QEMU/KVM

主要作者

@RTXUX

本文编写中

QEMU/KVM 是 Linux 服务器上常用的虚拟化方案。其分为运行在用户空间的 QEMU 和运行在内核空间的 KVM 两部分。QEMU 负责模拟硬件，KVM 则负责虚拟机的运行。

本部分将对 QEMU 和 KVM 基础知识和基本操作进行介绍。

组件介绍

QEMU

QEMU（Quick Emulator）是一个开源的虚拟化软件，它通过动态二进制翻译来模拟 CPU，并提供一系列的硬件模型，可以模拟多种外设硬件。QEMU 可以在没有硬件加速的情况下独立运行，但这样其中的 CPU 部分是模拟指令的执行，性能低下。

此外 QEMU 也可以仅用于 CPU 指令和系统调用的翻译，不模拟硬件模型，这种模式称为 User Mode。主要用于运行不同于宿主系统 CPU 指令集的用户态二进制程序。

KVM

KVM（Kernel-based Virtual Machine）是一种基于 Linux 内核的开源虚拟化解决方案。KVM 将 Linux 转变成一个虚拟机监视器（Hypervisor）。它利用了现代处理器中的硬件虚拟化支持（例如 Intel VT-x 或 AMD-V），以实现高性能的虚拟化。它专注于以最小的开销在 Linux 上提供安全和隔离的虚拟环境，同时维持接近原生的性能。它向用户空间提供了虚拟 CPU 和内存子系统的配置和执行控制相关接口，但 KVM 不包含硬件模型，不能独立构成虚拟机。

QEMU/KVM

QEMU 与 KVM 的关系是互补的。当二者结合使用时，QEMU 负责提供软件模拟和用户界面，而 KVM 则在内核级别提供硬件加速支持。这种配合使得虚拟机能够以较低的性能开销运行，同时用户还可以享受到 QEMU 在设备模拟方面提供的灵活性。实际上，QEMU 通常作为用户空间的工具与 KVM 的内核虚拟化功能配合，一起形成了现代 Linux 环境中强大的虚拟化解决方案。

安装配置

现在大多数发行版提供的内核都包含 KVM 相关模块，也提供了 QEMU 的二进制包。因此在大多数情况下，KVM 无需进行任何配置，只需要安装 QEMU 的二进制包即可。

如果需要手动进行配置，以下内容可以作为参考。

KVM

以 x86 为例。

1. 确保内核配置中包含了 KVM 相关模块。需要的配置项包括：
   • CONFIG_KVM
   • CONFIG_KVM_INTEL 或 CONFIG_KVM_AMD
   • EPT 支持等模块
2. 加载 KVM 模块：modprobe kvm_intel 或 modprobe kvm_amd。
3. 正确配置 /dev/kvm 字符设备的权限，使需要运行虚拟机的用户可以访问该设备。

QEMU

只需安装 QEMU 的二进制包。

如果发行版不提供相关包，也可以从 QEMU 官网 下载源码编译安装。

第一台虚拟机

以下实例命令用于启动一个使用 KVM, 带有双核 CPU，1GB 内存，使用一个名为 example.img 的磁盘镜像文件和用户态网络的虚拟机。

qemu-system-x86_64 \
    -enable-kvm \
    -m 1024 \
    -cpu host \
    -smp cores=2 \
    -drive file=example.img,format=raw,if=virtio \
    -nic user,model=virtio

这个命令的各个参数意义如下：

• qemu-system-x86_64: QEMU 的二进制文件名，这里表示运行 x86_64 架构的系统级模拟器。
• -enable-kvm: 启用 KVM。
• -m 1024: 分配 1024MB 内存。
• -cpu host: 使用宿主机 CPU 模型。
• -smp cores=2: 使用 2 个 CPU 核心。
• -drive file=example.img,format=raw,if=virtio: 使用 example.img 作为磁盘镜像，格式为 raw，使用 virtio 设备模型。
• -nic user,model=virtio: 使用用户态网络设备，使用 virtio 设备模型。

这只是创建虚拟机的一个基本示例，QEMU 提供了很多其他选项，可以让您定制网络、图形输出、设备等。

详细配置

块存储

存储格式

QEMU 支持多种存储格式，每种格式都有其特定的优点和用途。以下是一些最常见的 QEMU 磁盘镜像格式：

1. raw: 这是最简单的磁盘镜像格式。它是未经过任何处理的磁盘镜像，没有任何元数据或附加特性。因为其简单性，它通常有最好的性能，并且可以直接被许多其他工具读取，比如 dd。如果主机文件系统支持稀疏文件，那么 raw 格式的磁盘镜像文件可以非常小，因为它只会在需要时才增长到所需大小。如果主机文件系统支持 hole-punching 操作，那么 raw 格式的磁盘镜像文件可以直接释放未使用的空间。
2. qcow2 (QEMU Copy-On-Write version 2): 这是 QEMU 最常用的磁盘镜像格式。它支持许多高级特性，如写时复制 (copy-on-write)，快照，压缩，加密和增量备份。

此外 QEMU 还支持许多其他磁盘格式，如 vmdk, vdi, vhdx 等。由于这些格式不是很常见，这里不再详细介绍。

配置参数

QEMU 中存储分为存储后端和存储设备两个部分，分别使用 -blockdev 和 -device 参数进行配置。

-blockdev 参数用于配置存储后端，常用的配置语法如下：

-blockdev driver=<file|raw|qcow2>,node-name=<name>,file=<path>,<other opts>

其中 raw 和 qcow2 driver 通常层叠在 file 后端上使用。node-name 参数用于指定该后端的名称，以便于后面引用。

-device 参数用于配置设备，常用的配置语法如下：

-device virtio-blk-pci,drive=<blockdev node name>,<other opts>

其中 virtio-blk-pci 是设备模型，drive 参数用于指定该设备的后端。除了 virtio-blk-pci，QEMU 还支持其他设备模型，如 ide，scsi 等。

此外，QEMU 还支持 -drive 参数用于同时配置存储后端和设备，其实例如下：

-drive file=example.img,format=raw,if=virtio

这种方式更加简洁，但不如 -blockdev 和 -device 参数灵活。当 if 选项值为 none 时，-drive 选项仅创建后端，不创建设备。

网络

QEMU 支持多种网络后端，包括 user，tap，bridge 等。其中 user 是最简单的网络后端，它使用宿主机的 NAT 网络进行网络连接。tap 则是最常用的网络后端，它使用主机上的 TAP 设备进行网络连接。bridge 与 tap 没有本质区别，它只是自动将创建的 tap 接口接到网桥上。

-nic 参数同时配置网络后端和设备，常用的配置语法如下：

-nic [tap|bridge|user|l2tpv3|vde|netmap|af-xdp|vhost-user|socket][,...][,mac=macaddr][,model=mn]

QEMU 支持多种网络设备模型，包括 virtio，e1000，rtl8139 等。其中 virtio 是性能最好的设备模型，且现在几乎所有 Linux 发行版均包含了对应驱动，因此大多数情况下直接使用该模型即可。

内存

本节内容待补充

CPU

本节内容待补充

实用工具

qemu-img

qemu-img 是 QEMU 提供的一个用于创建、转换和操作磁盘镜像的工具。它支持多种磁盘格式，可以方便地进行磁盘镜像的创建、转换、扩容等操作。

qemu-img 的详细用法和选项可以通过 man qemu-img 或 qemu-img --help 查看。

创建

qemu-img create 命令用于创建磁盘镜像，基本用法如下：

qemu-img create -f <FORMAT:raw|qcow2|...> -o <OPTIONS> <IMAGE> <SIZE>

其中 -f 选项用于指定磁盘镜像格式，-o 选项用于指定格式相关的选项，<IMAGE> 为磁盘镜像文件名，<SIZE> 为磁盘镜像大小。

Tip

创建 qcow2 格式的磁盘镜像时，可以使用 -o preallocation=metadata 选项指定预分配元数据，以提高性能。

转换

qemu-img convert 命令用于转换磁盘镜像格式，基本用法如下：

qemu-img convert -f <SRC_FORMAT:raw|qcow2|...> -O <DST_FORMAT:raw|qcow2|...> -o <OPTIONS> <SRC_IMAGE> <DST_IMAGE>

其中 -f 选项用于指定源磁盘镜像格式，-O 选项用于指定目标磁盘镜像格式，-o 选项用于指定格式相关的选项，<SRC_IMAGE> 为源磁盘镜像文件名，<DST_IMAGE> 为目标磁盘镜像文件名。

扩缩容

qemu-img resize 命令用于扩缩容磁盘镜像，基本用法如下：

qemu-img resize -f <FORMAT> [--shrink] <IMAGE> [+|-]<SIZE>

其中 -f 选项用于指定磁盘镜像格式，--shrink 选项用于指定是否收缩磁盘镜像，<IMAGE> 为磁盘镜像文件名，<SIZE> 为磁盘镜像大小。

需要注意的是，缩小镜像时，超过指定大小的数据将被截断丢弃，因此需要在镜像内部先进行文件系统容量调整和分区表调整操作，并需要小心计算各分区偏移量和目标镜像大小。

Tip

缩容时，可以先将内部文件系统调整至最小大小，然后调整分区大小至目标大小，接着调整镜像大小，最后再将文件系统扩容至最大。在此过程中也需要小心计算涉及到的各种大小和偏移量。

qemu-nbd

qemu-nbd 是 QEMU 提供的一个用于挂载磁盘镜像的工具。它可以将磁盘镜像文件映射为一个块设备，然后可以使用 mount 命令将其挂载到文件系统中，或者对该块设备进行其他操作。

使用前需要先加载 nbd 内核模块：

modprobe nbd

坑

nbd 默认创建很多 nbd 设备，占据大量设备号，如果主机上本来就已经有很多设备，在加载 nbd 模块的过程中可能因设备号分配失败而出错，在内核日志中留下一个 oops。这种情况下可以通过 nbds_max 参数限制 nbd 设备的数量。

modprobe nbd nbds_max=2

然后可以使用 qemu-nbd 命令挂载磁盘镜像，常用命令如下：

qemu-nbd -c /dev/nbdX -f <FORMAT:raw|qcow2|...> --discard=<unmap|ignore> <IMAGE>

其中 -c 选项用于指定 nbd 设备号，-f 选项用于指定磁盘镜像格式，--discard 选项用于指定磁盘镜像支持的 TRIM/DISCARD 操作，<IMAGE> 为磁盘镜像文件。如果需要只读挂载，可以指定 -r 选项。qemu-nbd 的其他用法和选项可以通过 man qemu-nbd 或 qemu-nbd --help 查看。

管理工具

本节内容待补充

QEMU 直接运行参数众多，配置复杂，因此一般不直接运行 QEMU 命令，而是使用一些管理工具来创建和管理虚拟机，如 libvirt，virt-manager, Proxmox VE 等。