雲端計算之路-虛擬化環境搭建及虛擬機器建立
1. 前言
在計算機技術中，虛擬化(Virtualization)是一種資源管理技術，它將計算機相關的各種資源（CPU、記憶體、磁碟、網路介面卡等）進行抽象、轉換後重新分配使用，大大增加了使用的靈活性。虛擬化有很多類別，包括硬體虛擬化、作業系統級虛擬化、應用虛擬化、服務虛擬化等。本文中所討論的虛擬化環境指硬體虛擬化環境，即通過使用虛擬機器監視器（Virtual Machine Monitor），隱藏底層硬體資訊，虛擬出通用的計算環境（即虛擬機器）。虛擬機器中執行的作業系統稱為客戶機作業系統（Guest OS），虛擬機器監視器(Virtual Machine Monitor)所在的作業系統成為宿主機作業系統(Host OS)。
當前硬體虛擬化技術有很多實現，包括VMware ESXi、XEN、QEMU/KVM、Microsoft Hyper-V、VirtualBox等。其中，QEMU/KVM由於KVM程式碼簡潔，複用了Linux Kernel中的CPU和記憶體排程等功能，進入了Linux Kernel主幹，因此最受歡迎。在筆者撰寫此文時，AWS剛剛宣佈放棄XEN，改用KVM作為其虛擬化引擎。本文在此也主要介紹QEMU/KVM虛擬化環境的搭建。
QEMU（Quick Emulator）是最早由Fabrice Bellard所編寫的硬體虛擬化軟體，通過對指令進行動態翻譯來實現虛擬化；同時，還支援模擬多種裝置。儘管QEMU的動態指令翻譯已經做得很好了，然而還是不可避免的存在效能損失，而KVM和硬體輔助虛擬化技術解決了該問題。KVM（Kernel-based Virtual Machine）是Linux Kernel中的一個模組，它藉助CPU的虛擬化特性，實現客戶機和宿主機執行狀態的切換。有了KVM，QEMU只需要負責模擬其他硬體，CPU和記憶體的虛擬化藉助KVM即可完成，大大提高了虛擬化的效能。
2. 虛擬化環境安裝
2.1 宿主機作業系統安裝
本文選用CentOS 7 X86_64位版本作為宿主機作業系統進行安裝和部署。從下載其發行版的ISO檔案（初學者建議下載Everything ISO，其中包含了所需的所有軟體包，省去了安裝時聯網下載過程）。宿主機作業系統建議安裝在硬體（PC或者伺服器）之上，若沒有硬體環境，可在VMware Workstation中進行安裝。在安裝過程中“軟體選擇”時，請勾選“虛擬化主機”中的“虛擬化平臺”、“GNOME桌面”中的“GNOME應用程式”與“傳統X Windows系統的相容性”，如圖所示：
圖 1 宿主機作業系統安裝（1）
圖 2 宿主機作業系統安裝（2）
若在安裝過程中沒有建立新的系統使用者，則在首次進入GNOME圖形介面後會要求建立，待建立使用者之後，即可開始使用。
2.1.1 QEMU/KVM安裝
由於KVM是Linux Kernel的一個模組，因此在系統安裝好後，KVM也安裝完成；同時，對於KVM的版本號，由於KVM隨著Linux Kernel一起釋出，所謂KVM的版本就是Linux Kernel的版本。 因為前文在系統安裝時選擇了“虛擬化平臺”選項，因此QEMU也已經自動被安裝。若讀者需要在已有的CentOS系統中安裝QEMU，可以使用以下命令手動安裝（其他不同發行版的Linux作業系統，安裝命令會有所不同）： [[email protected] ~]$ sudo yum install qemu-kvm 要檢驗是否已經安裝QEMU，可以使用rpm命令查詢，如下圖所示： [[email protected] ~]$ sudo rpm -qa | grep qemu ipxe-roms-qemu-20170123-1.git4e85b27.el7.noarch libvirt-daemon-driver-qemu-3.2.0-14.el7.x86_64 qemu-img-1.5.3-141.el7.x86_64 qemu-kvm-1.5.3-141.el7.x86_64 qemu-kvm-common-1.5.3-141.el7.x86_64 qemu-guest-agent-2.8.0-2.el7.x86_64
2.1.2 virt-viewer安裝
在啟動虛擬機器之後，可以使用遠端桌面連線軟體來交付虛擬機器桌面。由於QEMU支援基於VNC和Spice的交付方式，這裡使用支援上述兩種交付模式的virt-viewer包中的remote-viewer程式作為連線的客戶端。 使用如下命令安裝virt-viewer即可。 [lingyuecloud[email protected] ~]$ sudo yum install virt-viewer
3. 建立虛擬機器
3.1 映象準備
建議初學者使用現有映象來建立虛擬機器，待熟悉之後再手動製作映象。現有映象可以從OpenStack官方網站上下載，推薦下載CirrOS映象，其是體積非常小的Linux映象，非常適合用於測試場景。
3.2 啟動虛擬機器
3.2.1 使用QEMU命令啟動虛擬機器
通過QEMU啟動虛擬機器的命令如下： [[email protected] ~]$ /usr/libexec/qemu-kvm -hda cirros-0.3.5-x86_64-disk.img -m 256 -boot c -vnc :0 Could not access KVM kernel module: No such file or directory failed to initialize KVM: No such file ordirectory Back to tcg accelerator. 其中，後面三行列印日誌是說當前環境下的KVM支援未啟用，將採用指令翻譯模式執行。針對該問題，若要啟用KVM支援，則需要結合宿主主機作業系統所在的環境進行考慮：（1）若宿主機作業系統直接安裝在物理硬體之上，則需要在BIOS中設定開啟虛擬化支援；（2）若宿主機作業系統安裝在VMware Workstation中，需要在VMware環境設定的“處理器設定”選項中勾選“虛擬化 Intel VT-x/EPT 或 AMD-V/RVI(V)”選項。 啟動命令中各引數含義如下： Ø “/usr/libexec/qemu-kvm”：QEMU二進位制可執行檔案完整路徑； Ø “-hdacirros-0.3.5-x86_64-disk.img”：使用下載的cirros映象作為第1塊虛擬硬碟； Ø “-m 256”：記憶體設定為256MB； Ø “-boot c”：設定為首先從硬碟啟動； Ø “-vnc :0”：在埠0（連線的時候使用5900）上開啟vnc服務； 虛擬機器執行之後，即可使用remote-viewer進行連線。在本地Linux環境下在shell中執行“remote-viewer”命令，然後輸入連線地址“vnc://127.0.0.1:5900”即可連線到虛擬機器，如圖所示：
圖 3 使用remote-viewer連線虛擬機器（1）
圖 4 使用remote-viewer連線虛擬機器（2）
若要關閉虛擬機器，可在虛擬機器視窗中執行關機命令，或在執行QEMU命令的Shell視窗執行“Ctrl+C”命令（注意：此操作結束QEMU命令相當於對PC進行斷電操作，會丟失Guest OS中未及時儲存的資料）即可。
3.2.2 使用libvirt啟動虛擬機器
libvirt是為了更方便地管理虛擬化平臺而設計的開源應用程式介面、守護程序和管理工具，不僅提供了對虛擬化客戶機的管理，也提供了對虛擬化網路和儲存的管理。libvirt支援多種底層虛擬化技術，遮蔽了底層細節，使得對虛擬機器的管理更加方便。
預設情況下，CentOS並未安裝libvirt，讀者可使用如下命令進行安裝：
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[[email protected] ~]$ sudo yum install libvirt |
安裝完成後，可使用如下命令檢視libvirt版本。本文撰寫時，CentOS官方libvirt已經更新到3.2.0版本。
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[[email protected] ~]$ virsh --version 3.2.0 |
libvirt通過xml檔案來對虛擬機器的配置進行管理，在啟動虛擬機器之前，我們首先需要建立一個xml檔案，內容如下所示。其中紅色的註釋，簡單解釋了xml各個欄位的含義。
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<domain type='kvm'> <!--這裡的’kvm’表示使用kvm加速，也可以填’qemu’，則虛擬機器是qemu全模擬的--> <name>lingyuecloud</name> <!--虛擬機器名字，使用者自己定義--> <os> <type arch='x86_64' machine='pc'>hvm</type> <!--虛擬機器架構以及型別，如果要建立32位虛擬機器，這裡可以將x86_64改成i686 --> <boot dev='hd'/> <!--此項表示首先從硬碟啟動，如果需要首先從CDROM啟動，使用者可以在前面加上<boot dev=’cdrom’> --> </os> <features> <!--定義一些需要傳給虛擬機器的VCPU的特性--> <acpi/> <apic/> </features> <memory unit='KiB'>262144</memory> <!--虛擬機器記憶體規格--> <vcpu>1</vcpu> <!--虛擬機器VCPU數量--> <clock offset='utc'> <!--設定虛擬機器的時鐘，不同時鐘之間的區別可以參考核心文件Timekeeping Virtualization for X86-Based Architectures --> <timer name='pit' tickpolicy='delay'/> <timer name='rtc' tickpolicy='catchup'/> <timer name='hpet' present='no'/> </clock> <on_poweroff>destroy</on_poweroff> <!--設定虛擬機器內部poweroff的時候，libvirt的動作為destroy --> <on_reboot>restart</on_reboot> <!--設定虛擬機器內部reboot的時候，libvirt的動作為restart --> <on_crash>destroy</on_crash> <!--設定虛擬機器內部crash的時候，libvirt的動作為destroy；此項對debug很有用，debug時設定此項為pause，可以在虛擬機器內部crash的時候，libvirt使得虛擬機器暫停，此時開發人員可以將虛擬機器記憶體dump出來進行分析 --> <devices> <!-- device標籤下都是定義要呈現給虛擬機器的各種裝置--> <emulator>/usr/libexec/qemu-kvm</emulator> <!-- QEMU二進位制檔案的完整路徑--> <disk type='file' device='disk'> <!--定義一塊磁碟--> <driver name='qemu' type='qcow2' cache='none'/> <!--磁碟型別以及cache設定--> <source file='/home/lingyuecloud/cirros-0.3.5-x86_64-disk.img'/> <target dev='vda' bus='virtio'/> <!-- vda表示硬碟裝置名，或者說碟符，每個硬碟一個，不能重複，後續依次為vdb、vdc等，bus表示裝置型別，如果是virtio，系統必須有virtio驅動；若系統沒有virtio驅動則可以改成ide型別；--> </disk> <controller type='ide' index='0'/> <controller type='usb' index='0'/> <input type='tablet' bus='usb'/> <!--鍵盤，此處為USB型別--> <input type='mouse' bus='ps2'/> <!--滑鼠，此處為PS2型別--> <graphics type='vnc' port='-1' autoport='yes' listen='0.0.0.0' keymap='en-us'/> <!-- vnc設定，通常port設定為-1，libvirt會自動分配port --> <video> <!--顯示設定--> <model type='cirrus' vram='32768' heads='1'/> </video> </devices> </domain> |
利用libvirt xml檔案，通過virsh命令即可實現對虛擬機器的生命週期管理。其中，virsh有兩種使用方式：（1）在virsh命令後直接跟相關子命令和引數來；（2）在輸入virsh命令並敲擊回車進入virsh環境後，再輸入相關子命令和引數。本文使用virsh後緊跟子命令的用法。
利用virsh建立虛擬機器的步驟包括define和start兩個步驟。（1）依據建立的虛擬機器配置檔案，使用“virsh define 虛擬機器配置檔案.xml”命令定義後的該虛擬機器就在libvirt的管理之下了；即使libvirt服務重啟或者宿主機系統重啟，define過的虛擬機器依然存在。define之後虛擬機器不會啟動；使用“virsh list”命令檢視虛擬機器列表時，該虛擬機器預設不顯示，需要加“--all”引數。（2）虛擬機器define之後，使用“virsh start 虛擬機器名”命令來啟動，上述過程如下所示：
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[[email protected] ~]$ virsh define cirros-0.3.5-x86_64-disk.xml 定義域lingyuecloud（從cirros-0.3.5-x86_64-disk.xml） [[email protected] ~]$ virsh list Id 名稱 狀態 ---------------------------------------------------- [[email protected] ~]$ virsh list --all Id 名稱 狀態 ---------------------------------------------------- - lingyuecloud 關閉 [[email protected] ~]$ virsh start lingyuecloud 域lingyuecloud已開始 [[email protected] ~]$ virsh list Id 名稱 狀態 ---------------------------------------------------- 1 lingyuecloud running [[email protected] ~]$ virsh domdisplay lingyuecloud vnc://localhost:1 |
之後，可使用“virsh domdisplay”命令來檢視虛擬機器vnc的連線埠，根據返回的埠號，可使用remote-viewer連線地址“vnc://127.0.0.1:5901”即可連線到該虛擬機器。
若要關閉虛擬機器，可執行“virsh shutdown 虛擬機器名”命令（傳送關機訊號到Guest OS中）或者“virsh destroy 虛擬機器名”命令（強制關閉虛擬機器，可能造成資料丟失）。其他libvirt命令讀者可執行“virsh help”進行查閱。
3.2.3 使用virt-manager啟動虛擬機器
virt-manager是一個圖形化的虛擬機器管理工具，相比命令列，virt-manager操作更加直觀且不容易出錯。CentOS系統預設沒有安裝virt-manager，使用者需要使用以下命令來安裝：
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[[email protected] ~]$ sudo yum install virt-manager |
安裝完成後，在shell中執行命令“sudo virt-manager”來開啟virt-manager的圖形介面，然後點選“檔案”->“新建虛擬機器”即可建立新的虛擬機器。建立之前，先將下載的CirrOS映象複製一份，建立過程中，選擇“匯入現有磁碟印象(E)”，然後瀏覽選擇到複製的CirrOS映象，其他選項預設即可，如圖所示：
圖 5 新建虛擬機器（1）
圖 6 新建虛擬機器（2）
虛擬機器執行後，virt-manager會自動連線到虛擬機器的控制檯，使用者可以看到虛擬機器啟動過程並進行操作。在控制檯介面上，點選“檢視”->“詳情”還可檢視和編輯虛擬機器的詳細配置（部分配置需要關機後才能修改、部分配置編輯後需要重啟生效），如圖所示：
圖 7 編輯虛擬機器配置
4. 總結
本文介紹了簡易的虛擬化環境的安裝搭建以及虛擬機器的建立過程。總體上講，不論是QEMU命令操作、libvirt命令操作還是利用virt-manager圖形化管理工具，對虛擬機器的管理都略顯複雜，尤其涉及到更多功能操作時如網路虛擬化、儲存虛擬化、虛擬機器連線認證等更是難以管理。針對上述問題，可考慮採用雲端計算平臺管理工具進行統一管理，其更加高效、簡潔，相關討論將持續更新，敬請關注。