

需在 KVM 主机上安装多个软件包。要安装所有必要的软件包，请执行以下操作：

  1. 确认是否已安装 yast2-vm 软件包。此软件包是 YaST 的配置工具，可以简化虚拟化超级管理程序的安装过程。

  2. 运行 YaST › 虚拟化 › 安装超级管理程序和工具。

    安装 KVM 超级管理程序和工具
    图 33.1︰ 安装 KVM 超级管理程序和工具
     

  3. 选择 KVM 服务器，最好也选择 KVM 工具，然后单击接受确认。

  4. 在安装过程中，您可以选择性地让 YaST 自动为您创建网桥。如果您不打算另外为虚拟 Guest 使用一块物理网卡，那么将 Guest 计算机连接到网络的标准方式就是使用网桥。

    网桥
    图 33.2︰ 网桥
     

  5. 安装所有所需的软件包（并激活新网络设置）后，尝试装载适用于您的 CPU 类型的 KVM 内核模块 — kvm-intel 或 kvm-amd： 

    root # modprobe kvm-intel

    检查该模块是否已装载到内存中： 

    tux > lsmod | grep kvm
kvm_intel              64835  6
kvm                   411041  1 kvm_intel

    现在，KVM 主机即可为 KVM VM Guest 提供服务。有关更多信息，请参见第 35 章 “使用 qemu-system-ARCH 运行虚拟机”。

33.3 特定于 KVM 主机的功能

 

您可以让基于 KVM 的 VM Guest 充分使用 VM 主机服务器硬件的特定功能（半虚拟化），以此提高这些 Guest 的性能。本节将介绍可以通过哪些方法来使 Guest 直接访问物理主机的硬件（无需模拟层），以充分利用这些硬件。

提示
提示

本节中的示例假设读者基本了解 qemu-system-ARCH 命令行选项。有关更多信息，请参见第 35 章 “使用 qemu-system-ARCH 运行虚拟机”。

33.3.1 使用具有 virtio-scsi 的主机储存设备

 

virtio-scsi 是 KVM 的高级储存堆栈。它取代了以前用于 SCSI 设备直通的 virtio-blk 堆栈。与 virtio-blk 相比，它具有多项优势：

提高了可缩放性

KVM Guest 的 PCI 控制器数量有限，导致可挂接的设备数量也受到限制。virtio-scsi 解决了这个限制，因为它可以将多个储存设备组合到单个控制器上。virtio-scsi 控制器上的每个设备以逻辑单元 (LUN) 表示。

标准命令集

virtio-blk 使用 virtio-blk 驱动程序和虚拟机监视器均需知道的一小组命令，因此引入新命令需要同时更新该驱动程序和监视器。

相比之下，virtio-scsi 并不定义命令，而是遵循行业标准 SCSI 规范为这些命令定义一个传输协议。此方法与光纤通道、ATAPI 和 USB 设备等其他技术共享。

设备命名

virtio-blk 设备在 Guest 中显示为 /dev/vdX，这与物理系统中的设备名称不同，可能导致迁移时出现问题。

virtio-scsi 会确保设备名称与物理系统上的名称相同，这样便可轻松重新定位虚拟机。

SCSI 设备直通

对于由主机上整个 LUN 提供支持的虚拟磁盘，最好让 Guest 直接向 LUN 发送 SCSI 命令（直通）。此功能在 virtio-blk 中受到限制，因为 Guest 需使用 virtio-blk 协议而不是 SCSI 命令直通，此外，此功能并不适用于 Windows Guest。virtio-scsi 原生消除了这些限制。

33.3.1.1 virtio-scsi 的用法

 

KVM 支持对 virtio-scsi-pci 设备使用 SCSI 直通功能： 

root # qemu-system-x86_64 [...] \
-device virtio-scsi-pci,id=scsi

33.3.2 使用 vhost-net 实现加速网络

 

vhost-net 模块用于加速 KVM 的半虚拟化网络驱动程序。它可提供更低的延迟和更高的网络吞吐量。通过以下示例命令行启动 Guest 即可使用 vhost-net 驱动程序： 

root # qemu-system-x86_64 [...] \
-netdev tap,id=guest0,vhost=on,script=no \
-net nic,model=virtio,netdev=guest0,macaddr=00:16:35:AF:94:4B

请注意，guest0 是 vhost 驱动的设备的标识字符串。

33.3.3 使用多队列 virtio-net 提升网络性能

 

QEMU 提供了使用多队列提升网络性能的方式，来应对 VM Guest 中的虚拟 CPU 数量增加的情况。多队列 virtio-net 允许 VM Guest 的虚拟 CPU 并行传输包，因此可以提升网络性能。VM 主机服务器和 VM Guest 端都需要提供多队列支持。

提示
提示：性能优势

多队列 virtio-net 解决方案在以下情况下最有利：

  • 网络流量包较大。

  • VM Guest 上存在许多同时保持活动状态的连接，这些连接主要是在 Guest 系统之间、Guest 与主机之间，或者 Guest 与外部系统之间建立的。

  • 活动队列数量等于 VM Guest 中虚拟 CPU 的数量。

注意
注意

尽管多队列 virtio-net 可以增加总网络吞吐量，但由于使用了虚拟 CPU 的计算资源，因此也会增加 CPU 消耗量。

过程 33.1︰ 如何启用多队列 virtio-net
 

下面的过程列出了使用 qemu-system-ARCH 启用多队列功能的重要步骤。假设在 VM 主机服务器上设置了一个具有多队列功能（自内核版本 3.8 开始支持此功能）的 tap 网络设备。

  1. 在 qemu-system-ARCH 中，为该 tap 设备启用多队列： 

    -netdev tap,vhost=on,queues=2*N

    其中 N 代表队列对的数量。

  2. 在 qemu-system-ARCH 中，为 virtio-net-pci 设备启用多队列并指定 MSI-X（消息信号式中断）矢量。 

    -device virtio-net-pci,mq=on,vectors=2*N+2

    在用于计算 MSI-X 矢量数量的公式中：N 个矢量用于 TX（传输）队列，N 个矢量用于 RX（接收）队列，一个矢量用于配置目的，一个矢量用于可能的 VQ（矢量量化）控制。

  3. 在 VM Guest 中的相关网络接口（在本示例中为 eth0）上启用多队列： 

    tux > sudo ethtool -L eth0 combined 2*N

最终的 qemu-system-ARCH 命令行类似于以下示例： 

qemu-system-x86_64 [...] -netdev tap,id=guest0,queues=8,vhost=on \
-device virtio-net-pci,netdev=guest0,mq=on,vectors=10

请注意，对于命令行的两个选项，需指定相同的网络设备 id (guest0)。

在运行中的 VM Guest 内部，以 root 特权指定以下命令： 

tux > sudo ethtool -L eth0 combined 8

现在，Guest 系统网络将使用 qemu-system-ARCH 超级管理程序的多队列支持。

33.3.4 VFIO：对设备进行安全的直接访问

 

将 PCI 设备直接指派到 VM Guest（PCI 直通）可以避免在性能关键型路径中进行任何模拟，从而避免性能问题。VFIO 取代了传统的 KVM PCI 直通设备指派。要使用此功能，VM 主机服务器配置必须符合重要：VFIO 和 SR-IOV 的要求中所述的要求。

要通过 VFIO 将 PCI 设备指派到 VM Guest，需要确定该设备属于哪个 IOMMU 组。IOMMU（用于将支持直接内存访问的 I/O 总线连接到主内存的输入/输出内存管理单元）API 支持组表示法。组是可与系统中的所有其他设备相互隔离的一组设备。因此，组是 VFIO 使用的所有权单元。

过程 33.2︰ 通过 VFIO 将 PCI 设备指派到 VM Guest
 

  1. 标识要指派到 Guest 的主机 PCI 设备。 

    tux > sudo lspci -nn
[...]
00:10.0 Ethernet controller [0200]: Intel Corporation 82576 \
Virtual Function [8086:10ca] (rev 01)
[...]

    记下设备 ID（在本例中为 00:10.0）和供应商 ID (8086:10ca)。

  2. 确定此设备的 IOMMU 组： 

    tux > sudo readlink /sys/bus/pci/devices/0000\:00\:10.0/iommu_group
../../../kernel/iommu_groups/20

    此设备的 IOMMU 组为 20。现在，您可以检查该设备是否属于同一个 IOMMU 组： 

    tux > sudo ls -l /sys/bus/pci/devices/0000\:01\:10.0/iommu_group/devices/
[...] 0000:00:1e.0 -> ../../../../devices/pci0000:00/0000:00:1e.0
[...] 0000:01:10.0 -> ../../../../devices/pci0000:00/0000:00:1e.0/0000:01:10.0
[...] 0000:01:10.1 -> ../../../../devices/pci0000:00/0000:00:1e.0/0000:01:10.1

  3. 从设备驱动程序取消绑定设备： 

    tux > sudo echo "0000:01:10.0" > /sys/bus/pci/devices/0000\:01\:10.0/driver/unbind

  4. 使用步骤 1 中记下的供应商 ID 将设备绑定到 vfio-pci 驱动程序： 

    tux > sudo echo "8086 153a" > /sys/bus/pci/drivers/vfio-pci/new_id

    系统即会创建一个新设备 /dev/vfio/IOMMU_GROUP，在本例中为 /dev/vfio/20。

  5. 更改新建设备的所有权： 

    tux > sudo chown qemu.qemu /dev/vfio/DEVICE

  6. 现在，运行为其指派了 PCI 设备的 VM Guest。 

    tux > sudo qemu-system-ARCH [...] -device
     vfio-pci,host=00:10.0,id=ID
重要
重要：不支持热插拔

从 SUSE Linux Enterprise Server 15 SP3 开始，不支持通过 VFIO 热插拔传递给 VM Guest 的 PCI 设备。

/usr/src/linux/Documentation/vfio.txt 文件中提供了有关 VFIO 驱动程序的更详细信息（需要安装软件包 kernel-source）。

33.3.5 VirtFS：在主机与 Guest 之间共享目录

 

VM Guest 通常在单独的计算空间中运行 — 它们各自都有自己的内存范围、专用的 CPU 和文件系统空间。能够共享 VM 主机服务器文件系统的某些部分，就能通过简化相互数据交换来提高虚拟化环境的灵活性。网络文件系统（例如 CIFS 和 NFS）是共享目录的传统方式，但由于它们不是专为虚拟化目的而设计，因此会受制于重大的性能和功能问题。

KVM 引入了一种经过优化的新方法，称为 VirtFS（有时称为“文件系统直通”）。VirtFS 使用半虚拟文件系统驱动程序，可以避免将 Guest 应用程序文件系统操作转换为块设备操作，然后又将块设备操作转换为主机文件系统操作。

VirtFS 通常可用于以下情况：

  • 要从多个 Guest 访问共享目录，或者提供 Guest 到 Guest 的文件系统访问。

  • 在 Guest 引导过程中，要将虚拟磁盘替换为 Guest 的 RAM 磁盘所要连接到的根文件系统。

  • 要从云环境中的单个主机文件系统为不同的客户提供储存服务。

33.3.5.1 实施

 

在 QEMU 中，可以通过定义两种类型的服务来简化 VirtFS 的实现：

  • 用于在主机与 Guest 之间传输协议消息和数据的 virtio-9p-pci 设备。

  • 用于定义导出文件系统属性（例如文件系统类型和安全模型）的 fsdev 设备。

例 33.1︰ 使用 VirtFS 导出主机的文件系统
 
tux > sudo qemu-system-x86_64 [...] \
-fsdev local,id=exp11,path=/tmp/2,security_model=mapped3 \
-device virtio-9p-pci,fsdev=exp14,mount_tag=v_tmp5

1

要导出的文件系统的标识。

2

要导出的主机上的文件系统路径。

3

要使用的安全模型 — mapped 可使 Guest 文件系统模式和权限与主机相互隔离，而 none 会调用“直通”安全模型，其中，对 Guest 文件进行的权限更改也会反映在主机上。

4

前面使用 -fsdev id= 定义的导出的文件系统 ID。

5

稍后要用来在 Guest 上挂载所导出文件系统的挂载标记。

可按如下所示在 Guest 上挂载此类导出的文件系统： 

tux > sudo mount -t 9p -o trans=virtio v_tmp /mnt

其中，v_tmp 是前面使用 -device mount_tag= 定义的挂载标记，/mnt 是要将导出的文件系统挂载到的挂载点。

33.3.6 KSM：在 Guest 之间共享内存页

 

内核同页合并 (KSM) 是 Linux 内核的一项功能，可将多个运行中进程的相同内存页合并到一个内存区域中。由于 KVM Guest 在 Linux 中以进程的形式运行，KSM 为超级管理程序提供了内存过量使用功能，以提高内存的使用效率。因此，如果您需要在内存有限的主机上运行多个虚拟机，KSM 可能有所帮助。

KSM 将其状态信息储存在 /sys/kernel/mm/ksm 目录下的文件中： 

tux > ls -1 /sys/kernel/mm/ksm
full_scans
merge_across_nodes
pages_shared
pages_sharing
pages_to_scan
pages_unshared
pages_volatile
run
sleep_millisecs

有关 /sys/kernel/mm/ksm/* 文件含义的详细信息，请参见 /usr/src/linux/Documentation/vm/ksm.txt（软件包 kernel-source）。

要使用 KSM，请执行以下操作。

  1. 尽管 SLES 在内核中包含了 KSM 支持，但其默认处于禁用状态。要启用该支持，请运行以下命令： 

    root # echo 1 > /sys/kernel/mm/ksm/run

  2. 现在，请在 KVM 中运行多个 VM Guest，并检查 pages_sharing 和 pages_shared 文件的内容，例如： 

    tux > while [ 1 ]; do cat /sys/kernel/mm/ksm/pages_shared; sleep 1; done
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