QEMU/KVM 虚拟化环境的搭建与使用

QEMU/KVM 有一定的使用门槛,本文假设你已经拥有基础的虚拟化相关知识,最好是已经有 virtualbox 或 vmware workstation 的使用经验。

虚拟机(Virtual Machine)是指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。它的主要用途有:

  1. 测试、尝鲜新的操作系统。
  2. 快速创建完全隔离的沙箱环境,用于运行某些不安全的或者敏感的文件/程序。
  3. 云服务商或企业会通过服务器虚拟化,提升服务器的利用率。
  4. 虚拟机可以创建快照跟备份,系统环境可以随时还原到旧的快照,也能方便地拷贝给他人。

而 QEMU/KVM 则是目前最流行的企业级虚拟化技术,它基于 Linux 内核提供的 KVM 模块,结构精简,性能损失小,而且开源免费,因此成了大部分企业的首选虚拟化方案。

目前各大云厂商的虚拟化方案,新的服务器实例基本都是用的 KVM 技术。即使是起步最早,一直重度使用 Xen 的 AWS,从 EC2 C5 开始就改用了基于 KVM 定制的 Nitro 虚拟化技术。

但是 KVM 作为一个企业级的底层虚拟化技术,却没有对桌面使用做深入的优化,因此如果想把它当成桌面虚拟化软件来使用,替代掉 VirtualBox/VMware Workstation,有一定难度。

本文是我个人学习 KVM 的一个总结性文档,其目标是使用 KVM 作为桌面虚拟化软件。

QEMU/KVM 环境需要安装很多的组件,它们各司其职:

  1. qemu: 模拟各类输入输出设备(网卡、磁盘、USB端口等)
    • qemu 底层使用 kvm 模拟 CPU 和 RAM,比软件模拟的方式快很多。
  2. libvirt: 提供简单且统一的工具和 API,用于管理虚拟机,屏蔽了底层的复杂结构。(支持 qemu-kvm/virtualbox/vmware)
  3. ovmf: 为虚拟机启用 UEFI 支持
  4. virt-manager: 用于管理虚拟机的 GUI 界面(可以管理远程 kvm 主机)。
  5. virt-viewer: 通过 GUI 界面直接与虚拟机交互(可以管理远程 kvm 主机)。
  6. dnsmasq vde2 bridge-utils openbsd-netcat: 网络相关组件,提供了以太网虚拟化、网络桥接、NAT网络等虚拟网络功能。
    • dnsmasq 提供了 NAT 虚拟网络的 DHCP 及 DNS 解析功能。
    • vde2: 以太网虚拟化
    • bridge-utils: 顾名思义,提供网络桥接相关的工具。
    • openbsd-netcat: TCP/IP 的瑞士军刀,详见 socat & netcat,这里不清楚是哪个网络组件会用到它。

安装命令:

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# archlinux/manjaro
sudo pacman -S qemu virt-manager virt-viewer dnsmasq vde2 bridge-utils openbsd-netcat

# ubuntu,参考了官方文档,但未测试
sudo apt install qemu-kvm libvirt-daemon-system virt-manager virt-viewer virtinst bridge-utils

# centos,参考了官方文档,但未测试
sudo yum groupinstall "Virtualization Host"
sudo yum install virt-manager virt-viewer virt-install

# opensuse
# see: https://doc.opensuse.org/documentation/leap/virtualization/html/book-virt/cha-vt-installation.html
sudo yast2 virtualization
# enter to terminal ui, select kvm + kvm tools, and then install it.

安装完成后,还不能直接使用,需要做些额外的工作。请继续往下走。

libguestfs 是一个虚拟机磁盘映像处理工具,可用于直接修改/查看/虚拟机映像、转换映像格式等。

它提供的命令列表如下:

  1. virt-df centos.img: 查看硬盘使用情况
  2. virt-ls centos.img /: 列出目录文件
  3. virt-copy-out -d domain /etc/passwd /tmp:在虚拟映像中执行文件复制
  4. virt-list-filesystems /file/xx.img:查看文件系统信息
  5. virt-list-partitions /file/xx.img:查看分区信息
  6. guestmount -a /file/xx.qcow2(raw/qcow2都支持) -m /dev/VolGroup/lv_root --rw /mnt:直接将分区挂载到宿主机
  7. guestfish: 交互式 shell,可运行上述所有命令。
  8. virt-v2v: 将其他格式的虚拟机(比如 ova) 转换成 kvm 虚拟机。
  9. virt-p2v: 将一台物理机转换成虚拟机。

学习过程中可能会使用到上述命令,提前安装好总不会有错,安装命令如下:

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# opensuse
sudo zypper install libguestfs

# archlinux/manjaro,目前缺少 virt-v2v/virt-p2v 组件
sudo pacman -S libguestfs

# ubuntu
sudo apt install libguestfs-tools

# centos
sudo yum install libguestfs-tools

通过 systemd 启动 libvirtd 后台服务:

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sudo systemctl enable libvirtd.service
sudo systemctl start libvirtd.service

qumu/kvm 装好后,默认情况下需要 root 权限才能正常使用它。 为了方便使用,首先编辑文件 /etc/libvirt/libvirtd.conf:

  1. unix_sock_group = "libvirt",取消这一行的注释,使 libvirt 用户组能使用 unix 套接字。
  2. unix_sock_rw_perms = "0770",取消这一行的注释,使用户能读写 unix 套接字。

然后新建 libvirt 用户组,将当前用户加入该组:

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newgrp libvirt
sudo usermod -aG libvirt $USER

最后重启 libvirtd 服务,应该就能正常使用了:

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sudo systemctl restart libvirtd.service

如果你需要在虚拟机中运行虚拟机(比如在虚拟机里测试 katacontainers 等安全容器技术),那就需要启用内核模块 kvm_intel 实现嵌套虚拟化。

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# 临时启用 kvm_intel 嵌套虚拟化
sudo modprobe -r kvm_intel
sudo modprobe kvm_intel nested=1
# 修改配置,永久启用嵌套虚拟化
echo "options kvm-intel nested=1" | sudo tee /etc/modprobe.d/kvm-intel.conf

验证嵌套虚拟化已经启用:

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$ cat /sys/module/kvm_intel/parameters/nested 
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至此,KVM 的安装就大功告成啦,现在应该可以在系统中找到 virt-manager 的图标,进去就可以使用了。 virt-manager 的使用方法和 virtualbox/vmware workstation 大同小异,这里就不详细介绍了,自己摸索摸索应该就会了。


如下内容是进阶篇,主要介绍如何通过命令行来管理虚拟机磁盘,以及 KVM。 如果你还是 kvm 新手,建议先通过图形界面 virt-manager 熟悉熟悉,再往下继续读。

这需要用到两个工具:

  1. libguestfs: 虚拟机磁盘映像管理工具,前面介绍过了
  2. qemu-img: qemu 的磁盘映像管理工具,用于创建磁盘、扩缩容磁盘、生成磁盘快照、查看磁盘信息、转换磁盘格式等等。
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# 创建磁盘
qemu-img create -f qcow2 -o cluster_size=128K virt_disk.qcow2 20G

# 扩容磁盘
qemu-img resize ubuntu-server-cloudimg-amd64.img 30G

# 查看磁盘信息
qemu-img info ubuntu-server-cloudimg-amd64.img

# 转换磁盘格式
qemu-img convert -f raw -O qcow2 vm01.img vm01.qcow2  # raw => qcow2
qemu-img convert -f qcow2 -O raw vm01.qcow2 vm01.img  # qcow2 => raw

直接从 vmware ova 文件导入 kvm,这种方式转换得到的镜像应该能直接用(网卡需要重新配置):

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virt-v2v -i ova centos7-test01.ova -o local -os /vmhost/centos7-01  -of qcow2

也可以先从 ova 中解压出 vmdk 磁盘映像,将 vmware 的 vmdk 文件转换成 qcow2 格式,然后再导入 kvm(网卡需要重新配置):

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# 转换映像格式
qemu-img convert -p -f vmdk -O qcow2 centos7-test01-disk1.vmdk centos7-test01.qcow2
# 查看转换后的映像信息
qemu-img info centos7-test01.qcow2

直接转换 vmdk 文件得到的 qcow2 镜像,启会报错,比如「磁盘无法挂载」。 根据 Importing Virtual Machines and disk images - ProxmoxVE Docs 文档所言,需要在网上下载安装 MergeIDE.zip 组件, 另外启动虚拟机前,需要将硬盘类型改为 IDE,才能解决这个问题。

img 镜像文件,就是所谓的 raw 格式镜像,也被称为裸镜像,IO 速度比 qcow2 快,但是体积大,而且不支持快照等高级特性。 如果不追求 IO 性能的话,建议将它转换成 qcow2 再使用。

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qemu-img convert -f raw -O qcow2 vm01.img vm01.qcow2

虚拟机管理可以使用命令行工具 virsh/virt-install,也可以使用 GUI 工具 virt-manager.

GUI 很傻瓜式,就不介绍了,这里主要介绍命令行工具 virsh/virt-install

先介绍下 libvirt 中的几个概念:

  1. Domain: 指代运行在虚拟机器上的操作系统的实例 - 一个虚拟机,或者用于启动虚拟机的配置。
  2. Guest OS: 运行在 domain 中的虚拟操作系统。

大部分情况下,你都可以把下面命令中涉及到的 domain 理解成虚拟机。

virsh/virt-install/virt-viewer 等一系列 libvirt 命令,sudo virsh net-list –all 默认情况下会使用 qemu:///session 作为 URI 去连接 QEMU/KVM,只有 root 账号才会默认使用 qemu:///system.

另一方面 virt-manager 这个 GUI 工具,默认也会使用 qemu:///system 去连接 QEMU/KVM(和 root 账号一致)

qemu:///system 是系统全局的 qemu 环境,而 qemu:///session 的环境是按用户隔离的。 另外 qemu:///session 没有默认的 network,创建虚拟机时会出毛病。。。

因此,你需要将默认的 URI 改为 qemu:///system,否则绝对会被坑:

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echo 'export LIBVIRT_DEFAULT_URI="qemu:///system"' >> ~/.bashrc

qemu-kvm 安装完成后,qemu:///system 环境中默认会创建一个 default 网络,而 qemu:///session 不提供默认的网络,需要手动创建。

我们通常使用 qemu:///system 环境就好,可以使用如下方法查看并启动 default 网络,这样后面创建虚拟机时才有网络可用。

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# 列出所有虚拟机网络
$ sudo virsh net-list --all
 Name      State      Autostart   Persistent
----------------------------------------------
 default   inactive   no          yes

# 启动默认网络
$ virsh net-start default
Network default started

# 将 default 网络设为自启动
$ virsh net-autostart --network default
Network default marked as autostarted

# 再次检查网络状况,已经是 active 了
$ sudo virsh net-list --all
 Name      State    Autostart   Persistent
--------------------------------------------
 default   active   yes         yes

也可以创建新的虚拟机网络,这需要手动编写网络的 xml 配置,然后通过 virsh net-define --file my-network.xml 创建,这里就不详细介绍了,因为暂时用不到…

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# 使用 iso 镜像创建全新的 proxmox 虚拟机,自动创建一个 60G 的磁盘。
virt-install --virt-type kvm \
--name pve-1 \
--vcpus 4 --memory 8096 \
--disk size=60 \
--network network=default,model=virtio \
--os-type linux \
--os-variant generic \
--graphics vnc \
--cdrom proxmox-ve_6.3-1.iso

# 使用已存在的 opensuse cloud 磁盘创建虚拟机
virt-install --virt-type kvm \
  --name opensuse15-2 \
  --vcpus 2 --memory 2048 \
  --disk opensuse15.2-openstack.qcow2,device=disk,bus=virtio \
  --disk seed.iso,device=cdrom \
  --os-type linux \
  --os-variant opensuse15.2 \
  --network network=default,model=virtio \
  --graphics vnc \
  --import

其中的 --os-variant 用于设定 OS 相关的优化配置,官方文档强烈推荐设定,其可选参数可以通过 osinfo-query os 查看。

虚拟机创建好后,可使用 virsh 管理虚拟机。

首先介绍万能的帮助命令:

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virsh help

除了官方的 help 之外,我也总结了下 virsh 的常用命令,如下。

查看虚拟机列表:

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# 查看正在运行的虚拟机
virsh list

# 查看所有虚拟机,包括 inactive 的虚拟机
virsh list --all

使用 virt-viewer 以 vnc 协议登入虚拟机终端:

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# 使用虚拟机 ID 连接
virt-viewer 8
# 使用虚拟机名称连接,并且等待虚拟机启动
virt-viewer --wait opensuse15

启动、关闭、暂停(休眠)、重启虚拟机:

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virsh start opensuse15
virsh suspend opensuse15
virsh resume opensuse15
virsh reboot opensuse15
# 优雅关机
virsh shutdown opensuse15
# 强制关机
virsh destroy opensuse15

# 启用自动开机
virsh autostart opensuse15
# 禁用自动开机
virsh autostart --disable opensuse15

虚拟机快照管理:

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# 列出一个虚拟机的所有快照
virsh snapshot-list --domain opensuse15
# 给某个虚拟机生成一个新快照
virsh snapshot-create <domain>
# 使用快照将虚拟机还原
virsh snapshot-restore <domain> <snapshotname>
# 删除快照
virsh snapshot-delete <domain> <snapshotname>

删除虚拟机:

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virsh undefine opensuse15

迁移虚拟机:

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# 使用默认参数进行离线迁移,将已关机的服务器迁移到另一个 qemu 实例
virsh migrate 37 qemu+ssh://tux@jupiter.example.com/system
# 还支持在线实时迁移,待续

cpu/内存修改:

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# 改成 4 核
virsh setvcpus opensuse15 4
# 改成 4G
virsh setmem opensuse15 4096

虚拟机监控:

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# 待续

修改磁盘、网络及其他设备:

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# 添加新设备
virsh attach-device
virsh attach-disk
virsh attach-interface
# 删除设备
virsh detach-disk
virsh detach-device
virsh detach-interface

在本机的 KVM 环境中,也可以使用 cloud-init 来初始化虚拟机。 好处是创建虚拟机的时候,就能设置好虚拟机的 hostname/network/user-pass/disk-size 等一系列参数,不需要每次启动后再手动登录到机器中配置。

注意:下面的几种镜像都分别有自己的坑点,仅 Ubuntu/OpenSUSE 测试通过,其他发行版的 Cloud 镜像都有各种毛病…

首先下载 Cloud 版本的系统镜像:

  1. Ubuntu Cloud Images (RELEASED): 提供 img 格式的裸镜像(PVE 也支持此格式)
    • 请下载带有 .img 结尾的镜像,其中 kvm.img 结尾的镜像会更精简一点。
  2. OpenSUSE Cloud Images
    • 请下载带有 NoCloud 或者 OpenStack 字样的镜像。
  3. 对于其他镜像,可以考虑手动通过 iso 来制作一个 cloudinit 镜像,参考 openstack - create ubuntu cloud images from iso

上述镜像和我们普通虚拟机使用的 ISO 镜像的区别,一是镜像格式不同,二是都自带了 cloud-init/qemu-guest-agent/cloud-utils-growpart 等 cloud 相关软件。

其中 NoCloud 表示支持 cloudinit NoCloud 数据源——即使用 seed.iso 提供 user-data/meta-data/network-config 配置,PVE 就是使用的这种模式。 而 Openstack 镜像通常也都支持 NoCloud 模式,所以一般也是可以使用的。

cloud image 基本都没有默认密码,并且禁用了 SSH 密码登录,必须通过 cloud-init 设置私钥方式进行 ssh 登录。

这需要用到一个工具:cloud-utils

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# manjaro
sudo pacman -S cloud-utils

# ubuntu
sudo apt install cloud-utils

# opensuse,包仓库里找不到 cloud-utils,只能源码安装
git clone https://github.com/canonical/cloud-utils
git checkout 0.32
cd cloud-utils && sudo make install
# 生成 iso 文件还需要 genisoimage,请使用一键安装:https://software.opensuse.org/package/genisoimage

cloud-utils 提供 cloud-init 相关的各种实用工具, 其中有一个 cloud-localds 命令,可以通过 cloud 配置生成一个非 cloud 的 bootable 磁盘映像,供本地的虚拟机使用。

首先编写 user-data:

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#cloud-config
hostname: opensuse15-2
fqdn: opensuse15-2.local  
# 让 cloud-init 自动更新 /etc/hosts 中 localhost 相关的内容
manage_etc_hosts: localhost

package_upgrade: true

disable_root: false

# 设置 root 的 ssh 密钥
user: root
# 设置密码,仅用于控制台登录
password: xxxxx
# 使用密钥登录
ssh_authorized_keys:
  - "<ssh-key content>"
chpasswd:
  # expire 使密码用完即失效,用户每次登录都需要设置并使用密码!
  expire: false
  
# ssh 允许密码登录(不建议开启)
ssh_pwauth: false

注意 user-data 的第一行的 #cloud-config 绝对不能省略!它标识配置格式为 text/cloud-config

再编写 network-config(其格式和 ubuntu 的 netplan 基本完全一致,但是我只测通了 v1 版本,v2 版没测通):

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version: 1
config:
  - type: physical
    name: eth0
    subnets:
      - type: static
        address: 192.168.122.160
        netmask: 255.255.255.0
        gateway: 192.168.122.1
  - type: nameserver
    interface: eth0
    address:
      - 114.114.114.114
      - 8.8.8.8
    # search:  # search domain
    #   - xxx
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cloud-localds seed.iso user-data --network-config network-config

每次都手动生成 seed.iso 太麻烦了,实际使用,建议用后面介绍的自动化功能 proxmox-libvirt 或者 terraform-libvirt-provider~

这样就生成出了一个 seed.iso,创建虚拟机时同时需要载入 seed.iso 和 cloud image,cloud-image 自身为启动盘,这样就大功告成了。 示例命令如下:

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virt-install --virt-type kvm \
  --name k8s-master-0 \
  --vcpus 2 --memory 3072 \
  --disk k8s-master-0.qcow2,device=disk,bus=virtio \
  --disk ../vm-seeds/160-seed-k8s-master-0.iso,device=cdrom \
  --os-type linux \
  --os-variant opensuse15.3 \
  --network network=default,model=virtio \
  --graphics vnc \
  --import

也可以使用 virt-viewer 的 GUI 界面进行操作。

这样设置完成后,cloud 虚拟机应该就可以启动了,可以检查下 hostname、网络、root 的密码和私钥、ssh 配置是否均正常。

一切正常后,还有个问题需要解决——初始磁盘应该很小。可以直接手动扩容 img 的大小,cloud-init 在虚拟机启动时就会自动扩容分区:

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qemu-img resize ubuntu-server-cloudimg-amd64.img 30G
  • ubuntu 启动时会报错 no such device: root,但是过一会就会正常启动。
  • ubuntu 启动后很快就会进入登录界面,但是 root 密码可能还没改好,登录会报密码错误,等待一会再尝试登录就 OK 了
  • ubuntu 的默认网卡名称是 ens3,不是 eth0,注意修改 network_config 的网卡名称,否则网络配置不会生效
  • opensuse leap 15 只支持 network_config v1,对 v2 的支持有 bug,gateway4 不会生效

debian 的 cloud 镜像根本没法用,建议避免使用它。

  • debian 启动时会彻底卡住,或者直接报错 kernel panic
    • 原因是添加了 spice 图形卡,换成 vnc 就正常了
  • Debian Cloud Images 中的 nocloud 镜像不会在启动时运行 cloudinit,cloudinit 完全不生效
    • 不知道是啥坑,没解决

cloudinit 有三个参数与 hostname 相关。其中有两个,就是上面提到的 user-data 中的:

  1. hostname: 主机名称
  2. fqdn: 主机的完全限定域名,优先级比 hostname 更高

这两个参数的行为均受 preserve_hostname: true/false 这个参数的影响。

另一个是 meta-data 中,可以设置一个 local-hostname,此参数的地位好像和 user-data 中的 hostname 相同,不过可能优先级会高一些吧。 没有找到相关文档。

可以使用 pulumi/terraform 自动化创建与管理 QEMU/KVM 虚拟机,相当方便: