kvm虚拟了哪些硬件，kvm虚拟机是独立系统吗

***：本文主要探讨两个关于KVM的问题。一是KVM所虚拟的硬件，KVM可虚拟多种硬件，像CPU、内存、磁盘、网络设备等，为虚拟机提供类似物理机的硬件环境。二是关于KVM虚拟机是否为独立系统，KVM虚拟机具有一定独立性，它在宿主机的支持下运行，有自己的操作系统和应用程序，相对独立地进行运算和处理任务，但又依赖宿主机的部分资源。

本文目录导读：

1. KVM虚拟机概述
2. KVM虚拟的硬件
3. KVM虚拟机是否是独立系统

《KVM虚拟机：独立系统的探讨与硬件虚拟情况深度解析》

随着虚拟化技术的不断发展，KVM（Kernel - based Virtual Machine）在服务器虚拟化领域占据着重要的地位，对于很多用户来说，一个关键的问题是KVM虚拟机是否可以看作是独立系统，要深入理解这个问题，我们需要详细探究KVM虚拟了哪些硬件。

KVM虚拟机概述

KVM是一种开源的系统虚拟化技术，它基于Linux内核，通过KVM，一个物理服务器可以被分割成多个虚拟机，每个虚拟机都能够运行自己的操作系统，就像在独立的物理硬件上运行一样，KVM的优势在于它直接利用了Linux内核的功能，如内存管理、进程调度等，从而提供了高效的虚拟化解决方案。

KVM虚拟的硬件

（一）CPU虚拟

1、vCPU的概念

- 在KVM中，虚拟CPU（vCPU）是对物理CPU的虚拟化，每个KVM虚拟机可以被分配一个或多个vCPU，这些vCPU在虚拟机内部看起来就像真实的物理CPU一样，一个具有四核物理CPU的服务器，可以将其中的一核或多核分配给一个KVM虚拟机作为vCPU。

- vCPU的调度由宿主机的内核负责，宿主机内核使用自己的进程调度算法来分配物理CPU时间片给各个虚拟机的vCPU，这意味着虽然虚拟机中的操作系统认为它独占了一个或多个CPU，但实际上是在与其他虚拟机共享物理CPU资源。

2、指令集仿真与硬件辅助虚拟化

- 早期的KVM在处理CPU指令集时，部分指令需要进行仿真，当虚拟机中的操作系统执行一些特权指令时，KVM会捕获这些指令，并通过软件仿真的方式来提供与物理CPU类似的执行结果，随着硬件辅助虚拟化技术（如Intel VT - x和AMD - V）的发展，KVM可以更好地利用这些硬件特性。

- 硬件辅助虚拟化允许KVM直接将部分特权指令传递给物理CPU执行，大大提高了虚拟机的性能，在Intel VT - x技术下，KVM可以利用VMCS（Virtual - Machine Control Structure）来管理虚拟机的状态，当虚拟机执行某些敏感指令时，硬件会自动进行处理，而不需要KVM进行复杂的软件仿真。

（二）内存虚拟

1、虚拟内存空间的创建

- KVM为每个虚拟机创建独立的虚拟内存空间，虚拟机中的操作系统认为它拥有连续的物理内存地址空间，但实际上这是KVM通过内存映射技术实现的假象，一个虚拟机可能被分配了2GB的内存，KVM会在宿主机的物理内存中为这个虚拟机分配相应的页面，并将虚拟机中的虚拟内存地址映射到这些物理内存页面上。

- 这种映射是动态的，可以根据虚拟机的内存需求进行调整，当虚拟机中的应用程序请求更多内存时，KVM可以从宿主机的空闲内存中分配更多的页面给虚拟机；反之，当虚拟机中的内存有空闲时，KVM可以回收这些页面供其他虚拟机或宿主机使用。

2、内存管理单元（MMU）虚拟化

- 在硬件辅助虚拟化出现之前，KVM对MMU的虚拟化主要通过软件方式实现，称为影子页表（Shadow Page Tables），影子页表是一种在宿主机上维护的额外的页表结构，用于将虚拟机中的虚拟内存地址转换为宿主机的物理内存地址，这种方式虽然能够实现内存虚拟化，但存在一定的性能开销，因为每次虚拟机中的MMU操作都需要经过宿主机内核的干预。

- 随着硬件辅助虚拟化技术的发展，如Intel的EPT（Extended Page Tables）和AMD的RVI（Rapid Virtualization Indexing），KVM可以利用这些硬件特性来实现更高效的MMU虚拟化，这些技术允许虚拟机的MMU直接访问宿主机的物理内存，减少了软件干预，提高了内存访问的速度。

（三）磁盘存储虚拟

1、虚拟磁盘设备的创建

- KVM通过创建虚拟磁盘设备来为虚拟机提供存储功能，最常见的方式是使用磁盘镜像文件（如.qcow2格式）作为虚拟机的磁盘，这个磁盘镜像文件在虚拟机内部看起来就像一个真实的物理磁盘，当在虚拟机中安装操作系统时，安装程序会将文件系统创建在这个虚拟磁盘镜像上。

- 除了磁盘镜像文件，KVM还可以直接使用物理磁盘分区或逻辑卷作为虚拟机的磁盘，这种方式可以提供更高的性能，适合对磁盘I/O要求较高的应用场景，在这种情况下，KVM会对物理磁盘资源进行适当的隔离和管理，以确保各个虚拟机之间的磁盘操作不会相互干扰。

2、I/O虚拟化技术

- 在磁盘I/O方面，KVM采用了多种I/O虚拟化技术，其中一种是半虚拟化（Para - virtualization）技术，Virtio，Virtio是一种用于虚拟机I/O设备的半虚拟化框架，它通过在虚拟机和宿主机之间定义一套标准化的接口，提高了磁盘I/O的效率，在使用Virtio的情况下，虚拟机中的操作系统需要安装特定的Virtio驱动程序，这些驱动程序能够更好地与宿主机的I/O子系统协作。

- 另一种是硬件辅助的I/O虚拟化技术，Intel的VT - d和AMD的IOMMU技术可以将物理设备直接分配给虚拟机，实现更高效的I/O操作，这种方式绕过了宿主机操作系统对I/O设备的管理，直接将设备的控制权交给虚拟机，适用于对性能要求极高的应用场景。

（四）网络虚拟

1、虚拟网络设备的类型

- KVM提供了多种虚拟网络设备，如虚拟网卡（vNIC），虚拟网卡在虚拟机内部看起来就像一个真实的物理网卡，常见的虚拟网卡类型包括基于软件模拟的虚拟网卡（如e1000等模拟网卡）和半虚拟化的网卡（如Virtio - net），基于软件模拟的虚拟网卡可以提供兼容性，能够在不安装额外驱动的情况下被大多数操作系统识别，但性能相对较低。

- 而半虚拟化的Virtio - net网卡需要在虚拟机中的操作系统安装Virtio - net驱动程序，一旦安装后，它能够提供更高的网络性能，KVM还支持将物理网卡直接分配给虚拟机（PCI - pass - through），这种方式下虚拟机可以直接使用物理网卡的功能，适用于需要高性能网络连接的应用场景，如网络密集型服务器。

2、网络连接模式

- KVM支持多种网络连接模式，如NAT（Network Address Translation）模式、桥接（Bridge）模式和仅主机（Host - only）模式，在NAT模式下，虚拟机通过宿主机的网络地址转换功能连接到外部网络，虚拟机内部的IP地址是私有的，这种模式适合于虚拟机不需要直接暴露在外部网络的场景。

- 在桥接模式下，虚拟机的虚拟网卡直接连接到宿主机所在的网络桥接设备上，虚拟机在网络中就像一台独立的物理主机一样，可以直接获取外部网络的IP地址，与外部网络中的其他主机进行通信，仅主机模式下，虚拟机只能与宿主机以及同一宿主机上的其他仅主机模式的虚拟机进行通信，适用于构建内部测试网络等场景。

KVM虚拟机是否是独立系统

（一）从硬件虚拟角度看

1、硬件资源的独立性

- 从上述KVM虚拟的硬件来看，在一定程度上每个KVM虚拟机都具有硬件资源的独立性，每个虚拟机都有自己独立的vCPU、虚拟内存空间、虚拟磁盘和虚拟网络设备，这些虚拟硬件设备在功能上与真实的物理硬件设备类似，使得虚拟机内部的操作系统和应用程序可以独立地运行，就像在一个独立的物理系统上一样。

- 这种独立性是相对的，因为虚拟机的硬件资源毕竟是从宿主机的物理硬件资源中分配出来的，它们仍然受到宿主机硬件资源总量的限制，如果宿主机的物理内存有限，那么分配给各个虚拟机的内存总和不能超过宿主机的物理内存容量。

2、硬件资源的隔离性

- KVM通过多种技术实现了硬件资源的隔离，在CPU方面，虽然是共享物理CPU，但通过调度算法和硬件辅助虚拟化，每个虚拟机的vCPU在执行时是相互隔离的，不会相互干扰，在内存方面，通过内存映射和MMU虚拟化技术，每个虚拟机的内存空间是独立的，一个虚拟机不能直接访问另一个虚拟机的内存。

- 在磁盘和网络方面，同样通过相应的虚拟化技术实现了隔离，不同虚拟机的虚拟磁盘镜像文件是相互独立的，一个虚拟机对自己磁盘的操作不会影响到其他虚拟机的磁盘；在网络方面，不同网络连接模式下，虚拟机之间的网络通信是按照设定的规则进行隔离的。

（二）从软件运行角度看

1、操作系统的独立性

- 在KVM虚拟机中，每个虚拟机都可以运行自己独立的操作系统，这个操作系统在虚拟机内部拥有自己的内核、文件系统、应用程序等，可以在一个KVM虚拟机中运行Windows操作系统，在另一个虚拟机中运行Linux操作系统，这些操作系统在虚拟机内部的运行方式与在物理机上运行基本相同，它们可以独立地进行软件安装、配置和管理。

- 虚拟机中的操作系统仍然依赖于宿主机的KVM模块和底层的硬件资源，当虚拟机中的操作系统进行硬件设备驱动的加载时，实际上是与KVM提供的虚拟硬件设备进行交互，而这些虚拟硬件设备最终是由宿主机的硬件和KVM软件共同提供支持的。

2、应用程序的运行环境

- 对于应用程序来说，在KVM虚拟机中的运行环境看起来就像在一个独立的物理系统中一样，应用程序可以按照自己的需求使用虚拟机内部的操作系统资源，如内存、磁盘和网络等，不同虚拟机中的应用程序是相互隔离的，一个虚拟机中的应用程序故障通常不会影响到其他虚拟机中的应用程序。

- 由于虚拟机的硬件资源共享特性，当宿主机的硬件资源出现瓶颈（如CPU使用率过高、内存不足等）时，可能会影响到虚拟机中应用程序的性能。

KVM虚拟机具有一定程度上的独立性，可以看作是一种相对独立的系统，从硬件虚拟方面来看，它为每个虚拟机提供了类似独立物理硬件的设备，并且通过技术手段实现了资源的隔离；从软件运行角度来看，每个虚拟机能够独立运行操作系统和应用程序，但同时，我们也必须认识到，这种独立性是建立在宿主机硬件和KVM软件基础之上的，它仍然受到宿主机硬件资源总量和KVM软件功能的限制，在实际应用中，我们需要根据具体的需求和场景，合理地利用KVM虚拟机的这种特性，以实现高效的服务器资源利用和灵活的系统部署。