后Kubernetes时代的虚拟机管理技术之kubevirt篇

原创

谐云

修改于 2021-08-24 11:00:00

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修改于 2021-08-24 11:00:00

kubevirt是Red Hat开源的以容器方式运行虚拟机的项目，是基于kubernetes运行，利用k8s CRD为增加资源类型VirtualMachineInstance（VMI），使用CRD的方式是由于kubevirt对虚拟机的管理不局限于pod管理接口。通过CRD机制，kubevirt可以自定义额外的操作，来调整常规容器中不可用的行为。kubevirt可以使用容器的image registry去创建虚拟机并提供VM生命周期管理。

Kubevirt的架构

kubevirt以CRD的形式将VM管理接口接入到kubernetes中，通过一个pod去使用libvirtd管理VM的方式，实现pod与VM的一一对应，做到如同容器一般去管理虚拟机，并且做到与容器一样的资源管理、调度规划、这一层整体与企业IAAS关系不大，也方便企业的接入，统一纳管。

virt-api：kubevirt是以CRD形式去管理VM Pod，virt-api就是所有虚拟化操作的入口，这里面包括常规的CDR更新验证、以及console、vm start、stop等操作。

virt-controller：virt-controller会根据vmi CRD，生成对应的virt-launcher Pod，并且维护CRD的状态。与kubernetes api-server通讯监控VMI资源的创建删除等状态。

virt-handler：virt-handler会以deamonset形式部署在每一个节点上，负责监控节点上的每个虚拟机实例状态变化，一旦检测到状态的变化，会进行响应并且确保相应的操作能够达到所需（理想）的状态。virt-handler还会保持集群级别VMI Spec与相应libvirt域之间的同步；报告libvirt域状态和集群Spec的变化；调用以节点为中心的插件以满足VMI Spec定义的网络和存储要求。

virt-launcher：每个virt-launcher pod对应着一个VMI，kubelet只负责virt-launcher pod运行状态，不会去关心VMI创建情况。virt-handler会根据CRD参数配置去通知virt-launcher去使用本地的libvirtd实例来启动VMI，随着Pod的生命周期结束，virt-lanuncher也会去通知VMI去执行终止操作；其次在每个virt-launcher pod中还对应着一个libvirtd，virt-launcher通过libvirtd去管理VM的生命周期，这样做到去中心化，不再是以前的虚拟机那套做法，一个libvirtd去管理多个VM。

virtctl：virtctl是kubevirt自带类似kubectl的命令行工具，它是越过virt-launcher pod这一层去直接管理VM虚拟机，可以控制VM的start、stop、restart。

Kubevirt如何管理虚拟机？

虚拟机镜像制作与管理

虚拟机镜像采用容器镜像形式存放在镜像仓库中。创建原理如上图所示，将Linux发行版本的镜像文件存放到基础镜像的/disk目录内，镜像格式支持qcow2、raw、img。通过Dockerfile文件将虚拟机镜像制作成容器镜像，然后分别推送到不同的registry镜像仓库中。客户在创建虚拟机时，根据配置的优先级策略拉取registry中的虚拟机容器镜像，如果其中一台registry故障，会另一台健康的registry拉取镜像。

虚拟机生命周期管理

KubeVirt虚拟机生命周期管理主要分为以下几种状态：

l 虚拟机创建：创建VM对象，并同步创建DataVolume/PVC，从Harbor镜像仓库中拉取系统模板镜像拷贝至目标调度主机，通过调度、IP分配后生成VMI以及管理VM的Launcher Pod从而启动供业务使用的VM。

l 虚拟机运行：运行状态下的VM 可以进行控制台管理、快照备份/恢复、热迁移、磁盘热挂载/热删除等操作，此外还可以进行重启、下电操作，提高VM安全的同时解决业务存储空间需求和主机异常Hung等问题。

l 虚拟机关机：关机状态下的VM可以进行快照备份/恢复、冷迁移、CPU/MEM规格变更、重命名以及磁盘挂载等操作，同时可通过重新启动进入运行状态，也可删除进行资源回收。

l 虚拟机删除：对虚机资源进行回收，但VM所属的磁盘数据仍将保留、具备恢复条件。

虚拟机创建流程

虚拟机创建分为创建DataVolume和VMI两个流程：

1. 创建DataVolume后，CDI组件创建对应的PVC并且关联到合适的PV，然后通过临时Importer Pod拉取虚拟机容器镜像绑定到DataVolume生成的PV中，并且将镜像转换成disk.img文件存储在PV中供虚拟机使用。

2. 创建VMI后，等待disk.img转换成功，然后在对应的Node上启动Launcher Pod，并将CDI流程生成的PV挂载到Pod内，当做虚拟机启动的系统盘。Launcher根据VMI的定义生成定义虚拟机的XML文件，然后调用libvirt进程调用Qemu命令创建并且启动虚拟机。VMI会对Launcher Pod状态进行同步，反应VM运行的状态。

Kubevirt如何实现容器与虚拟机交互TBD

容器和虚拟机互通

l Virtual-Kubelet对应的Node会上报节点上Pod的Endpoint，假定Kubernetes集群和IaaS层平台部署在同一个二层网络下，则集群内容器Pod可以访问VM-Pod，但容器Pod对于VM-Pod不可见；

l 针对上一点可以通过Macvlan等网络插件，将容器-Pod，降维至二层网络上，实现容器-Pod和虚拟机互通，有一定硬件要求。

如何实现⼀套集群下虚拟机与容器的混合调度与资源隔离

l Virtual-Kubelet提供的是一个虚拟节点用来向Kubernetes上报Node对象和Pod的状态和资源情况，虚拟机资源和集群内节点资源完全隔离；

l 在引入Virtual-Kubelet的情况下，需要对Virtual-Kubelet节点配置Taint和Tolerations，保证容器-Pod和VM-Pod调度分离。

服务发现

Virtual-Kubelet，通过Provider实现的API将IaaS层VM信息抽象成对应Pod对象的信息的方式来上报Endpoints，可以通过给CR添加no selector Service，待VM-Pod拉起后补充address至对应的Service

Kubevirt适用场景

由于Kubervirt提供的成熟的虚拟化能力和性能，并且可以直接通过Kubernetes进行统一管理。所以Kubevirt适合在有PaaS层管理平台和Kubernetes集群环境的情况下，通过kubevirt中的单一控制平面简化了对虚拟机的管理，让用户无需关心IaaS层，即可轻松在集群内构建、部署出一台虚拟机进行使用。