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KVM虚拟化CPU技术总结

一 NUMA技术介绍


NUMA是一种解决多CPU共同工作的技术方案，我们先回顾下多CPU共同工作的技术架构历史。多CPU共同工作主要有三种架构，分别是SMP MPP NUMA架构。SMP MPP NUMA 都是为了解决多CPU共同工作的问题。

早期的时候，每台服务器都是单CPU，随着技术发展，出现了多CPU共同工作的需求，最早的多CPU技术是SMP。


SMP


多个CPU通过一个总线访问存储器，因此SMP系统有时也被称为一致存储器访问（UMA）结构体系，一致性意指无论在什么时候，处理器只能为内存的每个数据保持或共享唯一一个数值。

SMP的缺点是可伸缩性有限，因为在存储器接口达到饱和的时候，增加处理器并不能获得更高的性能，因此SMP方式支持的CPU个数有限。

MPP


MPP模式则是一种分布式存储器模式，能够将更多的处理器纳入一个系统的存储器。一个分布式存储器模式具有多个节点，每个节点都有自己的存储器，可以配置为SMP模式，也可以配置为非SMP模式。单个的节点相互连接起来就形成了一个总系统。MPP可以近似理解成一个SMP的横向扩展集群，MPP一般要依靠软件实现。

NUMA


每个处理器有自己的存储器，每个处理器也可以访问别的处理器的存储器。

NUMA-Q


是IBM最早将NUMA技术应用到i386上的商业方案，可以支持更多的x86 CPU一起工作。

KVM虚拟机NUMA调优


因为NUMA架构每个处理器都可以访问自己和别的处理器的存储器，访问自己的存储器要比访问别的存储器的快很多，NUMA 调优的目标就是让处理器尽量的访问自己的存储器，以提高处理速度。

通过numactl –hardware可以看到当前CPU硬件的情况

libvirt的numa管理


使用numastat 命令可以查看每个节点的内存统计

使用numatune命令可以查看或者修改虚拟机的numa配置

linux的numu平衡策略


linux系统默认是自动numu平衡策略，如果要关闭Linux系统的自动平衡，使用如下命令

# echo 0 > /proc/sys/kernel/numa_balancing

如果要开启，使用如下命令

echo 1 > /proc/sys/kernel/numa_balancing

numa工作方式可以是strict，指定cpu，或者auto 使用系统的numad服务

<numatune>
        <memory mode='strict' placement='auto'/>
</numatune>
<numatune>
        <memory mode='strict' nodeset='0,2-3'/>
</numatune>

virsh numatune rhel7 –nodeset ‘0，2-3’


vpcu的设置

<vcpu placement='auto'>8</vcpu>
<vcpu placement='static' cpuset='0-10,5'>8</vcpu>

<vcpu> 和 <numatune>需要保持一致，<numatune>配置的是物理CPU，<vcpu>配置的CPU的核，包括超线程产生的核；

<numatune>使用static模式，<nodeset>也必须是；

也可以设置一个虚拟机给32个虚拟CPU，但是一开始只能使用8个，然后可以根据系统压力，热添加CPU给虚拟机。

<vcpu placement='auto' current='8'>32</vcpu>

也可以给每个虚拟机CPU，指定具体的物理机CPU pinning策略

<cputune>
        <vcpupin vcpu="0" cpuset="1-4,2"/>
        <vcpupin vcpu="1" cpuset="0,1"/>
        <vcpupin vcpu="2" cpuset="2,3"/>
        <vcpupin vcpu="3" cpuset="0,4"/>
</cputune>

也可以使用emulatorpin的方式

emulatorpin 标签可以指定一个特定的物理CPU，是虚拟机使用的CPU和存储器都在一个物理机CPU内部

<cputune>
        <emulatorpin cpuset="1-3"/>
</cputune>

命令方式为

virsh emulatorpin rhel7 1-3

1-3的核都在一个物理CPU内部。

默认情况下，系统使用的是自动平衡的NUMA策略。

虚拟机的numa拓扑

可以设置虚拟机对numa资源的使用

<cpu>
        ...
    <numa>
      <cell cpus='0-3' memory='512000'/>
      <cell cpus='4-7' memory='512000'/>
    </numa>
    ...
</cpu>

cell numa的cell或者numa节点

cpu  cpu一个物理CPU可以使用的CPU范围

memory  可以使用的内存大小，单位kb

NUMA-AWARE和KSM


KSM可以合并相同的内存页，即使是不同NUMA节点，

设置/sys/kernel/mm/ksm/merge_across_nodes参数为0，可以关闭关闭跨NUMA节点的内存合并

或者可以关闭虚拟机的内存合并

<memoryBacking>
         <nosharepages/>
</memoryBacking>

二 host-passthrough 技术及应用场景

KVM关于CPU型号的定义

libvirt 对CPU的定义提炼出标准的几种类型在 /usr/share/libvirt/cpu_map.xml 可以查到

<cpus>
  <arch name='x86'>
    <!-- vendor definitions -->
    <vendor name='Intel' string='GenuineIntel'/>
    <vendor name='AMD' string='AuthenticAMD'/>
    <!-- standard features, EDX -->
    <feature name='fpu'> <!-- CPUID_FP87 -->
      <cpuid function='0x00000001' edx='0x00000001'/>
    </feature>
    <feature name='vme'> <!-- CPUID_VME -->
      <cpuid function='0x00000001' edx='0x00000002'/>
    </feature>
...
<!-- models -->
    <model name='486'>
      <feature name='fpu'/>
      <feature name='vme'/>
      <feature name='pse'/>
    </model>
...
 <model name='Haswell'>
      <model name='SandyBridge'/>
      <feature name='fma'/>
      <feature name='pcid'/>
      <feature name='movbe'/>
      <feature name='fsgsbase'/>
      <feature name='bmi1'/>
      <feature name='hle'/>
      <feature name='avx2'/>
      <feature name='smep'/>
      <feature name='bmi2'/>
      <feature name='erms'/>
      <feature name='invpcid'/>
      <feature name='rtm'/>
    </model>
....

主要是以下几种CPU型号。

‘486’ ‘pentium’ ‘pentium2’ ‘pentium3’ ‘pentiumpro’ ‘coreduo’ ‘pentiumpro’ ‘n270’ ‘coreduo’ ‘core2duo’ ‘qemu32’ ‘kvm32’ ‘cpu64-rhel5’ ‘cpu64-rhel6’ ‘kvm64’ ‘qemu64’ ‘Conroe’ ‘Penryn’ ‘Nehalem”Westmere’ ‘SandyBridge’ ‘Haswell’ ‘athlon’ ‘phenom’ ‘Opteron_G1’ ‘Opteron_G2’ ‘Opteron_G3’ ‘Opteron_G4’ ‘Opteron_G5’ ‘POWER7’ ‘POWER7_v2.1’ ‘POWER7_v2.3’

使用这种方案主要是为了在虚拟机迁移的时候，在不同的宿主机间保证兼容性。

CPU配置模式可以有以下几种种模式:

custom 自己定义

<cpu mode='custom' match='exact'>
    <model fallback='allow'>kvm64</model>
 ...
    <feature policy='require' name='monitor'/>
  </cpu>

host-model 根据物理CPU的特性，选择一个最靠近的标准CPU型号，如果没有指定CPU模式，默认也是使用这种模式，xml配置文件为：

<cpu mode='host-model' />

host-passthrough 直接将物理CPU 暴露给虚拟机使用，在虚拟机上完全可以看到的就是物理CPU的型号；xml配置文件为：

<cpu mode='host-passthrough'/>

使用host-model看到的VCPU

processor       : 3
vendor_id       : GenuineIntel
cpu family      : 6
model           : 44
model name      : Westmere E56xx/L56xx/X56xx (Nehalem-C)
...

使用host-passthrough看到的VCPU

processor       : 3
vendor_id       : GenuineIntel
cpu family      : 6
model           : 44
model name      : Intel(R) Xeon(R) CPU           X5650  @ 2.67GHz

应用场景


HOST技术适用于以下场景：

1 CPU压力非常大；

2需要将物理CPU的一些特性传给虚拟机使用；

3需要在虚拟机里面看到和物理CPU一模一样的CPU品牌型号，这个在一些公有云很有意义；

注意：HOST方式虚拟机不能迁移到不同型号的CPU上；

三 CPU热添加

CPU热添加是centos7的一个新特性，要求宿主机和虚拟机都是centos7


如何使用


我们在给虚拟机分配的时候，就用预留CPU





目前在虚拟机中可以看到4个CPU。

我们把CPU在线修改成5个

virsh setvcpus centos7 5 --live

在虚拟机里面将第5个CPU激活

可以看到虚拟机的CPU已经变成了5个

同样的方法，我们可以把CPU增加到6个

因为我们一开始预留的是10个，所有最多的时候，可以热添加CPU到10个。

应用场景：对于虚拟机跑得应用非常重要，不能停机，而性能严重不足的场景，CPU热添加的技术是一个很好的解决方案。

四 nested 虚拟机嵌套（kvm on kvm）

nested技术，简单的说，就是在虚拟机上跑虚拟机。

KVM虚拟机嵌套和VMWare原理不同，VMWare第一层是用的硬件虚拟化技术，第二层就是完全软件模拟出来的，所以VMWare只能做两层嵌套。KVM是将物理CPU的特性全部传给虚拟机，所有理论上可以嵌套N多层。

配置方法

因为nested技术centos还没有正式支持，建议测试的时候用最新的fedora进行测试。

第一步 打开kvm内核模块 nested特性

modprobe kvm-intel nested=1

或者修改modprobe.d 编辑 /etc/modprobe.d/kvm_mod.conf ，添加以下内容

options kvm-intel nested=y

检查是否打开nested功能

cat /sys/module/kvm_intel/parameters/nested 
Y

第二步 第一层的虚拟机配置文件，要将物理机CPU特性全部传给虚拟机，使用CPU HOST技术

<cpu mode='host-passthrough'/>

第三步 和宿主机一样，将第一层虚拟机按照宿主机配置，按照相应的组件，然后就可以再安装第二层的虚拟机了。

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