基于KVM的云桌面虛擬化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

溫　荷， 萬(wàn)　里

(1. 南京工業(yè)大學(xué)， 江蘇 南京　211816； 2. 成都東軟學(xué)院， 四川 成都　611844)

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基于KVM的云桌面虛擬化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

溫荷1,2， 萬(wàn)里2

(1. 南京工業(yè)大學(xué)， 江蘇 南京211816； 2. 成都東軟學(xué)院， 四川 成都611844)

基于KVM的云桌面虛擬化技術(shù)包括KVM的架構(gòu)分析、qemu-kvm和libvirt工具的功能模型。給出了基于KVM技術(shù)的云桌面虛擬化實(shí)驗(yàn)的環(huán)境、實(shí)現(xiàn)過(guò)程和具體方案，從云服務(wù)器部署、虛擬化軟件使用、云桌面融合等方面提出了后續(xù)研究的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及考核點(diǎn)，構(gòu)成云桌面虛擬化實(shí)驗(yàn)的完整體系。

虛擬化實(shí)驗(yàn)； 云桌面； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)；KVM

隨著互聯(lián)網(wǎng)+和大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，云計(jì)算[1-2]的概念應(yīng)運(yùn)而生。虛擬化作為云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)，將物理計(jì)算設(shè)備分離成一個(gè)或多個(gè)虛擬設(shè)備[3-4]，為應(yīng)用提供了靈活多變、可擴(kuò)展的服務(wù)平臺(tái)。本文通過(guò)介紹KVM(kernel-basedvirtualmachine，基于內(nèi)核的虛擬機(jī))虛擬化技術(shù)實(shí)驗(yàn)，不僅為云計(jì)算虛擬化實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了明確的實(shí)驗(yàn)思路及步驟，也有利于解決高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)機(jī)房軟件系統(tǒng)龐大、機(jī)器使用頻繁、設(shè)備故障及病毒入侵率高等問(wèn)題，還為實(shí)現(xiàn)多臺(tái)物理上獨(dú)立部署研發(fā)平臺(tái)提供了解決方案。

1　云桌面虛擬化

云桌面是云計(jì)算時(shí)代的典型應(yīng)用，它主要通過(guò)虛擬化應(yīng)用，將云端資源(如數(shù)據(jù)空間、管理服務(wù)等)通過(guò)桌面化的方式發(fā)布給各操作終端，真正實(shí)現(xiàn)了終端設(shè)備與桌面環(huán)境解耦合，用戶的計(jì)算任務(wù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)全部在服務(wù)器端進(jìn)行，終端只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸與桌面顯示。

相對(duì)于傳統(tǒng)桌面，云桌面有以下優(yōu)勢(shì)：

(1) 訪問(wèn)靈活——用戶幾乎可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，通過(guò)電腦、Pad、智能手機(jī)等多種終端使用屬于自己的桌面環(huán)境；

(2) 資源集中——所有數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在云平臺(tái)，避免因資源分散、硬盤(pán)損壞等造成的數(shù)據(jù)丟失；

(3) 數(shù)據(jù)安全——云端服務(wù)器通過(guò)流轉(zhuǎn)集中控制、權(quán)限集中管理、安全集中保障等方式保證用戶數(shù)據(jù)的安全性與私密性；

(4) 維護(hù)方便——所有的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)都在云平臺(tái)，可以由維護(hù)人員統(tǒng)一安裝、管理與維護(hù)，每個(gè)桌面只是一個(gè)包含了操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的鏡像文件；

(5) 成本低廉——云終端的配置要求不高，不但節(jié)省了PC終端的建設(shè)成本，而且硬件的使用壽命更長(zhǎng)(可達(dá)8年以上)、功耗更低(僅為普通電腦的1/20)。

2　KVM虛擬化技術(shù)

目前虛擬化技術(shù)的解決方案主要有Vmware公司的VSphere、VmwareWorkstation[5]，Microsoft公司的Hyper-V、VirtualPC以及Linux系統(tǒng)下的Xen和KVM。

2.1KVM架構(gòu)

KVM是一個(gè)開(kāi)源的系統(tǒng)虛擬化模塊，是基于x86架構(gòu)且硬件支持虛擬化技術(shù)的Linux全虛擬化解決方案[6]，已成為學(xué)術(shù)界的主流VMM(virtualmachinemonitor)之一。KVM由兩部分組成：一部分是KVMDriver[7]，已經(jīng)成為L(zhǎng)inux內(nèi)核的一個(gè)模塊，負(fù)責(zé)虛擬機(jī)的創(chuàng)建、虛擬機(jī)內(nèi)存的分配、虛擬CPU寄存器的讀寫(xiě)以及CPU的運(yùn)行等；另一部分是稍微修改過(guò)的QEMU[8]，用于模擬PC硬件的用戶空間組件，模擬I/O設(shè)備模型以及提供訪問(wèn)外設(shè)的途徑。

KVM虛擬環(huán)境如圖1所示。KVM是內(nèi)核模塊，被看作是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Linux字符集設(shè)備(/dev/kvm)。用戶模式的Qemu利用LibKvm應(yīng)用程序接口與KVM模塊進(jìn)行通信，并通過(guò)ioctl系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核模式。運(yùn)行在內(nèi)核模式中的KVMDriver會(huì)為虛擬機(jī)創(chuàng)建虛擬內(nèi)存和虛擬CPU，然后進(jìn)入客戶機(jī)模式，同時(shí)裝載GuestOS執(zhí)行具體客戶機(jī)操作。

圖1　KVM虛擬環(huán)境

Xen因起步早，被眾多高校選為云計(jì)算相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)。但由于Xen逐漸走向商業(yè)化模式，Redhat從RHEL6.0開(kāi)始已經(jīng)從內(nèi)核中將Xen移除，全心投入開(kāi)發(fā)免費(fèi)的KVM。KVM結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，在可用資源、可管理性、可擴(kuò)展性等方面均優(yōu)于Xen[9-10]，將會(huì)超越Xen而擁有更大的開(kāi)源虛擬化市場(chǎng)。因此，本實(shí)驗(yàn)選用KVM技術(shù)構(gòu)建云桌面虛擬化實(shí)驗(yàn)。

2.2qemu-kvm和libvirt

KVM僅僅是Linux內(nèi)核的一個(gè)模塊，管理和創(chuàng)建完整的KVM虛擬機(jī)需要一個(gè)用戶空間的工具。KVM使用了QEMU的基于x86的部分，并稍加改造，形成了可控制KVM內(nèi)核模塊的用戶空間工具qemu-kvm[11]。

盡管qemu-kvm工具可以創(chuàng)建和管理KVM虛擬機(jī)，但由于qemu工具效率不高，不易于使用，Redhat為KVM開(kāi)發(fā)了更多的輔助工具。本實(shí)驗(yàn)選用的是libvirt。

libvirt[12]是目前使用最為廣泛的對(duì)KVM虛擬機(jī)進(jìn)行管理的工具和應(yīng)用程序接口(API)。它是一個(gè)免費(fèi)的開(kāi)源軟件，不僅提供了對(duì)虛擬化客戶機(jī)的管理，也提供了對(duì)虛擬化網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)的管理。通過(guò)libvirt管理KVM虛擬機(jī)的流程如圖2所示。

圖2　libvirt管理KVM虛擬機(jī)示意圖

libvirt的管理功能主要包括域的管理、遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的管理、存儲(chǔ)管理以及網(wǎng)絡(luò)管理，它對(duì)qemu-kvm的支持是非常成熟和穩(wěn)定的。可以通過(guò)使用virsh命令來(lái)使用libvirt的全部功能，但如果用戶不擅于用命令行操作，可以安裝virt-manager，它是一套用python編寫(xiě)的虛擬機(jī)管理圖形界面，用戶可以通過(guò)它直觀地操作不同的虛擬機(jī)。

3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)KVM技術(shù)完成云桌面的虛擬化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的主要目的是使學(xué)生對(duì)虛擬化的概念、KVM的技術(shù)架構(gòu)有較深的理解，同時(shí)熟悉虛擬化平臺(tái)的搭建流程，為云計(jì)算方向的課程研究、項(xiàng)目實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為1臺(tái)虛擬桌面服務(wù)器和1臺(tái)終端顯示PC機(jī)。服務(wù)器配置2顆Intel志強(qiáng)5620四核CPU2.4GHz；內(nèi)存64GB，1333MHz，操作系統(tǒng)選用Ubuntu14.04。要求服務(wù)器上運(yùn)行qemu-kvm軟件以支持服務(wù)器虛擬化功能，并安裝libvirt軟件響應(yīng)遠(yuǎn)程桌面的管理需求。

3.1安裝操作系統(tǒng)及環(huán)境準(zhǔn)備

Linux系統(tǒng)安裝完成后，首先需要通過(guò)命令#modprobekvm啟用KVM模塊，然后通過(guò)kvm:～ #uname-a命令找到已安裝的Linux內(nèi)核，完成kvm和kvm-kmp-default包的安裝。KVM安裝通常包含2個(gè)組件：一個(gè)用于管理虛擬化硬件的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；一個(gè)用于模擬PC硬件的用戶空間組件以及I/O模型。

接著需要查看系統(tǒng)是否支持硬件虛擬化。對(duì)于IntelCPU，輸入命令：

grep″vmx″ /proc/cpuinfo

對(duì)于AMDCPU，輸入命令：

grep″svm″ /proc/cpuinfo

3.2KVM組件安裝

安裝qemu-kvm的命令為：

apt-getinstallqimu-kvm

安裝libvirt的命令為：

apt-getinstalllibvirt-bin

安裝virt-install的命令是一個(gè)基于libvirt的命令，其設(shè)計(jì)宗旨是幫助從命令行創(chuàng)建虛擬機(jī)，命令為：

apt-getinstallvirtinst

3.3創(chuàng)建虛擬服務(wù)器

(1) 創(chuàng)建原始磁盤(pán)映像。通過(guò)qemu-img創(chuàng)建一個(gè)8GB的映像文件：

qemu-imgcreate-fqow2Ubuntu1204.img8G

(2) 在該映像上安裝操作系統(tǒng)。要將操作系統(tǒng)安裝在該映像上，使用以下命令：

qemu-system-x86_64 -enable-kvm-nameubuntutest-m2048 -hdaubuntutest.img-cdromubuntu-14.04-server-amd64.iso-bootd-vnc:19

(3) 啟動(dòng)虛擬服務(wù)器。在成功安裝操作系統(tǒng)之后，可以通過(guò)以下命令啟動(dòng)虛擬服務(wù)器：

/usr/bin/qemu-kvm-hda/mnt/kvmtest.img-m1024

3.4實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程桌面虛擬化

首先需要安裝VNC，輸入命令：

yuminstalltigervnctigervnc-server

使用以下命令編輯配置文件：

vi/etc/sysconfig/vncservers

添加如下內(nèi)容作登錄桌面配置：

VNCSERVRES=″1:root″

VNCSERVERARGS[1]= ″-geometry800x600-nolistentcp-localhost″

為VNC設(shè)置密碼并啟動(dòng)VNC服務(wù)即可。

最后，需要在終端顯示PC的Linux系統(tǒng)上安裝vncviewer。輸入Linux虛擬機(jī)IP地址，進(jìn)入LinuxVNC遠(yuǎn)程桌面。

4　后續(xù)研究

完成基于KVM技術(shù)的虛擬化服務(wù)器的搭建后，即可從客戶端通過(guò)云桌面進(jìn)行訪問(wèn)，從多個(gè)角度對(duì)云計(jì)算的各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行深入研究與實(shí)踐。云計(jì)算實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1　云計(jì)算實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

5　結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著云計(jì)算概念的興起，云桌面這一新型辦公設(shè)備形式也逐漸進(jìn)入人們的視野。作為虛擬化技術(shù)的延伸，云桌面依賴于服務(wù)器端的計(jì)算，安全度高、管理方便。KVM技術(shù)是虛擬化技術(shù)演變過(guò)程中的最新發(fā)展，具有其他虛擬化解決方案所不及的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。筆者結(jié)合云桌面、虛擬化技術(shù)，得到以下成果：

(1) 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于KVM的虛擬化平臺(tái)的搭建，并通過(guò)客戶端的云桌面成功訪問(wèn)；

(2) 提出了從多個(gè)角度對(duì)云桌面虛擬化實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究的思路。

References)

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DesignofclouddesktopvirtualizationExperimentbasedonKVM

WenHe1,2,WanLi2

(1.NanjingTechUniversity,Nanjing211816,China;2.ChengduNeusoftUniversity,Chengdu611844,China)

Onthebasisoftheresearchofclouddesktopandvirtualization,KVMvirtualizationtechnologyisintroduced,includingKVM'sframeworkanalysis,qemu-kvmandlibvirttools.AdetailedplanoftheclouddesktopvirtualizationexperimentbasedonKVMtechnologyisgiven,includingthepurpose,environment,andprocessoftheexperiment.Finally,thisarticleputsforwardtheexperimentalcontentandassessmentpointsfromthecloudserverdeployment,theuseofvirtualizationsoftware,clouddesktopintegrationandotheraspects,whichformacompletesystemofclouddesktopvirtualizationexperiments.

virtualizationexperiment；clouddesktop；experimentalteaching；KVM

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.034

2015- 10- 20

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51208251)；江蘇省高校自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(15KJA560001)

溫荷(1982—)，女，四川成都，碩士，副教授，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系副主任，主要研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)軟件技術(shù).

TP391.9

A

1002-4956(2016)5- 0132- 03