Linux虚拟化技术：KVM与Docker高效环境搭建教程


参考资源链接：[Linux命令大全完整版（195页）.pdf](https://wenku.csdn.net/doc/6461a4a65928463033b2078b?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. Linux虚拟化技术概述

Linux虚拟化技术是在不断发展的，它带来了许多好处，包括硬件资源的高效利用、服务器整合、以及能够快速部署不同操作系统和应用程序的环境。虚拟化技术的应用范围非常广泛，从桌面到数据中心，几乎覆盖了整个IT行业。在本章中，我们将简要介绍Linux虚拟化技术的类别、重要性以及它是如何在现代IT架构中发挥作用的。

虚拟化技术可以分为两大类：全虚拟化和半虚拟化。全虚拟化允许在虚拟机上运行未修改的操作系统，而半虚拟化则需要为虚拟化环境对操作系统进行一定程度的修改。除此之外，容器化技术，如Docker，因其轻量级和启动速度快的特点，已成为虚拟化技术的新宠。接下来的章节将深入讨论KVM和Docker的实践应用。

在深入学习虚拟化技术之前，了解其核心原理和相关术语是十分重要的。虚拟化技术涉及许多层面，如CPU、内存、存储和网络资源的抽象与管理，本章内容将作为读者进入更深层次学习的基础。

# 2. KVM虚拟化平台搭建与管理

## 2.1 KVM基础理论介绍

### 2.1.1 KVM的工作原理和架构

内核虚拟机（Kernel-based Virtual Machine，简称KVM）是一种开源的虚拟化技术，它被集成到Linux内核中，通过模块化的方式提供了虚拟化解决方案。KVM作为一个内核模块，它利用了硬件支持的虚拟化技术（如Intel VT或AMD-V）来创建和管理虚拟机。

在KVM架构中，虚拟机被划分为两个主要部分：用户空间的qEMU和内核空间的KVM模块。qEMU是一个开源的机器模拟器和虚拟化器，它可以模拟处理器的行为，并通过KVM模块与Linux内核交互。qEMU负责模拟硬件和处理I/O，而KVM模块则在内核中为虚拟CPU提供时间管理和内存管理等功能。

当一个虚拟机运行时，每个虚拟CPU在主机CPU中作为一个线程运行。这些虚拟CPU线程通过Linux调度器得到调度，就像普通进程一样。这为虚拟机的执行效率和灵活性提供了保证。

KVM自身不提供图形用户界面，它依赖于外部工具如libvirt和virt-manager来进行管理。libvirt是一个管理虚拟化平台的API库，它提供了一套稳定的API供外部程序使用，同时支持多种虚拟化技术，包括KVM、Xen等。virt-manager是一个基于libvirt的用户图形界面工具，它提供了一个直观的方式来创建和管理虚拟机。

### 2.1.2 CPU虚拟化技术和内存管理

CPU虚拟化技术是虚拟化平台的核心组件之一。在KVM中，CPU虚拟化是通过硬件辅助的虚拟化扩展（如Intel VT-x和AMD-V）实现的。这些技术能够允许一个运行在虚拟机中的操作系统（虚拟客户机）直接运行在物理硬件上，而不是在一个完全模拟的环境中。这样一来，客户机操作系统中的代码就可以像在物理机上一样直接运行在CPU上，大大提高了性能。

KVM中的CPU虚拟化通过硬件辅助的页面表来实现。客户机虚拟地址空间映射到主机物理地址空间，这个过程由硬件自动处理。这使得虚拟机的地址转换和缓存维护变得高效。

关于内存管理，KVM采用了与CPU虚拟化类似的硬件辅助机制。KVM利用了硬件虚拟内存管理机制（EPT/NPT），将客户机物理地址映射到主机物理地址。这种映射使得虚拟机的内存访问更加快速和安全。

KVM支持多种内存管理技术，比如影子页表（Shadow Page Table）和大页面（Hugepages）。大页面的使用可以减少TLB（ Translation Lookaside Buffer）的使用次数，从而提升内存访问速度。影子页表由软件维护，以确保虚拟机的内存管理指令能够正确地转换到主机的物理内存空间。

总的来说，KVM的CPU和内存虚拟化技术使它成为了一个高性能的虚拟化平台，能够提供接近物理硬件的运行效率，并通过硬件的支持提供了良好的隔离性与安全性。

## 2.2 KVM环境配置实战

### 2.2.1 安装KVM及其依赖包

在开始安装KVM之前，我们需要确认CPU是否支持虚拟化技术，以及该技术是否已经启用。可以通过查看`/proc/cpuinfo`文件来确认CPU是否支持虚拟化，同时可以使用`egrep -c '(vmx|svm)' /proc/cpuinfo`命令来检查是否已经启用该技术。

确认CPU虚拟化支持后，我们可以开始安装KVM及其依赖包。以下是基于Ubuntu系统的安装步骤：

# 更新系统包列表
sudo apt update

# 安装KVM软件包组，包括KVM核心模块、QEMU虚拟机程序及一些必需的库
sudo apt install qemu qemu-kvm libvirt-daemon-system libvirt-clients bridge-utils virt-manager

# 接下来安装依赖包
# libvirt-bin用于管理虚拟机的虚拟化守护进程
# cpu-checker用于检查CPU是否支持硬件虚拟化
sudo apt install libvirt-bin cpu-checker

# 运行virt-host-validate检查依赖项是否满足
sudo virt-host-validate

# 开启并启动libvirtd服务
sudo systemctl enable --now libvirtd

# 检查KVM模块是否已加载
lsmod | grep kvm

上述命令安装了KVM所需的软件包，启用了虚拟化守护进程libvirtd，并确认了KVM模块是否已正确加载。

### 2.2.2 配置虚拟机存储和网络

在配置KVM虚拟机之前，需要设置好虚拟机的存储和网络环境。存储配置包括存储池和卷的设置，而网络配置则涵盖了桥接和NAT网络的创建。

首先，创建虚拟机的存储池，这可以通过以下命令完成：

# 创建存储池目录
sudo mkdir -p /var/lib/libvirt/images

# 设置目录权限
sudo chown libvirt-qemu:kvm /var/lib/libvirt/images

# 创建一个新的存储池
sudo virsh pool-define-as --name my_pool --type dir --target /var/lib/libvirt/images/

# 启动存储池
sudo virsh pool-start my_pool

# 将存储池设置为自动启动
sudo virsh pool-autostart my_pool

对于网络配置，可以使用libvirt提供的网络管理工具virsh来创建和管理虚拟网络：

# 创建桥接网络，确保虚拟机可以与宿主机共享网络
sudo virsh net-define /etc/libvirt/qemu/networks/bridge.xml
sudo virsh net-autostart bridge
sudo virsh net-start bridge

如果需要创建一个NAT网络，使得虚拟机在隔离的网络中运行，可以执行以下命令：

# 创建NAT网络
sudo virsh net-define /etc/libvirt/qemu/networks/nat.xml
sudo virsh net-autostart nat
sudo virsh net-start nat

这些步骤设置了KVM的存储和网络，为后续的虚拟机创建提供了基础设施。

### 2.2.3 创建和管理虚拟机实例

创建虚拟机实例涉及到指定操作系统镜像、配置CPU和内存资源以及网络设置等步骤。使用`virt-install`命令行工具可以方便地完成这些工作：

sudo virt-install \
  --name centos7-vm \
  --ram 2048 \
  --vcpus 2 \
  --disk path=/var/lib/libvirt/images/centos7-vm.qcow2,size=20 \
  --network network=bridge \
  --os-type linux \
  --os-variant centos7.0 \
  --location '/var/lib/libvirt/isos/CentOS-7-x86_64-Minimal-2009.iso' \
  --graphics none \
  --console pty,target_type=serial \
  --extra-args 'console=tty0 console=ttyS0,115200n8'

该命令创建了一个名为`centos7-vm`的虚拟机，分配了2GB的内存和2个虚拟CPU核心，使用了已定义的桥接网络，并指定了安装源。

接下来，可以使用`virsh`命令来管理和控制虚拟机：

# 启动虚拟机
sudo virsh start centos7-vm

# 查看虚拟机状态
sudo virsh list --all

# 关闭虚拟机
sudo virsh shutdown centos7-vm

# 强制关闭虚拟机
sudo virsh destroy centos7-vm

# 删除虚拟机
sudo virsh undefine centos7-vm

这些基本的`virsh`命令使得虚拟机的生命周期管理变得非常简单。通过这样的方式，我们可以根据需要快速地创建、启动、停止和删除虚拟机。

## 2.3 KVM性能调优与故障排除

### 2.3.1 常见性能瓶颈分析与优化

在使用KVM搭建虚拟化环境时，可能会遇到性能瓶颈，尤其是当宿主机资源有限或者虚拟机数量较多时。以下是一些常见的性能瓶颈及其优化方法：

1. CPU资源竞争：当多个虚拟机或进程竞争物理CPU资源时，会导致性能下降。为了避免这种情况，可以适当调整虚拟机的CPU分配策略，使用C