Ubuntu KVM 虚拟化完全指南

KVM（Kernel-based Virtual Machine）是 Linux 平台上的开源虚拟化解决方案。本指南将详细介绍在 Ubuntu 系统中安装、配置和使用 KVM 虚拟化的完整流程。

KVM 简介

什么是 KVM

KVM 是一个基于 Linux 内核的虚拟化技术：

• 类型 1 管理程序：直接运行在硬件上
• 开源免费：无需商业许可
• 高性能：接近物理机性能
• 安全隔离：虚拟机完全隔离
• 灵活管理：支持命令行和图形界面

KVM 的优势

• 接近原生性能：硬件辅助虚拟化
• 低开销：轻量级架构
• 扩展性强：支持大规模部署
• 灵活配置：可动态调整资源
• 丰富功能：快照、克隆、迁移等

应用场景

• 测试环境：多系统测试
• 开发环境：隔离开发环境
• 服务器整合：提高硬件利用率
• 云平台：IaaS 云服务基础
• 安全隔离：运行不可信应用

系统要求

硬件要求

• CPU：支持硬件虚拟化（Intel VT-x 或 AMD-V）
• 内存：至少 4GB（推荐 8GB+）
• 磁盘：足够的存储空间（根据需求）
• 网络：支持的网络接口

软件要求

• 操作系统：Ubuntu 18.04+（推荐 20.04/22.04 LTS）
• 内核：Linux 2.6.20+（默认满足）
• 权限：root 或 sudo 权限

检查硬件虚拟化支持

# 检查 CPU 是否支持虚拟化
grep -E "vmx|svm" /proc/cpuinfo

# 如果有输出说明支持，否则需要开启 BIOS 中的虚拟化选项

# 检查系统信息
lscpu | grep Virtualization

安装 KVM

步骤 1：安装必要软件包

# 更新软件包列表
sudo apt update

# 安装 KVM 核心组件
sudo apt install qemu-kvm libvirt-daemon-system libvirt-clients bridge-utils

# 安装管理工具
sudo apt install virt-manager virt-viewer

# 安装额外工具
sudo apt install cloud-image-utils genisoimage ovmf

步骤 2：添加用户到组

# 将用户添加到 libvirt 组
sudo adduser $USER libvirt

# 将用户添加到 kvm 组
sudo adduser $USER kvm

# 重新登录或使用 newgrp 使组权限生效
newgrp libvirt
newgrp kvm

步骤 3：检查服务状态

# 查看 libvirtd 服务状态
sudo systemctl status libvirtd

# 如果服务未运行，启动并设置为开机自启
sudo systemctl enable --now libvirtd

# 验证安装
virsh list --all

# 查看虚拟化支持
kvm-ok

验证安装

检查虚拟化功能

# 检查 KVM 模块
lsmod | grep kvm

# 应该看到类似输出：
# kvm_intel             282624  0
# kvm                   663552  1 kvm_intel

# 检查虚拟化接口
ip link show

# 查看桥接接口
brctl show

测试基本功能

# 列出所有虚拟机
virsh list --all

# 查看连接信息
virsh version

# 查看节点信息
virsh nodeinfo

图形化管理

使用 Virt-Manager

# 启动 Virt-Manager
virt-manager

# 或者从应用菜单启动
# Applications -> System Tools -> Virtual Machine Manager

Virt-Manager 功能

• 创建虚拟机：图形化向导
• 管理虚拟机：启动、停止、删除
• 监控资源：CPU、内存、磁盘使用
• 配置硬件：添加、修改设备
• 快照管理：创建、恢复快照

命令行管理

基础命令

# 列出运行中的虚拟机
virsh list

# 列出所有虚拟机（包括关机）
virsh list --all

# 查看虚拟机信息
virsh dominfo vm-name

# 查看虚拟机配置文件
virsh dumpxml vm-name

虚拟机生命周期管理

# 启动虚拟机
virsh start vm-name

# 关机（优雅关闭）
virsh shutdown vm-name

# 强制关机
virsh destroy vm-name

# 重启虚拟机
virsh reboot vm-name

# 暂停虚拟机
virsh suspend vm-name

# 恢复虚拟机
virsh resume vm-name

# 删除虚拟机（谨慎操作）
virsh undefine vm-name

远程管理

# 连接到远程服务器
virsh -c qemu+ssh://user@remote-host/system list

# 使用 TLS 连接
virsh -c qemu+tls://remote-host/system list

# 使用 TCP 连接（不推荐用于生产）
virsh -c qemu+tcp://remote-host/system list

创建虚拟机

方法 1：使用 virt-install 命令

# 基本安装（使用 ISO）
virt-install \
  --name ubuntu-vm \
  --memory 2048 \
  --vcpus 2 \
  --disk size=20 \
  --os-variant ubuntu20.04 \
  --cdrom /path/to/ubuntu-20.04.iso \
  --graphics vnc

# 使用网络安装
virt-install \
  --name centos-vm \
  --memory 4096 \
  --vcpus 4 \
  --disk size=50 \
  --os-variant centos7 \
  --location http://mirror.centos.org/centos/7/os/x86_64/ \
  --graphics vnc

# 使用 cloud-init 自动化安装
virt-install \
  --name cloud-vm \
  --memory 2048 \
  --vcpus 2 \
  --disk size=10 \
  --os-variant ubuntu20.04 \
  --cloud-init user-data=/path/to/user-data.yaml \
  --graphics none \
  --console pty,target_type=serial

方法 2：从现有镜像安装

# 使用预制镜像
virt-install \
  --name fedora-vm \
  --memory 2048 \
  --vcpus 2 \
  --disk /path/to/fedora.qcow2 \
  --os-variant fedora33 \
  --import \
  --graphics vnc

# 克隆现有虚拟机
virt-clone --original vm-name --name new-vm-name --auto-clone

方法 3：使用 virt-manager GUI

1. 启动 virt-manager
2. 点击"创建新虚拟机"按钮
3. 选择安装方式（ISO、网络、导入）
4. 配置虚拟机参数
5. 配置存储和网络
6. 完成安装

网络配置

网络模式

1. NAT 模式（默认）

# 虚拟机可以访问外部网络，但外部无法访问虚拟机
# 适合大多数使用场景

2. 桥接模式

# 创建桥接接口
sudo brctl addbr br0
sudo brctl addif br0 eth0

# 配置桥接（临时）
sudo ip addr del 192.168.1.100/24 dev eth0
sudo ip addr add 192.168.1.100/24 dev br0
sudo ip link set br0 up
sudo ip route add default via 192.168.1.1 dev br0

# 配置桥接（永久）
sudo cat > /etc/netplan/01-bridge.yaml << 'EOF'
network:
  version: 2
  ethernets:
    enp0s3:
      dhcp4: no
  bridges:
    br0:
      dhcp4: yes
      interfaces:
        - enp0s3
EOF

sudo netplan apply

3. 主机模式

# 虚拟机只能与主机通信
# 适合测试和隔离环境

配置虚拟机网络

# 使用 virsh 编辑网络配置
virsh net-edit default

# 示例 NAT 网络配置
<network>
  <name>default</name>
  <uuid>xxxxxxxx-xxxx-xxxx-xxxx-xxxxxxxxxxxx</uuid>
  <forward mode='nat'/>
  <bridge name='virbr0' stp='on' delay='0'/>
  <ip address='192.168.122.1' netmask='255.255.255.0'>
    <dhcp>
      <range start='192.168.122.2' end='192.168.122.254'/>
    </dhcp>
  </ip>
</network>

# 重启网络
virsh net-destroy default
virsh net-start default

存储管理

磁盘格式

格式	特点	优势	劣势
qcow2	动态分配	支持快照、压缩	性能略低
raw	原始格式	性能最好	不支持快照
vmdk	VMware 格式	兼容性好	特定环境
vdi	VirtualBox 格式	兼容性好	特定环境

创建磁盘镜像

# 创建 qcow2 格式镜像
qemu-img create -f qcow2 /var/lib/libvirt/images/vm-disk.qcow2 20G

# 创建带预分配的镜像
qemu-img create -f qcow2 -o preallocation=metadata /var/lib/libvirt/images/vm-disk.qcow2 20G

# 从现有文件创建
qemu-img create -f qcow2 -b /path/to/base.qcow2 /var/lib/libvirt/images/vm-disk.qcow2

# 调整镜像大小
qemu-img resize /var/lib/libvirt/images/vm-disk.qcow2 +10G

# 检查镜像信息
qemu-img info /var/lib/libvirt/images/vm-disk.qcow2

磁盘管理操作

# 添加磁盘到虚拟机
virsh attach-disk vm-name /path/to/disk.qcow2 vdb --cache none

# 分离磁盘
virsh detach-disk vm-name vdb

# 快照管理
virsh snapshot-create-as vm-name snapshot-name "description"
virsh snapshot-list vm-name
virsh snapshot-revert vm-name snapshot-name
virsh snapshot-delete vm-name snapshot-name

资源管理

内存管理

# 动态调整内存（需要动态内存支持）
virsh setmem vm-name 2048M

# 设置最大内存
virsh setmaxmem vm-name 4096M

# 内存ballooning驱动
# 在虚拟机中需要安装 virtio-balloon

CPU 管理

virsh setvcpus vm-name 4

# 设置CPU亲和性
virsh vcpuinfo vm-name

# 绑定CPU
virsh vcpupin vm-name 0 0
virsh vcpupin vm-name 1 1

资源限制

# 使用 cgroups 限制资源
# 编辑虚拟机配置
virsh edit vm-name

# 添加资源限制
<cgroup tunables='optional'>
  <controller cgroup='memory'>
    <limit memory='2147483648'/>  # 2GB
  </controller>
  <controller cgroup='cpu'>
    <period period='100000'/>     # 100ms
    <quota quota='50000'/>        # 50%
  </controller>
</cgroup>

高级配置

GPU 直通

# 查找GPU设备
lspci | grep VGA

# 编辑 grub 配置
sudo nano /etc/default/grub

# 添加 intel_iommu=on 或 amd_iommu=on
GRUB_CMDLINE_LINUX="intel_iommu=on"

# 更新 grub
sudo update-grub
sudo reboot

# 配置虚拟机
virsh edit vm-name

# 添加设备
<hostdev mode='subsystem' type='pci' managed='yes'>
  <source>
    <address domain='0x0000' bus='0x01' slot='0x00' function='0x0'/>
  </source>
</hostdev>

多节点集群

# 配置共享存储（NFS）
sudo apt install nfs-kernel-server
sudo mkdir -p /var/lib/libvirt/images/shared
sudo chown libvirt-qemu:kvm /var/lib/libvirt/images/shared
echo "/var/lib/libvirt/images/shared *(rw,sync,no_subtree_check)" | sudo tee -a /etc/exports
sudo exportfs -a

# 在所有节点上挂载
sudo mount -t nfs server:/var/lib/libvirt/images/shared /var/lib/libvirt/images/shared

# 配置集群网络
# 需要额外的集群管理工具如 pacemaker 或 vagrant

监控与故障排除

监控工具

# 查看虚拟机资源使用
virsh dominfo vm-name
virsh vcpuinfo vm-name

# 使用 virt-top
virt-top

# 查看日志
virsh console vm-name
journalctl -u libvirtd

常见问题

1. 虚拟机无法启动

# 检查虚拟化支持
grep -E "vmx|svm" /proc/cpuinfo

# 检查 KVM 模块
lsmod | grep kvm

# 查看错误日志
virsh start vm-name --trace
journalctl -u libvirtd -f

2. 网络连接问题

# 检查网络配置
virsh net-list
virsh net-info default

# 重启网络
virsh net-destroy default
virsh net-start default

# 检查防火墙
sudo iptables -L -n

3. 性能问题

# 检查主机资源
top
htop
free -h
df -h

# 检查虚拟化性能
virsh dominfo vm-name

# 优化建议
# 1. 分配足够内存
# 2. 使用半虚拟化驱动
# 3. 开启硬件辅助虚拟化
# 4. 使用 SSD 存储

性能优化

# 使用半虚拟化驱动
# 在虚拟机中安装 virtio 驱动
# 编辑虚拟机配置添加：
<disk type='file' device='disk'>
  <driver name='qemu' type='qcow2' cache='none' io='native'/>
  <source file='/path/to/disk.qcow2'/>
  <target dev='vda' bus='virtio'/>
</disk>

# 网络优化
<interface type='network'>
  <model type='virtio'/>
</interface>

# 启用多队列
<interface type='network'>
  <model type='virtio'/>
  <driver name='vhost' queues='4'/>
</interface>

自动化管理

使用 cloud-init

# 创建 user-data 文件
cat > user-data << 'EOF'
#cloud-config
users:
  - name: ubuntu
    groups: sudo
    shell: /bin/bash
    ssh_authorized_keys:
      - ssh-rsa AAAAB3NzaC1yc2E...
packages:
  - vim
  - curl
  - git
runcmd:
  - echo "Hello World" > /tmp/hello.txt
  - apt update
  - apt install -y nginx
EOF

# 创建 meta-data 文件
cat > meta-data << 'EOF'
instance-id: iid-local01
local-hostname: cloud-vm
EOF

# 生成 seed 镜像
cloud-localds seed.img user-data meta-data

# 使用 seed 镜像安装虚拟机
virt-install \
  --name cloud-vm \
  --memory 2048 \
  --vcpus 2 \
  --disk seed.img \
  --disk /path/to/disk.qcow2 \
  --os-variant ubuntu20.04 \
  --import \
  --graphics none

使用脚本自动化

#!/bin/bash
# create-vm.sh - 自动创建虚拟机

VM_NAME="$1"
MEMORY="$2"
VCPU="$3"
DISK_SIZE="$4"
OS_VARIANT="$5"

if [ $# -ne 5 ]; then
    echo "用法: $0 <vm-name> <memory-MB> <vcpus> <disk-size-GB> <os-variant>"
    exit 1
fi

virt-install \
  --name "$VM_NAME" \
  --memory "$MEMORY" \
  --vcpus "$VCPU" \
  --disk size="$DISK_SIZE" \
  --os-variant "$OS_VARIANT" \
  --graphics vnc \
  --console pty,target_type=serial \
  --location http://archive.ubuntu.com/ubuntu/dists/focal/main/installer-amd64/

安全最佳实践

1. 访问控制

# 限制 libvirt 访问
sudo usermod -a -G libvirt $USER
sudo usermod -a -G kvm $USER

# 配置 PAM
# 编辑 /etc/pam.d/libvirt

2. 网络隔离

# 使用私有网络
virsh net-define /dev/stdin << 'EOF'
<network>
  <name>private</name>
  <bridge name='virbr1' stp='on' delay='0'/>
  <ip address='192.168.100.1' netmask='255.255.255.0'>
    <dhcp>
      <range start='192.168.100.2' end='192.168.100.254'/>
    </dhcp>
  </ip>
</network>
EOF

virsh net-start private
virsh net-autostart private

3. 审计和日志

# 启用审计
sudo auditctl -w /etc/libvirt -p wa -k libvirt-config

# 监控虚拟机操作
virsh event --domain vm-name --loop

备份和恢复

备份虚拟机

# 导出虚拟机配置
virsh dumpxml vm-name > vm-backup.xml

# 备份磁盘镜像
cp /var/lib/libvirt/images/vm-disk.qcow2 /backup/vm-disk-backup.qcow2

# 创建快照（推荐）
virsh snapshot-create-as vm-name backup-$(date +%Y%m%d) "Backup snapshot"

恢复虚拟机

# 重新定义虚拟机
virsh define vm-backup.xml

# 恢复磁盘镜像
cp /backup/vm-disk-backup.qcow2 /var/lib/libvirt/images/

# 启动虚拟机
virsh start vm-name

迁移

在线迁移

# 前提条件：
# 1. 共享存储
# 2. 网络连通性
# 3. 相同 CPU 特性

# 迁移虚拟机
virsh migrate --live vm-name qemu+ssh://destination-host/system

# 带选项迁移
virsh migrate --live --persistent --undefinish-source vm-name qemu+ssh://destination-host/system

离线迁移

# 关闭虚拟机
virsh shutdown vm-name

# 迁移配置
virsh dumpxml vm-name > vm.xml
scp vm.xml destination:/tmp/

# 迁移磁盘
rsync -avz /var/lib/libvirt/images/vm-disk.qcow2 destination:/var/lib/libvirt/images/

# 在目标主机上重新定义
virsh define /tmp/vm.xml

# 启动虚拟机
virsh start vm-name

总结

本指南全面介绍了在 Ubuntu 系统中使用 KVM 虚拟化的各个方面：

• 基础安装：KVM 组件和工具安装
• 虚拟化管理：命令行和图形界面管理
• 网络配置：NAT、桥接、主机模式
• 存储管理：磁盘格式、创建和管理
• 资源管理：内存、CPU 限制和优化
• 高级配置：GPU 直通、集群配置
• 监控故障：性能监控和问题排查
• 自动化：cloud-init 和脚本自动化
• 安全备份：访问控制、备份恢复、迁移

掌握这些技能将帮助您：

• 构建高效的虚拟化环境
• 管理虚拟机资源
• 解决虚拟化问题
• 优化系统性能

进阶学习

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持续实践这些概念和技术，您将成为 KVM 虚拟化专家！