Виртуализация — это программно смоделированная среда или платформа поверх определенного хоста. Данная технология характеризуется высоким уровнем абстракции, что избавляет пользователя от необходимости в технических знаниях и навыках, позволяет работать с такой средой, как с обычным компьютером. Виртуализация применяется для более эффективного использования аппаратных ресурсов основного компьютера.
Аббревиатура KVM расшифровуется как kernel-based virtual machine, то есть виртуальная машина на основе ядра. Необходимость в такой технологии возникла с развитием современных процессоров Intel и AMD. Новое поколение процессоров поддерживает аппаратную виртуализацию. И чтобы воспользоваться всеми ее преимуществами была разработана технология KVM.
Чтобы разобраться, что представляет собой аппаратная виртуализация, и какие преимущества может получить конечный пользователь от использования технологии, необходимо взглянуть в прошлое, когда виртуализация только начинала свое развитие.
Изначально виртуальные машины не имели доступа к аппаратному оборудованию, то есть они не могли напрямую обратиться к процессору хоста, чтобы выполнить определенные инструкции. Для этого приходилось симулировать работу процессора внутри смоделированной среды. Такой подход позволял решать поставленные задачи, однако существенно снижал производительность хост-узла за счет большой нагрузки в процессе выполнения.
На сегодняшний день современные производители центральных процессоров существенно изменили их архитектуру, что позволило иметь прямой доступ к “железу” виртуальных машин. Это способствовало существенному снижению нагрузок на сервер и увеличению эффективности виртуализации.
Рассмотрим различные подходы к виртуализации, которые применялись инженерами в процессе развития технологии:
Запуск виртуальных машин на центральных процессорах хост-машин вместо эмуляции ЦП с применением технологии двоичной трансляции. Такой подход позволяет избавиться от необходимости изменения гостевой операционной системы.
Модификация гостевой операционной системы для связи с гипервизором. В этом случае гипервизор может напрямую взаимодействовать с аппаратным оборудованием. Например, в корпоративных сетях часто использовалась платформа Xen, реализующая виртуализацию Para.
Изменение архитектуры центральных процессоров хост-машин для более простого и эффективного взаимодействия с гипервизором. С помощью этого метода удалось существенно снизить нагрузку, так как была устранена необходимость в эмуляции и бинарной трансляции. Данный способ позволил добиться полной виртуализации, а не паравизуализации.
Модификация операционной системы хост-узла таким образом, чтобы она могла эффективно работать с технологией виртуализации. Это приводит к нативным гипервизорам, а не размещенным.
KVM виртуализация совместила в себе преимущества третьего и четвертого пунктов для обеспечения наибольшей эффективности.
Гипервизор представляет собой промежуточный программный уровень между гостевой операционной системой и физическим оборудованием сервера. Его основная функция заключается в управлении “железом” хост-узла для всех подключенных виртуальных машин.
Принято различать два основных типа гипервизоров:
Запускаемые напрямую на аппаратной платформе. Они не требуют наличия специально настроенной операционной системы.
Работающие поверх операционной системы сервера. Для их работы требуется серверная ОС с соответствующими возможностями. 
Считается, что гипервизоры, относящиеся к первому пункту, являются более эффективными, так как обеспечивают бо́льшую производительность за счет прямого взаимодействия с физическим оборудованием.
После рассмотрения необходимого теоретического минимума, поговорим о практической части использования kvm. Операционная система Linux, начиная с версии 2.6.20, уже содержит в своем ядре необходимый код для запуска виртуализации. Это позволяет существенно упростить использование сервиса — пользователю нет необходимости анализировать системные требования и проводить дополнительные манипуляции по загрузке и установке базового ПО.
KVM превращает аппаратное оборудование с установленной ОС Linux в гипервизор первого типа, который работает непосредственно с “железом”. Тем не менее, для корректной работы все же требуются некоторые компоненты операционной системы, например, стек ввода-вывода (I/O), диспетчер памяти, драйверы устройств, планировщик задач, сетевой стек, диспетчер безопасности и др. Так как KVM является частью операционной системы, она имеет непосредственный доступ ко всем этим компонентам.
На одной машине может быть запущено различное количество виртуальных машин. Единственным ограничением является аппаратная мощность. Каждая виртуальная машина в среде сервера выглядит как отдельный процесс, который выполняется при помощи стандартного планировщика Linux. На каждый процесс выделяется необходимая мощность центрального процессора, графического адаптера, сетевой карты, жесткого диска, оперативной памяти и т.д.
QEMU/KVM с гостевыми системами NetBSD и OpenIndiana на хосте Arch Linux
Для начала работы с виртуальными машинами прежде всего необходимо установить на серверный компьютер x86 с аппаратной поддержкой виртуализации операционную систему Linux, выпущенную после 2007 года. После этого остается только загрузить на компьютер два основных модуля: 1-й — для работы с конкретными центральным процессором и 2-й— для хост-ядра. Следующий шаг — установка эмулятора и необходимых драйверов для работы с дополнительными системами и устройствами.
Стоит обратить внимание, что в некоторых дистрибутивах Linux, например Red Hat Enterprise Linux, существуют реализации KVM с дополнительными возможностями. В частности, упомянутый выше дистрибутив позволяет гостевым системам совместно использовать общие библиотеки, обмениваться ресурсами, оптимизировать производительность и т.п.
Так как KVM является частью операционной системы Linux, а Linux является частью KVM, их можно считать одной общей системой. Рассмотрим основные преимущества внедрения данного гипервизора в корпоративную информационную инфраструктуру.
Система виртуализации kvm унаследовала возможности управления памятью от ОС Linux. Соответственно, она позволяет получать неоднородный доступ к памяти. Кроме того, с целью повышения производительности ОЗУ, ее можно подкачивать и поддерживать большими томами, используя жесткий диск или SSD-накопитель. Также есть возможность совместного использования файлов на жестком диске.
Плюсы kvm заключаются и в возможности использования любого хранилища, которое программно поддерживается операционной системой. Это могут быть не только локальные диски, но и сетевые хранилища (NAS). Для улучшения хранения и взаимодействия с данными в памяти используется многопутевой ввод-вывод (I/O).
Кроме того, несколько хостов могут одновременно использовать образы виртуальных машин за счет поддержки общих файловых систем. Образы дисков способны выделять только необходимые для работы ресурсы по запросу, что препятствует избыточному использованию аппаратных мощностей.
Для изоляции виртуальных машин и повышения безопасности KVM использует виртуализацию sVirt вместе с безопасной операционной системой SELinux, которая позволяет устанавливать “границы” вокруг используемых виртуальных машин.
Технология sVirt предотвращает возможные ошибки ручной маркировки за счет обязательного контроля доступа к гостевым виртуальным машинам (MAC). Поэтому внедряя данную технологию в корпоративную информационную инфраструктуру можно быть уверенным в надежной защищенности электронных данных.
KVM поддерживает функцию динамической миграции, которая позволяет перемещать между хост-узлами работающую виртуальную машину без необходимости в ее остановке. При этом все работающее программное обеспечение остается активным, сетевые соединения не прерываются, и сама машина остается полностью функциональной в процессе перемещения на другой сервер.
Кроме того, KVM автоматически создает резервные копии собственного состояния, что позволяет восстановить данные и “снимок” виртуальной машины в любой момент времени.
Так как в модели KVM виртуальная машина на хосте представляет собой процесс операционной системы Linux, то она полностью управляется ядром ОС. Все ресурсы, выделяемые определенному процессу, полностью контролируются планировщиком Linux, что гарантирует эффективность и качество работы.
Производительность KVM напрямую зависит от производительности операционной системы Linux. Одним из главных достоинств технологии является гибкая масштабируемость, что предотвращает избыточность использования аппаратных ресурсов.
При увеличении количества запросов и гостевых машин, KVM позволяет виртуализировать наиболее требовательные рабочие нагрузки. Это делает использование технологии эффективным во многих конфигурациях облачных сервисов и локальных центрах обработки данных.
Ядро операционной системы Linux содержит в себе расширение для работы в режиме реального времени, которое позволяет программному обеспечению, развернутому на базе виртуальных машин, лучше расставлять приоритеты, что существенно снижает задержки при работе.
“Тяжелые” процессы, которые требуют большой вычислительной мощности центрального процессора, разделяются на более мелкие задачи, которые обрабатываются гораздо эффективнее за счет планирования выполнения.
Для управления виртуальными машинами не требуется дополнительного программного обеспечения. Все манипуляции можно проводить непосредственно из среды выполнения. Однако часто в крупных корпоративных сетях для управления виртуализацией используются дополнительные сторонние программы, которые позволяют взаимодействовать с базовым физическим оборудованием и виртуальными средами.
Использование дополнительного ПО позволяет улучшить процесс анализа данных, упростить администрирование используемых ресурсов и оптимизировать вычислительные операции. Например, для этих целей часто применяется приложение Red Hat Virtualization.
Графический интерфейс Red Hat Virtualization
Как и любое программное решение, технология KVM обладает своими недостатками. Однако их совсем не много, и они не представляют больших неудобств или угроз. К минусам виртуализации KVM можно отнести:
Сложность в использовании. Для настройки среды и ее администрирования могут понадобиться специальные технические знания и навыки работы с терминалом ОС Linux. Без них разобраться со всеми настройками будет затруднительно. Стоить отметить, что уже “из коробки” установлены оптимальные настройки, поэтому изменять их рекомендуется только для решения специфичных задач.
Относительная молодость проекта. По сравнению с Xen, технология KVM существует гораздо меньше по времени. С этим могут быть связаны различные проблемы с драйверами и совместимостью программного и аппаратного обеспечения.
KVM — сравнительно новая технология с открытым исходным кодом, которая позволяет сделать виртуализацию более эффективной. Несмотря на свою “молодость”, технология уже завоевала популярность среди многих провайдеров облачных вычислений и владельцев дата-центров.
