kvm虚拟机原理，kvm虚拟机有几种存储方式

***：KVM（基于内核的虚拟机）是一种开源的系统虚拟化技术。其原理是通过将Linux内核转变为一个hypervisor（虚拟机监控器），使得主机能运行多个隔离的虚拟环境（虚拟机）。在存储方式方面，常见的有本地存储，如直接使用主机本地磁盘来存储虚拟机镜像等；网络存储，像NFS（网络文件系统）存储，可通过网络共享存储资源给虚拟机；还有iSCSI存储等，不同存储方式各有特点和适用场景。

《KVM虚拟机存储方式全解析：深入探究多种存储机制及其原理》

一、引言

KVM（Kernel - based Virtual Machine）是一种基于Linux内核的开源虚拟机技术，在云计算和虚拟化环境中得到了广泛的应用，在KVM虚拟机的运行过程中，存储是一个至关重要的方面，它不仅影响虚拟机的性能、可用性，还关系到数据的安全性和管理的便捷性，KVM虚拟机支持多种存储方式，每种存储方式都有其独特的特点和适用场景，深入理解这些存储方式对于构建高效、可靠的KVM虚拟化环境具有重要意义。

二、KVM虚拟机存储方式概述

（一）本地存储

1、基于文件系统的存储

- 直接在宿主机的本地文件系统上创建虚拟机磁盘文件，可以使用ext4、xfs等常见的Linux文件系统，这种方式非常简单直接，管理员可以像管理普通文件一样管理虚拟机磁盘文件，虚拟机磁盘文件在文件系统中表现为一个大文件，对于一个虚拟机的虚拟磁盘，如果配置为100GB，那么在文件系统中就会有一个100GB大小的文件（实际占用空间根据使用情况而定）。

- 优点：

- 易于管理：可以利用文件系统的各种管理工具，如文件权限设置、备份工具等，可以使用rsync工具对虚拟机磁盘文件进行备份，方便快捷。

- 灵活性高：可以方便地移动、复制虚拟机磁盘文件，如果需要将虚拟机迁移到另一台宿主机上，只要将磁盘文件复制过去，并在新宿主机上重新配置虚拟机的相关参数即可。

- 缺点：

- 性能可能受到文件系统的限制，一些文件系统在处理大文件的随机读写时性能不佳，对于频繁的小数据块写入操作，ext4文件系统可能会因为其文件分配策略而导致性能下降。

- 文件系统的故障可能会影响虚拟机磁盘文件的完整性，如果文件系统发生损坏，例如由于突然断电导致文件系统元数据损坏，虚拟机磁盘文件可能无法正常使用。

2、基于裸设备的存储

- 直接使用宿主机上的物理磁盘或磁盘分区作为虚拟机的存储设备，这种方式绕过了文件系统层，直接与磁盘设备进行交互，可以将一块未格式化的物理磁盘分配给虚拟机作为其磁盘。

- 优点：

- 潜在的高性能：由于直接与磁盘设备交互，减少了文件系统层的开销，对于一些对I/O性能要求极高的应用场景，如数据库服务器虚拟机，可能会获得更好的性能。

- 更直接的设备控制：可以利用磁盘设备本身的特性，如磁盘的缓存策略等，某些高级磁盘设备支持预读和写缓存优化，使用裸设备可以更好地利用这些特性。

- 缺点：

- 管理复杂：相比于基于文件系统的存储，裸设备的管理难度较大，需要对磁盘设备有更深入的了解，需要正确地对磁盘进行分区、初始化等操作。

- 缺乏文件系统的功能：不能直接使用文件系统的管理工具，无法使用文件系统的文件权限管理功能，安全性管理相对复杂。

（二）网络存储

1、NFS（Network File System）

- NFS是一种分布式文件系统协议，允许将远程服务器上的文件系统挂载到本地使用，在KVM虚拟机中，可以将NFS共享的存储作为虚拟机的存储，在一个数据中心中，有一台专门的存储服务器提供NFS共享，KVM宿主机可以挂载这个NFS共享，并在其中创建虚拟机磁盘文件。

- 优点：

- 集中化存储管理：所有的虚拟机磁盘文件可以集中存储在NFS服务器上，便于统一管理和备份，可以在NFS服务器上设置备份策略，对所有的虚拟机磁盘文件进行定期备份。

- 资源共享：多个KVM宿主机可以共享NFS存储资源，提高存储资源的利用率，不同宿主机上的虚拟机可以访问相同的NFS存储，方便数据共享和迁移。

- 缺点：

- 性能依赖网络：由于数据需要通过网络传输，网络带宽和延迟会对虚拟机的I/O性能产生很大影响，如果网络出现拥塞或者故障，虚拟机的存储性能会急剧下降。

- 单点故障风险：如果NFS服务器出现故障，所有依赖它的虚拟机都将无法正常访问存储，虽然可以通过设置冗余NFS服务器来缓解这个问题，但增加了系统的复杂性和成本。

2、iSCSI（Internet Small Computer System Interface）

- iSCSI是一种基于IP网络的存储网络标准，它允许将远程的存储设备（如磁盘阵列）通过网络呈现给本地计算机作为本地磁盘使用，在KVM虚拟机中，可以将iSCSI目标（存储设备）挂载到宿主机上，然后将其分配给虚拟机作为存储。

- 优点：

- 良好的性能：相比NFS，iSCSI在网络环境较好的情况下可以提供更高的性能，它可以利用网络的高速传输特性，实现类似于本地磁盘的I/O操作。

- 存储设备的多样性：可以连接各种支持iSCSI协议的存储设备，包括磁盘阵列、磁带库等，这使得KVM虚拟机可以利用企业级的存储设备，提高存储的可靠性和扩展性。

- 缺点：

- 网络配置复杂：需要正确配置iSCSI的网络连接，包括设置IP地址、子网掩码、网关等参数，如果网络配置错误，可能导致无法连接到iSCSI目标。

- 安全性要求高：由于数据在网络上传输，需要采取额外的安全措施，如设置IPsec加密等，以防止数据泄露和篡改。

3、Ceph

- Ceph是一种分布式存储系统，它提供了对象存储、块存储和文件存储等多种存储接口，在KVM虚拟机中，可以使用Ceph的块存储接口作为虚拟机的存储，Ceph通过将数据分散存储在多个节点上，实现了高可靠性和高可扩展性。

- 优点：

- 高可靠性：数据在Ceph集群中是冗余存储的，即使部分节点出现故障，数据仍然可以正常访问，Ceph可以采用多副本策略，将数据复制到多个节点上，保证数据的可用性。

- 可扩展性：可以方便地添加新的存储节点来扩展存储容量，随着虚拟机数量的增加和存储需求的增长，Ceph可以轻松应对。

- 缺点：

- 系统复杂度高：Ceph的部署和管理相对复杂，需要对Ceph的架构、存储池、CRUSH算法等有深入的了解，对于小型环境或者技术力量不足的团队来说，可能会面临较大的挑战。

- 性能调优困难：要充分发挥Ceph的性能优势，需要进行大量的性能调优工作，包括调整网络参数、存储池参数等。

三、KVM虚拟机存储方式的原理

（一）本地存储原理

1、基于文件系统的存储原理

- 在基于文件系统的存储中，当虚拟机进行磁盘I/O操作时，KVM内核模块首先将虚拟机发出的I/O请求转换为对宿主机文件系统上磁盘文件的操作，当虚拟机中的应用程序向虚拟磁盘写入数据时，KVM会将这个写入请求转换为对宿主机文件系统中相应文件的写入操作，文件系统会根据其自身的管理机制，如文件分配表、块分配策略等，将数据写入到物理磁盘上的相应位置。

- 对于文件系统的缓存机制，宿主机的文件系统通常会有自己的缓存层，如Linux中的页缓存，当虚拟机读取磁盘数据时，如果数据在页缓存中已经存在，就可以直接从缓存中获取，而不需要从物理磁盘读取，从而提高了读取效率，在写入数据时，文件系统的缓存策略会影响数据的写入方式，是立即写入磁盘还是先缓存在内存中，等待合适的时机再写入磁盘。

2、基于裸设备的存储原理

- 当使用裸设备作为虚拟机存储时，KVM直接与物理磁盘设备的驱动程序进行交互，虚拟机发出的I/O请求直接被传递到磁盘设备驱动，驱动程序再将请求发送到物理磁盘，这种方式避免了文件系统层的处理，使得I/O操作更加直接，在处理磁盘的顺序读写时，裸设备可以根据磁盘的物理特性，如磁道的顺序等，进行更高效的操作，对于磁盘设备本身的一些高级功能，如磁盘的固件提供的预读优化功能，在使用裸设备时可以更好地利用。

（二）网络存储原理

1、NFS原理

- NFS基于客户端 - 服务器模型，在KVM环境中，宿主机作为NFS客户端，NFS服务器提供共享的文件系统，当虚拟机进行磁盘I/O操作时，宿主机上的NFS客户端将虚拟机的I/O请求转换为NFS协议请求，并通过网络发送到NFS服务器，NFS服务器接收到请求后，根据其本地文件系统的管理机制进行数据的读写操作，然后将结果通过网络返回给宿主机的NFS客户端，再由客户端将数据传递给虚拟机，NFS使用了远程过程调用（RPC）机制来实现客户端和服务器之间的通信，并且通过网络文件锁等机制来保证数据的一致性。

2、iSCSI原理

- iSCSI同样基于客户端 - 服务器模型，在KVM环境中，宿主机作为iSCSI客户端，连接到iSCSI存储设备（服务器），当虚拟机需要进行磁盘I/O操作时，宿主机的iSCSI客户端将虚拟机的I/O请求封装成iSCSI协议数据包，并通过网络发送到iSCSI存储设备，iSCSI存储设备接收到数据包后，将其解封装并转换为对本地磁盘的I/O操作，完成数据的读写后，再将结果封装成iSCSI协议数据包返回给宿主机的iSCSI客户端，最后客户端将数据传递给虚拟机，iSCSI协议在传输层通常使用TCP协议，以保证数据传输的可靠性。

3、Ceph原理

- Ceph的块存储原理基于其分布式的对象存储系统，在Ceph中，数据被分割成多个对象，这些对象被分布存储在Ceph集群的多个节点上，当KVM虚拟机进行磁盘I/O操作时，宿主机上的Ceph客户端将虚拟机的I/O请求转换为对Ceph对象的操作，Ceph客户端通过与Ceph集群中的监视器（Monitor）、元数据服务器（MDS，在文件存储场景下主要使用）和对象存储设备（OSD）进行交互来完成数据的读写，监视器负责维护Ceph集群的状态信息，如存储池的配置、节点的状态等；元数据服务器负责管理文件系统的元数据（在块存储场景下部分功能可能涉及）；对象存储设备负责实际的数据存储和读写操作，Ceph使用CRUSH算法来确定对象在集群中的存储位置，以实现数据的均匀分布和高可靠性。

四、不同存储方式在实际场景中的选择

（一）开发测试环境

- 在开发测试环境中，基于文件系统的本地存储可能是一个较好的选择，因为开发测试环境通常对性能要求不是特别高，更注重灵活性和管理的便捷性，基于文件系统的存储可以方便地创建、删除和移动虚拟机磁盘文件，便于开发人员快速部署和调整虚拟机环境，使用本地文件系统可以减少网络配置等复杂因素，降低环境搭建的难度。

（二）企业生产环境中的普通应用服务器

- 对于企业生产环境中的普通应用服务器虚拟机，NFS或iSCSI可能是比较合适的选择，如果企业已经有一套完善的NFS存储系统，并且对成本比较敏感，NFS可以提供集中化的存储管理和资源共享，如果对性能有一定的要求，并且希望能够利用企业级的存储设备，iSCSI则是一个不错的选择，它可以在保证一定性能的前提下，提供存储设备的多样性和可扩展性。

（三）企业生产环境中的关键业务系统

- 对于企业生产环境中的关键业务系统，如数据库服务器、核心业务应用服务器等，Ceph或基于裸设备的本地存储可能更适合，Ceph的高可靠性和可扩展性可以保证关键业务数据的安全和持续可用，而基于裸设备的本地存储可以提供极高的性能，满足关键业务对I/O性能的苛刻要求，不过，使用裸设备需要有专业的技术人员进行管理和维护，并且需要考虑到数据备份、恢复等复杂问题。

五、结论

KVM虚拟机的多种存储方式各有优劣，在实际应用中需要根据不同的场景，如开发测试、企业生产中的不同业务类型等，综合考虑性能、可靠性、管理便捷性和成本等因素来选择合适的存储方式，无论是本地存储还是网络存储，都有其独特的原理和特点，深入理解这些存储方式及其原理对于构建高效、可靠的KVM虚拟化环境至关重要，随着技术的不断发展，KVM虚拟机的存储技术也将不断演进，未来可能会出现更多创新的存储方式和优化方案，以满足日益增长的云计算和虚拟化需求。