Kernel-based Virtual Machine

Kernel und Userspace

Auf x86-Systemen besteht KVM aus dem gemeinsamen Kernelmodul kvm.ko und einer prozessorspezifischen Komponente: kvm-intel.ko für Intel VT-x beziehungsweise kvm-amd.ko für AMD-V.^[1] Die Schnittstelle zum Userspace ist über die Gerätedatei /dev/kvm zugänglich. Mit ioctl-Aufrufen kann ein Programm eine virtuelle Maschine und deren virtuelle Prozessoren anlegen, Speicherbereiche zuordnen und Gastcode ausführen. Die Schnittstelle unterscheidet Operationen für das gesamte Subsystem, einzelne virtuelle Maschinen, virtuelle Prozessoren und Geräte.^[12]

Virtuelle Maschinen werden auf dem Host durch Linux-Prozesse und ihre Ausführungseinheiten repräsentiert. Für die Zuteilung von Rechenzeit verwendet KVM den Linux-Scheduler. Auch Speicherverwaltung und weitere Betriebssystemfunktionen des Hosts werden für die Virtualisierung genutzt.^[13] Abhängig von Architektur und Konfiguration stellt KVM außerdem Gerätemodelle im Kernel bereit, etwa für Interrupt-Controller.^[12]

QEMU ergänzt diese Infrastruktur um virtuelle Rechnerplattformen, Speichergeräte, Netzwerkschnittstellen und weitere Peripherie. Es kann Geräte emulieren, paravirtualisierte Geräte bereitstellen oder geeignete physische Geräte an einen Gast durchreichen. KVM ist einer von mehreren Beschleunigern, die QEMU unterstützt. Mit dem Tiny Code Generator (TCG) kann QEMU Prozessoren auch vollständig in Software emulieren.^[2] QEMU ergänzt diese Infrastruktur um virtuelle Rechnerplattformen und Geräte. KVM ist einer von mehreren Beschleunigern, die QEMU unterstützt. Mit dem Tiny Code Generator (TCG) kann QEMU Prozessoren auch vollständig in Software emulieren.^[2]

Prozessor- und Speichervirtualisierung

Bei hardwaregestützter Virtualisierung läuft Gastcode unmittelbar auf dem Prozessor des Hosts. KVM setzt daher eine zum Host kompatible Gastarchitektur voraus; die Emulation einer fremden Prozessorarchitektur ist eine andere Betriebsart, die QEMU beispielsweise mit TCG bereitstellt.^[14][15]

Zur Speichervirtualisierung bildet KVM die aus Sicht des Gasts physischen Speicheradressen auf den Speicher des Hosts ab. Auf x86 unterstützt es dafür unter anderem Intels Extended Page Tables (EPT) und AMDs Nested Page Tables (NPT). Der KVM-Code zur Speicherverwaltung arbeitet mit der Linux-Speicherverwaltung zusammen, sodass beispielsweise große Speicherseiten und das Verschieben von Speicherseiten unterstützt werden. Das Erfassen veränderter Speicherseiten ermöglicht die Übertragung des Gastzustands bei einer Live-Migration.^[16]

Paravirtualisierte Ein- und Ausgabe

Für die Ein- und Ausgabe kommen häufig Virtio-Geräte zum Einsatz. Virtio ist ein offener Standard für die Kommunikation zwischen Gerät und Treiber. Bei virtualisierten Geräten arbeitet ein Treiber im Gast mit einer Geräteimplementierung auf dem Host zusammen. Der Datenaustausch erfolgt wesentlich über gemeinsame Speicherbereiche und Warteschlangen, die Virtqueues. Dadurch muss nicht das Verhalten eines bestimmten physischen Geräts vollständig nachgebildet werden.^[17]

QEMU stellt zahlreiche Virtio-Geräte bereit. Teile der Geräteverarbeitung können auch außerhalb des QEMU-Prozesses ausgeführt werden; für Virtio-Geräte dient hierzu unter anderem die Schnittstelle vhost-user.^[2] Diese Paravirtualisierung der Ein- und Ausgabe lässt sich mit der hardwaregestützten Virtualisierung der Prozessoren kombinieren.

Durchreichen physischer Geräte

Physische Geräte können einer virtuellen Maschine direkt zugewiesen werden, etwa um deren native Gerätetreiber zu nutzen oder den Aufwand der Geräteemulation zu vermeiden. Unter Linux stellt dafür insbesondere VFIO eine Schnittstelle bereit. Eine IOMMU begrenzt die Speicherbereiche, auf die ein zugewiesenes Gerät zugreifen darf. Welche Geräte sich getrennt zuweisen lassen, hängt unter anderem von der Isolation durch die Hardware und der Zuordnung zu IOMMU-Gruppen ab.^[18]

Live-Migration und Zustandsverwaltung

In Verbindung mit QEMU und geeigneten Verwaltungswerkzeugen lassen sich laufende virtuelle Maschinen zwischen Hosts verschieben. Bei einer Live-Migration wird ein großer Teil des Zustands übertragen, während der Gast weiterläuft. Für die Übergabe des restlichen Zustands wird seine Ausführung kurz angehalten. Die dafür benötigte Zeit hängt von der Konfiguration und der zu übertragenden Datenmenge ab. QEMU stellt auch Funktionen zum Speichern und Wiederherstellen eines Gastzustands bereit; dabei müssen die virtuellen Geräte auf Quell- und Zielseite kompatibel sein.^[19] In Verbindung mit QEMU und geeigneten Verwaltungswerkzeugen lassen sich laufende virtuelle Maschinen zwischen Hosts verschieben. Bei einer Live-Migration nach dem Precopy-Verfahren wird ein großer Teil des Zustands übertragen, während der Gast weiterläuft. Für die Übergabe des restlichen Zustands wird seine Ausführung kurz angehalten. Die dafür benötigte Zeit hängt von der Konfiguration und der zu übertragenden Datenmenge ab. QEMU stellt auch Funktionen zum Speichern und Wiederherstellen eines Gastzustands bereit; dabei müssen die virtuellen Geräte auf Quell- und Zielseite kompatibel sein.^[19]

Verschachtelte Virtualisierung

KVM unterstützt Nested Virtualization, also den Betrieb eines Hypervisors innerhalb einer virtuellen Maschine. Ein Gast kann dadurch selbst weitere Gäste ausführen. Einsatzgebiete sind beispielsweise Testumgebungen und Werkzeuge, die zum Erstellen von Systemabbildern eigene virtuelle Maschinen starten. Bei x86 ist die entsprechende KVM-Option seit Linux 4.20 für Intel- und AMD-Prozessoren standardmäßig aktiviert; Distributionen können andere Voreinstellungen wählen. Die tatsächliche Nutzbarkeit hängt außerdem von der Hardware und den dem Gast bereitgestellten Prozessorfunktionen ab.^[20]

Virtual Machine Monitors

Neben QEMU verwenden mehrere eigenständige Virtual Machine Monitors (VMMs) die KVM-Schnittstelle. Sie unterscheiden sich insbesondere darin, welche virtuellen Geräte, Gastsysteme und Verwaltungsfunktionen sie bereitstellen:

• Firecracker ist auf MicroVMs für Serverless Computing und Containeranwendungen ausgerichtet. Sein Gerätemodell ist auf wenige Komponenten beschränkt. Das Projekt wurde bei Amazon Web Services unter anderem für AWS Lambda und AWS Fargate entwickelt.^[3][21]
• Cloud Hypervisor ist ein in Rust entwickelter VMM mit Schwerpunkt auf Cloud-Arbeitslasten und paravirtualisierten Geräten. Er unterstützt neben KVM auch den Microsoft Hypervisor über MSHV.^[22]
• crosvm nutzt die KVM-Schnittstelle unter anderem im Android Virtualization Framework. Der ebenfalls in Rust geschriebene VMM verwendet Sandbox-Verfahren zur Begrenzung der Rechte seiner Geräteimplementierungen.^[23]
• kvmtool ist ein schlankes Werkzeug zum Ausführen von KVM-Gästen und dient auch als überschaubare Referenzimplementierung.^[15]
• kvmtool ist ein schlankes Werkzeug zum Ausführen von KVM-Gästen.^[15]

Verwaltungswerkzeuge und Plattformen

libvirt bietet eine Programmierschnittstelle und Dienste zur Verwaltung verschiedener Virtualisierungstechniken. Sein QEMU-Treiber unterstützt den Betrieb von QEMU mit KVM.^[24] Darauf bauen unter anderem das Kommandozeilenprogramm virsh, die Desktopoberfläche virt-manager und die Weboberfläche Cockpit Machines auf.^[25][26][27]

Proxmox VE verbindet die Verwaltung von KVM-basierten virtuellen Maschinen und LXC-Containern in einer Plattform mit Weboberfläche. Sie umfasst außerdem Funktionen für Cluster, Speicher, Netzwerke und Hochverfügbarkeit.^[28] Im Compute-Dienst Nova von OpenStack ist KVM als Standardhypervisor vorgesehen; die Anbindung erfolgt über den libvirt-Treiber.^[29]

KubeVirt ergänzt Kubernetes um die Verwaltung virtueller Maschinen. Es integriert deren Bereitstellung und Lebenszyklus in die Kubernetes-Schnittstellen und ermöglicht den gemeinsamen Betrieb virtueller Maschinen und containerisierter Anwendungen. Für die Virtualisierung wird dabei KVM verwendet.^[30]