Общие принципы работы QEMU-KVM

Мое текущее понимание:

1) KVM

KVM (Kernel-based Virtual Machine) – гипервизор (VMM – Virtual Machine Manager), работающий в виде модуля на ОС Linux. Гипервизор нужен для того, чтобы запускать некий софт в несуществующей (виртуальной) среде и при этом, скрывать от этого софта реальное физическое железо, на котором этот софт работает. Гипервизор работает в роли «прокладки» между физическим железом (хостом) и виртуальной ОС (гостем).

Поскольку KVM является стандартным модулем ядра Linux, он получает от ядра все положенные ништяки (работа с памятью, планировщик и пр.). А соответственно, в конечном итоге, все эти преимущества достаются и гостям (т.к. гости работают на гипервизоре, которые работает на/в ядре ОС Linux).

KVM очень быстрый, но его самого по себе недостаточно для запуска виртуальной ОС, т.к. для этого нужна эмуляция I/O. Для I/O (процессор, диски, сеть, видео, PCI, USB, серийные порты и т.д.) KVM использует QEMU.

2) QEMU

QEMU (Quick Emulator) – эмулятор различных устройств, который позволяет запускать операционные системы, предназначенные под одну архитектуру, на другой (например, ARM –> x86). Кроме процессора, QEMU эмулирует различные переферийные устройства: сетевые карты, HDD, видео карты, PCI, USB и пр.

Работает это так:
Инструкции/бинарный код (например, ARM) конвертируются в промежуточный платформонезависимый код при помощи конвертера TCG (Tiny Code Generator) и затем этот платформонезависимый бинарный код конвертируется уже в целевые инструкции/код (например, x86).

ARM –> промежуточный_код –> x86

По сути, вы можете запускать виртуальные машины на QEMU на любом хосте, даже со старыми моделями процессоров, не поддерживающими Intel VT-x (Intel Virtualization Technology) / AMD SVM (AMD Secure Virtual Machine). Однако в таком случае, это будет работать весьма медленно, в связи с тем, что исполняемый бинарный код нужно перекомпилировать на лету два раза, при помощи TCG (TCG – это Just-in-Time compiler).

Т.е. сам по себе QEMU мега крутой, но работает очень медленно.

3) Protection rings

Бинарный программный код на процессорах работает не просто так, а располагается на разных уровнях (кольцах / Protection rings) с разными уровнями доступа к данным, от самого привилегированного (Ring 0), до самого ограниченного, зарегулированного и «с закрученными гайками» (Ring 3).

Операционная система (ядро ОС) работает на Ring 0 (kernel mode) и может делать с любыми данными и устройствами все, что угодно. Пользовательские приложения работают на уровне Ring 3 (user mode) и не в праве делать все, что захотят, а вместо этого каждый раз должны запрашивать доступ на проведение той или иной операции (таким образом, пользовательские приложения имеют доступ только к собственным данным и не могут «влезть» в «чужую песочницу»). Ring 1 и 2 предназначены для использования драйверами.

До изобретения Intel VT-x / AMD SVM, гипервизоры работали на Ring 0, а гости работали на Ring 1. Поскольку у Ring 1 недостаточно прав для нормального функционирования ОС, то при каждом привилегированном вызове от гостевой системе, гипервизору приходилось налету модифицировать этот вызов и выполнять его на Ring 0 (примерно так, как это делает QEMU). Т.е. гостевой бинарный код НЕ выполнялся напрямую на процессоре, а каждый раз налету проходил несколько промежуточных модификаций.

Накладные расходы были существенными и это было большой проблемой и тогда производители процессоров, независимо друг от друга, выпустили расширенный набор инструкций (Intel VT-x / AMD SVM), позволяющих выполнять код гостевых ОС НАПРЯМУЮ на процессоре хоста (минуя всякие затратные промежуточные этапы, как это было раньше).

С появлением Intel VT-x / AMD SVM, был создан специальный новый уровень Ring -1 (минус один). И теперь на нем работает гипервизор, а гости работают на Ring 0 и получают привилегированный доступ к CPU.

Т.е. в итоге:

• хост работает на Ring 0
• гости работают на Ring 0
• гипервизор работает на Ring -1

4) QEMU-KVM

KVM предоставляет доступ гостям к Ring 0 и использует QEMU для эмуляции I/O (процессор, диски, сеть, видео, PCI, USB, серийные порты и т.д., которые «видят» и с которыми работают гости).

Отсюда QEMU-KVM (или KVM-QEMU) :)

CREDITS
Картинка для привлечения внимания: https://www.ionos.com ^[1]
Картинка Protection rings: https://www.researchgate.net/profile/Roberto_Pietro ^[2]

PS
Текст этой статьи изначально был опубликован в Telegram канале @RU_Voip ^[3] в качестве ответа на вопрос одного из участников канала.

Спасибо!

Автор: vladislav_starkov

Источник ^[4]