Гипервизоры, виртуализация и облако

Анализ гипервизора KVM

Серия контента:

Об этом цикле статей

Этот цикл начинается с общих сведений о типах гипервизоров и виртуализации систем, а затем в нем рассматриваются особенности пяти гипервизоров, процессы их установки и проблемы управления, которые могут возникнуть.

Этот цикл статей можно использовать в качестве отправной точки для понимания роли гипервизора при виртуализации в облаке или для изучения отдельных статей, которые помогут вам определить, какой гипервизор наилучшим образом подходит для конкретных задач, решаемых в облаке.

Что нужно знать для начала

Kernel-based Virtual Machine (KVM) – это полное решение платформенно-зависимой виртуализации для Linux на процессорах x86 с расширениями виртуализации (Intel VT или AMD-V). Для гостевых систем доступна также ограниченная поддержка паравиртуализации для Linux и Windows в форме паравиртуального сетевого драйвера.

В настоящее время KVM взаимодействует с ядром через загружаемый модуль ядра. Поддерживаются разнообразные гостевые операционные системы, такие как Linux, BSD, Solaris, Windows, Haiku, ReactOS и AROS Research Operating System. Модифицированная версия KVM (qemu) может работать на Mac OS X.

Примечание: KVM не выполняет никакой самоэмуляции; вместо этого, программа, работающая в пользовательском пространстве, применяет интерфейс /dev/kvm для настройки адресного пространства гостевого виртуального сервера, берет его смоделированные ресурсы ввода/вывода и отображает его образ на образ хоста.

Архитектура KVM показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Архитектура KVM

Паравиртуализация

Паравиртуализация ― это метод виртуализации, который предоставляет виртуальным машинам программный интерфейс, подобный, но не идентичный базовым аппаратным средствам. Задачей этого модифицированного интерфейса является сокращение времени, затрачиваемого гостевой операционной системой на выполнение операций, которые в виртуальной среде выполнить значительно труднее, чем в невиртуализированной.

Существуют специальные "крюки" (hooks), позволяющие гостевой и хозяйской системам запрашивать и подтверждать решение этих сложных задач, которые можно было бы выполнить и в виртуальной среде, но значительно медленнее.

В архитектуре KVM, виртуальная машина выполняется как обычный Linux-процесс, запланированный стандартным планировщиком Linux. На самом деле каждый виртуальный процессор представляется как обычный Linux-процесс. Это позволяет KVM пользоваться всеми возможностями ядра Linux.

Эмуляцией устройств управляет модифицированная версия qemu, которая обеспечивает эмуляцию BIOS, шины PCI, шины USB, а также стандартный набор устройств, таких как дисковые контроллеры IDE и SCSI, сетевые карты и т.д.

Функциональные возможности

Ниже перечислены основные функции KVM.

Безопасность

Поскольку виртуальная машина реализована как Linux-процесс, она использует стандартную модель безопасности Linux для изоляции и управления ресурсами. С помощью SELinux (Security-Enhanced Linux) ядро Linux добавляет обязательные средства контроля доступа, многоуровневые и разнообразные средства защиты, а также управляет политикой безопасности. SELinux обеспечивает строгую изоляцию ресурсов и ограничивает подвижность процессов, запущенных в ядре Linux.

Проект SVirt – попытка усилиями сообщества интегрировать функции безопасности Mandatory Access Control (MAC) и виртуализацию на базе Linux (KVM) - основывается на SELinux, чтобы обеспечить инфраструктуру, которая позволит администратору определять политику изоляции виртуальных машин. SVirt призван гарантировать, что ресурсы виртуальных машин не будут доступны ни для каких других процессов (или виртуальных машин); администратор может дополнить эту политику, определив детальные разрешения; например, чтобы группа виртуальных машин совместно использовала одни и те же ресурсы.

Управление памятью

KVM наследует мощные функции управления памятью от Linux. Память виртуальной машины хранится так же, как память любого другого Linux-процесса, и может заменяться, копироваться большими страницами для повышения производительности, обобщаться или сохраняться в файле на диске. Поддержка технологии NUMA (Non-Uniform Memory Access, архитектура памяти для многопроцессорных систем) позволяет виртуальным машинам эффективно обращаться к памяти большого объема.

KVM поддерживает новейшие функции виртуализации памяти от производителей процессоров, в частности, Intel Extended Page Table (EPT) и AMD Rapid Virtualization Indexing (RVI), для минимизации загрузки процессора и достижения высокой пропускной способности.

Обобщение страниц памяти поддерживается с помощью функции ядра Kernel Same-page Merging (KSM). KSM сканирует память каждой виртуальной машины, и если какие-то страницы памяти виртуальных машин идентичны, объединяет их в одну страницу, которая становится общей для этих виртуальных машин и хранится в единственной копии. Если гостевая система пытается изменить эту общую страницу, ей предоставляется собственная копия.

Хранение данных

KVM может использовать любой носитель, поддерживаемый Linux, для хранения образов виртуальных машин, в том числе локальные диски с интерфейсами IDE, SCSI и SATA, Network Attached Storage (NAS), включая NFS и SAMBA/CIFS, или SAN с поддержкой iSCSI и Fibre Channel. Для улучшения пропускной способности системы хранения данных и резервирования может использоваться многопоточный ввод/вывод.

Опять же, поскольку KVM входит в состав ядра Linux, может использоваться проверенная и надежная инфраструктура хранения данных с поддержкой всех ведущих производителей; его набор функций хранения проверен на многих производственных установках.

KVM поддерживает образы виртуальных машин в распределенных файловых системах, таких как Global File System (GFS2), так что они могут разделяться несколькими хостами или обобщаться с использованием логических томов. Поддержка тонкой настройки (thin provisioning) образов дисков позволяет оптимизировать использование ресурсов хранения данных, выделяя их не сразу все наперед, а только тогда, когда этого требует виртуальная машина. Собственный формат дисков для KVM ― QCOW2 ― обеспечивает поддержку снимков текущего состояния и обеспечивает несколько уровней таких снимков, а также сжатие и шифрование.

Динамическая миграция

KVM поддерживает динамическую миграцию, обеспечивая возможность перемещения работающих виртуальных машин между физическими узлами без прерывания обслуживания. Динамическая миграция прозрачна для пользователей: виртуальная машина остается включенной, сетевые соединения ― активными, и пользовательские приложения продолжают работать, в то время как виртуальная машина перемещается на новый физический сервер.

Кроме динамической миграции, KVM поддерживает сохранение копии текущего состояния виртуальной машины на диск, позволяя хранить ее и восстанавливать позднее.

Драйверы устройств

KVM поддерживает гибридную виртуализацию, когда паравиртуализированные драйверы установлены в гостевой операционной системе, что позволяет виртуальным машинам использовать оптимизированный интерфейс ввода/вывода, а не эмулируемые устройства, обеспечивая высокую производительность ввода/вывода для сетевых и блочных устройств.

Гипервизор KVM использует стандарт VirtIO, разработанный IBM и Red Hat совместно с Linux-сообществом для паравиртуализированных драйверов; это независимый от гипервизора интерфейс для создания драйверов устройств, позволяющий нескольким гипервизорам использовать один и тот же набор драйверов устройств, что улучшает взаимодействие между гостевыми системами.

Драйверы VirtIO входят в современные версии Linux-ядра (наиболее поздняя ― 2.6.25), включены в Red Hat Enterprise Linux 4.8+ и 5.3+, а также доступны для Red Hat Enterprise Linux 3. Red Hat разработала драйверы VirtIO для гостевых ОС Microsoft Windows, оптимизирующие сетевые и дисковые операции ввода/вывода; эти драйверы сертифицированы по программе сертификации Microsoft Windows Hardware Quality Labs (WHQL).

Производительность и масштабируемость

KVM унаследовал производительность и масштабируемость Linux, поддерживая виртуальные машины с 16 виртуальными процессорами и 256 ГБ оперативной памяти, а также хост-системы с 256 ядрами и более 1 ТБ ОЗУ. Он может обеспечить:

• производительность в 95-135% по сравнению с "голым железом" в реальных корпоративных приложениях, таких как SAP, Oracle, LAMP и Microsoft Exchange;
• свыше миллиона сообщений в секунду и менее чем 200-мкс задержку в виртуальных машинах, работающих на стандартном сервере;
• максимальные уровни консолидации более чем с 600 виртуальными машинами, выполняющими корпоративные приложения, на одном сервере.

Это означает, что KVM допускает виртуализацию самых требовательных рабочих нагрузок.

Развертывание виртуализации

Развертывание KVM ― довольно сложный процесс, полный особых требований к конфигурации, так что за дополнительной информации обращайтесь к разделу .

Управление виртуальными машинами

Существует несколько менеджеров виртуальных машин. Среди них:

• Univention Virtual Manager;
• qemu/KVM: запускается прямо из командной строки в машине KVM;
• Virsh: минимальная оболочка для управления виртуальными машинами;
• Virtual Machine Manager: иначе - virt-manager, пользовательский интерфейс для управления виртуальными машинами.

Выбор KVM

Доводы "за":

• несмотря на то что KVM - относительно молодой гипервизор, это компактный модуль, который в сочетании с ядром Linux обеспечивает простоту реализации, сохраняя поддержку Linux-тяжеловесов;
• KVM гибок; так как гостевые операционные системы взаимодействуют с гипервизором, интегрированным в ядро Linux, они могут во всех случаях обращаться непосредственно к оборудованию без необходимости изменения виртуализированной операционной системы. Это делает KVM более быстрым решением для виртуальных машин;
• исправления для KVM совместимы с ядром Linux. KVM реализован в самом ядре Linux, что облегчает управление процессами виртуализации.

Доводы "против":

• мощных инструментов для управления сервером и виртуальными машинами KVM не существует;
• KVM нуждается в совершенствовании поддержки виртуальных сетей и виртуальных систем хранения данных, усилении защиты, в улучшении надежности и отказоустойчивости, управления питанием, поддержки HPC/систем реального времени, масштабируемости виртуальных процессоров, совместимости между поставщиками, портативности ВМ, а также в создании экосистемы облачных сервисов.

В этой вступительной статье я расскажу вкратце обо всех программных средствах, использованных в процессе разработки услуги. Более подробно о них будет рассказано в следующих статьях.

Почему ? Эта операционная система мне близка и понятна, так что при выборе дистрибутива мучений, терзаний и метаний испытано не было. Особых преимуществ перед Red Hat Enterprise Linux у него нет, но было принято решение работать со знакомой системой.

Если вы планируете самостоятельно развернуть инфраструктуру, используя аналогичные технологии, я бы посоветовал взять именно RHEL: благодаря хорошей документации и хорошо написаным прикладным программам это будет если не на порядок, то уж точно раза в два проще, а благодаря развитой системе сертификации без особого труда можно будет найти некоторое количество специалистов, на должном уровне знакомых в данной ОС.

Мы же, повторюсь, решили использовать Debian Squeeze с набором пакетов из Sid/Experimental и некоторыми пакетами, бэкпортированными и собранными с нашими патчами.
В планах имеется публикация репозитория с пакетами.

При выборе технологии виртуализации рассматривались два варианта - Xen и KVM.

Также во внимание принимался факт наличия огромного количества разработчиков, хостеров, комерческих решений именно на базе Xen - тем интереснее было провести в жизнь решение именно на базе KVM.

Основной же причиной, по которой мы решили использовать именно KVM, является необходимость запуска виртуальных машин с FreeBSD и, в перспективе, MS Windows.

Для управления виртуальными машинами оказалось чрезвычайно удобно использовать и продукты, использующие ее API: virsh , virt-manager , virt-install , пр.

Это система, которая хранит настройки виртуальных машин, управляет ими, ведёт по ним статистику, следит за тем, чтобы при старте у виртуальной машины поднимался интерфейс, подключает устройства к машине - в общем, выполняет кучу полезной работы и еще немножко сверх того.

Разумеется, решение не идеально. Из минусов следует назвать:

• Абсолютно невменяемые сообщения об ошибках.
• Невозможность изменять часть конфигурации виртуальной машины на лету, хотя QMP (QEMU Monitor Protocol) это вполне позволяет.
• Иногда к libvirtd по непонятной причине невозможно подключиться - он перестаёт реагировать на внешние события.

Основной проблемой в реализации услуги в самом начале представлялось лимитирование ресурсов для виртуальных машин. В Xen эта проблема была решена при помощи внутреннего шедулера, распределяющего ресурсы между виртуальными машинами - и что самое прекрасное, была реализована возможность лимитировать и дисковые операции в том числе.

В KVM ничего такого не было до появления механизма распределения ресурсов ядра . Как обычно в Linux, доступ к этим функциям был реализован посредством специальной файловой системы cgroup , в которой при помощи обычных системных вызовов write() можно было добавить процесс в группу, назначить ему его вес в попугаях, указать ядро, на котором он будет работать, указать пропускную способность диска, которую этот процесс может использовать, или, опять же, назначить ему вес.

Профит в том, что всё это реализуется внутри ядра, и использовать это можно не только для сервера, но и для десктопа (что и использовали в известном «The ~200 Line Linux Kernel Patch That Does Wonders »). И на мой взгляд, это одно из самых значительных изменений в ветке 2.6, не считая любимого #12309 , а не запиливание очередной файловой системы. Ну, разве что, кроме POHMELFS (но чисто из-за названия).

Отношение к этой библиотеке-утилите у меня весьма неоднозначное.

С одной стороны это выглядит примерно так:

И ещё эту штуку чертовски сложно собрать из исходников и тем более в пакет: иногда мне кажется, что Linux From Scratch собрать с нуля несколько проще.

С другой стороны - очень мощная штука, которая позволяет создавать образы для виртуальных машин, модифицировать их, ужимать, ставить grub, модифицировать таблицу разделов, управлять конфигурационными файлами, переносить «железные» машины в виртуальную среду, переносить виртуальные машины с одного образа на другой, переносить виртуальные машины из образа на железо и, честно говоря, тут меня фантазия немного подводит. Ах, да: ещё можно запустить демон внутри виртуальной машины Linux и получить доступ к данным виртуальной машины вживую, и всё это делать на shell, python, perl, java, ocaml. Это краткий и далеко не полный список того, что можно сделать с .

Интересно, что большая часть кода в генерируется в момент сборки, равно как и документация к проекту. Очень широко используется ocaml, perl. Сам код пишется на C, который потом оборачивается в OCaml, и повторяющиеся куски кода генерируются сами. Работа с образами осуществляется путём запуска специального сервисного образа (supermin appliance), в который через канал внутрь него отправляются команды. Внутри этого образа содержится некоторый rescue набор утилит, таких как parted, mkfs и прочих полезных в хозяйстве системного администратора.

Я с недавнего времени его даже дома стал использовать, когда выковыривал из образа nandroid нужные мне данные. Но для этого требуется ядро с поддержкой yaffs.

Прочее

Ниже приведено ещё несколько интересных ссылок на описание использованных пограммных средств - почитать и поизучать самостоятельно, если интересно. Например,

В Ubuntu рекомендуется использовать гипервизор (менеджер виртуальных машин) KVM и библиотеку libvirt в качестве инструментария управления им. Libvirt включает в себя набор программного API и пользовательских приложений управления виртуальными машинами (ВМ) virt-manager (графический интерфейс, GUI) или virsh (командная строка, CLI). В качестве альтернативных менеджеров можно использовать convirt (GUI) или convirt2 (WEB интерфейс).

В настоящее время в Ubuntu офицально поддерживается только гипервизор KVM. Этот гипервизор является частью кода ядра операционной системы Linux. В отличие от Xen, KVM не поддерживает паравиртуализацию, то есть, для того, чтобы его использовать, ваш CPU должен подерживать технологии VT. Вы можете проверить, поддерживает ли ваш процессор эту технологию, выполнив команду в терминале:

Если в результате получили сообщение:

INFO: /dev/kvm exists KVM acceleration can be used

значит KVM будет работать без проблем.

Если же на выходе получили сообщение:

Your CPU does not support KVM extensions KVM acceleration can NOT be used

то вы всё равно сможете использовать виртуальную машину, но работать она будет намного медленнее.

Устанавливать в качестве гостевых 64-битные системы

Выделять гостевым системам более 2 Гбайт ОЗУ

Установка

Sudo apt-get install qemu-kvm libvirt-bin ubuntu-vm-builder bridge-utils

Это установка на сервер без X-ов, т. е. не включает в себя графический интерфейс. Установить его можно командой

Sudo apt-get install virt-manager

После этого в меню появится пункт «Менеджер виртуальных машин» и, с большой долей вероятности, всё заработает. Если какие-то проблемы всё же возникнут, то нужно будет почитать инструкцию в англоязычной вики.

Создание гостевой системы

Процедура создания гостевой системы с помощью графического интерфейса достаточно проста.

А вот текстовый режим можно и описать.

qcow2

При создании системы с помощью графического интерфейса в качестве жёсткого диска предлагается либо выбрать уже существующий файл-образ или блочное устройсво, либо создать новый файл с сырыми (RAW) данными. Однако, это далеко не единственный доступный формат файлов. Из всех перечисленных в man qemu-img типов дисков наиболее гибким и современным является qcow2 . Он поддерживает снапшоты, шифрование и сжатие. Его необходимо создавать до того, как создать новую гостевую систему.

Qemu-img create -o preallocation=metadata -f qcow2 qcow2.img 20G

Согласно тому же man qemu-img , предварительное размещение метаданных (-o preallocation=metadata) делает диск изначально немного больше, но обеспечивает лучшую производительность в те моменты, когда образу нужно расти. На самом деле, в данном случае эта опция позволяет избежать неприятного бага. Создаваемый образ изначально занимает меньше мегабайта места и по мере необходимости растёт до указанного размера. Гостевая система сразу должна видеть этот окончательный указанный размер, тем не менее, на этапе установки она может увидеть реальный размер файла. Естественно, устанавливаться на жёсткий диск размером 200 кбайт она откажется. Баг не специфичен для Ubuntu, проявляется ещё в RHEL, как минимум.

Кроме типа образа впоследствии можно будет выбрать способ его подключения - IDE, SCSI или Virtio Disk. От этого выбора будет зависеть производительность дисковой подсистемы. Однозначно правильного ответа нет, выбирать нужно исходя из задачи, которая будет возложена на гостевую систему. Если гостевая система создаётся «на посмотреть», то сойдёт любой способ. Вообще, обычно именно I/O является узким местом виртуальной машины, поэтому при создании высоконагруженной системы к этому вопросу нужно отнестись максимально ответственно.

Мне лично проще всего думать о KVM (Kernel-based Virtual Machine), как о таком уровне абстракции над технологиями хардверной виртуализации Intel VT-x и AMD-V. Берем машину с процессором, поддерживающим одну из этих технологий, ставим на эту машину Linux, в Linux’е устанавливаем KVM, в результате получаем возможность создавать виртуалки. Так примерно и работают облачные хостинги, например, Amazon Web Services . Наряду с KVM иногда также используется и Xen, но обсуждение этой технологии уже выходит за рамки данного поста. В отличие от технологий контейнерной виртуализации, например, того же Docker , KVM позволяет запускать в качестве гостевой системы любую ОС, но при этом имеет и бо льшие накладные расходы на виртуализацию.

Примечание: Описанные ниже действия были проверены мной на Ubuntu Linux 14.04, но по идее будут во многом справедливы как для других версий Ubuntu, так и других дистрибутивов Linux. Все должно работать как на десктопе, так и на сервере, доступ к которому осуществляется по SSH.

Установка KVM

Проверяем, поддерживается ли Intel VT-x или AMD-V нашим процессором:

grep -E "(vmx|svm)" / proc/ cpuinfo

Если что-то нагреполось, значит поддерживается, и можно действовать дальше.

Устанавливаем KVM:

sudo apt-get update
sudo apt-get install qemu-kvm libvirt-bin virtinst bridge-utils

Что где принято хранить:

• /var/lib/libvirt/boot/ — ISO-образы для установки гостевых систем;
• /var/lib/libvirt/images/ — образы жестких дисков гостевых систем;
• /var/log/libvirt/ — тут следует искать все логи;
• /etc/libvirt/ — каталог с файлами конфигурации;

Теперь, когда KVM установлен, создадим нашу первую виртуалку.

Создание первой виртуалки

В качестве гостевой системы я выбрал FreeBSD. Качаем ISO-образ системы:

cd / var/ lib/ libvirt/ boot/
sudo wget http:// ftp.freebsd.org/ path/ to/ some-freebsd-disk.iso

Управление виртуальными машинами в большинстве случаев производится при помощи утилиты virsh:

sudo virsh --help

Перед запуском виртуалки нам понадобится собрать кое-какие дополнительные сведения.

Смотрим список доступных сетей:

sudo virsh net-list

Просмотр информации о конкретной сети (с именем default):

sudo virsh net-info default

Смотрим список доступных оптимизаций для гостевых ОС:

sudo virt-install --os-variant list

Итак, теперь создаем виртуальную машину с 1 CPU, 1 Гб RAM и 32 Гб места на диске, подключенную к сети default:

sudo virt-install \
--virt-type =kvm \
--name freebsd10 \
--ram 1024 \
--vcpus =1 \
--os-variant =freebsd8 \
--hvm \
--cdrom =/ var/ lib/ libvirt/ boot/ FreeBSD-10.2 -RELEASE-amd64-disc1.iso \
--network network =default,model =virtio \
--graphics vnc \
--disk path =/ var/ lib/ libvirt/ images/ freebsd10.img,size =32 ,bus =virtio

Вы можете увидеть:

WARNING Unable to connect to graphical console: virt-viewer not
installed. Please install the "virt-viewer" package.

Domain installation still in progress. You can reconnect to the console
to complete the installation process.

Это нормально, так и должно быть.

Затем смотрим свойства виртуалки в формате XML:

sudo virsh dumpxml freebsd10

Тут приводится наиболее полная информация. В том числе есть, к примеру, и MAC-адрес, который понадобятся нам далее. Пока что находим информацию о VNC. В моем случае:

С помощью любимого клиента (я лично пользуюсь Rammina) заходим по VNC , при необходимости используя SSH port forwarding. Попадаем прямо в инстялятор FreeBSD. Дальше все как обычно — Next, Next, Next, получаем установленную систему.

Основные команды

Давайте теперь рассмотрим основные команды для работы с KVM.

Получение списка всех виртуалок:

sudo virsh list --all

Получение информации о конкретной виртуалке:

sudo virsh dominfo freebsd10

Запустить виртуалку:

sudo virsh start freebsd10

Остановить виртуалку:

sudo virsh shutdown freebsd10

Жестко прибить виртуалку (несмотря на название, это не удаление):

sudo virsh destroy freebsd10

Ребутнуть виртуалку:

sudo virsh reboot freebsd10

Склонировать виртуалку:

sudo virt-clone -o freebsd10 -n freebsd10-clone \
--file / var/ lib/ libvirt/ images/ freebsd10-clone.img

Включить/выключить автозапуск:

sudo virsh autostart freebsd10
sudo virsh autostart --disable freebsd10

Запуск virsh в диалоговом режиме (все команды в диалоговом режиме — как описано выше):

sudo virsh

Редактирование свойств виртуалки в XML, в том числе здесь можно изменить ограничение на количество памяти и тд:

sudo virsh edit freebsd10

Важно! Комментарии из отредактированного XML, к сожалению, удаляются.

Когда виртуалка остановлена, диск тоже можно ресайзить:

sudo qemu-img resize / var/ lib/ libvirt/ images/ freebsd10.img -2G
sudo qemu-img info / var/ lib/ libvirt/ images/ freebsd10.img

Важно! Вашей гостевой ОС, скорее всего, не понравится, что диск внезапно стал больше или меньше. В лучшем случае, она загрузится в аварийном режиме с предложением переразбить диск. Скорее всего, вы не должны хотеть так делать. Куда проще может оказаться завести новую виртуалку и смигрировать на нее все данные.

Резервное копирование и восстановление производятся довольно просто. Достаточно сохранить куда-то вывод dumpxml, а также образ диска, а потом восстановить их. На YouTube удалось найти видео с демонстрацией этого процесса, все и вправду несложно.

Настройки сети

Интересный вопрос — как определить, какой IP-адрес получила виртуалка после загрузки? В KVM это делается хитро. Я в итоге написал такой скрипт на Python :

#!/usr/bin/env python3

# virt-ip.py script
# (c) 2016 Aleksander Alekseev
# http://сайт/

import sys
import re
import os
import subprocess
from xml .etree import ElementTree

def eprint(str ) :
print (str , file = sys .stderr )

if len (sys .argv ) < 2 :
eprint("USAGE: " + sys .argv [ 0 ] + " " )
eprint("Example: " + sys .argv [ 0 ] + " freebsd10" )
sys .exit (1 )

if os .geteuid () != 0 :
eprint("ERROR: you shold be root" )
eprint("Hint: run `sudo " + sys .argv [ 0 ] + " ...`" ) ;
sys .exit (1 )

if subprocess .call ("which arping 2>&1 >/dev/null" , shell = True ) != 0 :
eprint("ERROR: arping not found" )
eprint("Hint: run `sudo apt-get install arping`" )
sys .exit (1 )

Domain = sys .argv [ 1 ]

if not re .match ("^*$" , domain) :
eprint("ERROR: invalid characters in domain name" )
sys .exit (1 )

Domout = subprocess .check_output ("virsh dumpxml " +domain+" || true" ,
shell = True )
domout = domout.decode ("utf-8" ) .strip ()

if domout == "" :
# error message already printed by dumpxml
sys .exit (1 )

Doc = ElementTree.fromstring (domout)

# 1. list all network interfaces
# 2. run `arping` on every interface in parallel
# 3. grep replies
cmd = "(ifconfig | cut -d " " -f 1 | grep -E "." | " + \
"xargs -P0 -I IFACE arping -i IFACE -c 1 {} 2>&1 | " + \
"grep "bytes from") || true"

for child in doc.iter () :
if child.tag == "mac" :
macaddr = child.attrib [ "address" ]
macout = subprocess .check_output (cmd .format (macaddr) ,
shell = True )
print (macout.decode ("utf-8" ) )

Скрипт работает как с default сетью, так и с bridged сетью, настройку которой мы рассмотрим далее. Однако на практике куда удобнее настроить KVM так, чтобы он всегда назначал гостевым системам одни и те же IP-адреса. Для этого правим настройки сети:

sudo virsh net-edit default

… примерно таким образом:

>



>

После внесения этих правок


>

… и заменяем на что-то вроде:

>

Перезагружаем гостевую систему и проверяем, что она получила IP по DHCP от роутера. Если же вы хотите, чтобы гостевая система имела статический IP-адрес, это настраивается как обычно внутри самой гостевой системы.

Программа virt-manager

Вас также может заинтересовать программа virt-manager:

sudo apt-get install virt-manager
sudo usermod -a -G libvirtd USERNAME

Так выглядит ее главное окно:

Как видите, virt-manager представляет собой не только GUI для виртуалок, запущенных локально. С его помощью можно управлять виртуальными машинами, работающими и на других хостах, а также смотреть на красивые графички в реальном времени. Я лично нахожу особенно удобным в virt-manager то, что не нужно искать по конфигам, на каком порту крутится VNC конкретной гостевой системы. Просто находишь виртуалку в списке, делаешь двойной клик, и получаешь доступ к монитору.

Еще при помощи virt-manager очень удобно делать вещи, которые иначе потребовали бы трудоемкого редактирования XML-файлов и в некоторых случаях выполнения дополнительных команд. Например, переименование виртуальных машин, настройку CPU affinity и подобные вещи. Кстати, использование CPU affinity существенно снижает эффект шумных соседей и влияние виртуальных машин на хост-систему. По возможности используйте его всегда.

Если вы решите использовать KVM в качестве замены VirtualBox, примите во внимание, что хардверную виртуализацию они между собой поделить не смогут. Чтобы KVM заработал у вас на десктопе, вам не только придется остановить все виртуалки в VirtualBox и Vagrant , но и перезагрузить систему. Я лично нахожу KVM намного удобнее VirtualBox, как минимум, потому что он не требует выполнять команду sudo / sbin/ rcvboxdrv setup после каждого обновления ядра, адекватно работает c Unity , и вообще позволяет спрятать все окошки.

Сегодня сложно представить мир без компьютеризированных устройств. Лет этак 20 назад почти все бытовые приборы были электро-механические, об использовании компьютерных схем повсеместно не было даже и речи. Самые первые компьютеры занимали значительные объемы пространства, и могли относительно не много. Компьютерно-вычислительные комплексы за последнее время прошли достаточно большой путь развития. Хотя, принципиально компьютеры ничем не изменились, но вычислительные мощности стремительно возросли. Наличие компьютера в простой семье теперь не является чем-то особенным.

В данный момент, зачастую большое количество компьютерной техники в помещениях может доставлять значительно неудобств. По этой причине стали появляться централизованные системы. Но централизованные системы зачастую не могут решить тех проблем, которые решает сеть из компьютеров. По этой причине и была предложена концепция виртуализации, когда один центральный компьютер выполняет роль сети компьютеров.

По своей сути, все ОС это в общем-то и так некоторая виртуальная среда, которая предоставляется разработчику ПО, как средство реализации конечных задач. Уже давно прошло то время, когда программы писались конкретно под аппаратную часть компьютера по средствам аппаратных кодов и запросов. Сегодня же, любое приложение – это в первую очередь приложение, написанное на некотором API, который находится под управлением ОС. Задачи же ОС – предоставить данным API непосредственно доступ к аппаратным ресурсам.

Собственно видов виртуализации существует несколько:

• Программная виртуализация;
• Аппаратная виртуализация;
• Виртуализация уровня операционной системы.

Виртуализация в свою очередь бывает полной и частичной .

Программная виртуализация – вид виртуализации, который задействует различные библиотеки ОС, транслируя вызовы виртуальной машины в вызовы ОС. (DOSBox, Virtualbox, VirtualPC)

Аппаратная виртуализация – такой вид, который предусматривает специализированную инструкцию аппаратной части, а конкретно инструкций процессора. Позволяет исполнять запросы в обход гостевой ОС, и исполнять прямо на аппаратном обеспечении. (виртуализация KVM,виртуализация XEN, Parallels, VMware, Virtualbox)

Виртуализация уровня операционной системы – виртуализация только части платформы, без полной виртуализации аппаратной части. Подразумевает работы нескольких экземпляров среды ОС. (Docker, LXC)

Данная статья будет рассматривать Аппаратную виртуализацию, а конкретно виртуализацию KVM.

Схема 1. – Взаимодействие компонентов виртуальной машины с аппаратной частью

Особенности виртуализации для ядра Linux

Для исполнения прямых аппаратных запросов в ОС должна иметься библиотека, которая направляла бы эти запросы аппаратной части напрямую. На платформах базы Linux долгое время никакой встроенной системы виртуализации (встроенного гипервизора), просто не существовало. Каждый производитель ПО для виртуализации, который поддерживало технологию аппаратной виртуализации, вынуждены были создавать собственные модули для ядра Linux (vboxdrv в Virtualbox, vmware-service в VMWare и пр.) Естественно, это не могло продолжаться вечно, и компания Qumranet, Inc, выкупленая затем Radhat создала ассоциацию Open Virtualization Alliance, которая была признана решить проблему отсутствия базового гипервизора для ядра Linux. Так и был создан гипервизор KVM или Kernel-based Virtual Machine.

Реализация

Гипервизор KVM представляет из себя загружаемый модуль ядра Linux, который предназначен для обеспечения виртуализации на платформе Linux x86. Сам модуль содержит компонент собственно виртуализации(kvm.ko), и процессорно-специфический загружаемый модуль kvm-amd.ko либо kvm-intel.ko.

Необходимым условием для использования KVM является поддержка инструкций виртуализации - Intel VT либо AMD , и ядро Linux версии 2.6.20 и выше. Существует также порт KVM под Free-BSD. Для вызова KVM традиционно используется QEMU, но также ведутся попытки добавить поддержку KVM в Virtualbox.

Сам по себе KVM не выполняет эмуляции. Вместо этого программа, работающая в пространстве пользователя, использует интерфейс /dev/kvm для настройки адресного пространства гостя виртуальной машины, через него же эмулирует устройства ввода-вывода и видеоадаптер.

KVM позволяет виртуальным машинам использовать немодифицированные образы дисков QEMU, VMware и других, содержащие операционные системы. Каждая виртуальная машина имеет своё собственное виртуальное аппаратное обеспечение: сетевые карты, диск, видеокарту и другие устройства.

Использование

Для использования данного гипервизора существует множество реализаций. Некоторые представляют из себя целые специализированные библиотеки, другие имеют вид простых графических приложений.

Для наглядности рассматривается виртуализация KVM на базе библиотеку virt-manager.

Данная библиотека позволяет упростить вызов различных гипервизоров, предоставляя удобный интерфейс для автоматизации процесса виртуализации. Кроме того, библиотека имеет возможность работы с сетевой инфраструктурой, что иногда важно, при построении клиент-серверных рабочих мест.

Схема 2. – Взаимодействие компонентов libvirt

QEMU позволяет создать фрейм для вызова гипервизора на клиентской системе. Данная программа настраивается аргументами вызова командной строки, является достаточно легкой и простой.

Существуют кроме того несколько графических оболочек, таких как Gnome-Boxes .

Вывод

Виртуализация – неотъемлемая часть современных корпоративных систем, она позволяет сэкономить колоссальные денежные и энергетические ресурсы. Развитие технологий виртуализации является приоритетным направлением многих организаций. Развиваются такие технологии как как VGAPassthrough (технология "проброса" видеокарты хост-устройства в виртуальную машину) и PCIPassthrough ("проброс" PCI устройства).