news 2026/4/20 15:32:19

KVM 热迁移

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张小明

前端开发工程师

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KVM 热迁移

KVM 热迁移是在虚拟机持续运行、业务几乎无感知的前提下，将其从源宿主机完整迁移到目标宿主机的技术，核心是内存状态 + 设备状态 + CPU 状态的在线同步，仅最后阶段短暂停机（毫秒级）。

KVM 热迁移的本质，就是在虚拟机持续运行时，通过迭代同步内存脏页，在极短停机时间内完成虚拟机全部运行状态的网络传输与远程恢复，实现宿主机之间无缝切换。

迁移 “运行时状态”，不是迁移 “文件”

虚拟机 = 两部分

  1. 静态镜像（硬盘文件）
  2. 动态状态（内存 + CPU 寄存器 + 设备状态）

普通迁移 = 关机 → 拷贝文件 → 开机

热迁移 =不关机，只迁移动态状态

所以本质是：只迁移 “此刻正在运行的状态”，磁盘数据不动（或后台同步）。

必备前提条件

源宿主机 + 目标宿主机：

    • 同 CPU 架构（x86_64），指令集尽量一致；可通过 libvirt CPU 模式（如match='exact'、custom）兼容差异。
    • KVM、QEMU、libvirt 版本尽量一致
    • 网络互通，最好万兆迁移专用网
  2. 虚拟机磁盘：
    • 放在共享存储（NFS/iSCSI/ceph），两台主机都能访问同一路径
    • 禁用本地磁盘缓存（cache=none）。磁盘cache=none或cache=writethrough
  3. 虚拟机不能有：
    • PCI 设备直通（GPU、网卡直通等）
    • 本地挂载的物理磁盘
  4. 防火墙放行：
    • SSH 22 端口
    • libvirt 迁移端口（16509 等）
    • 源 / 目标网络互通；专用高速迁移网络（万兆优先）；开放端口 16509（QEMU 默认）、SSH 端口；防火墙放行。
  5. 软件：源 / 目标 KVM、QEMU、libvirt 版本一致；虚拟机配置（vCPU、内存、网卡、磁盘）完全一致；无 PCIe 直通（除 KAE 等特殊设备）。

核心原理

1. 迁移类型

  • 共享存储热迁移（主流）：虚拟机磁盘存于 NFS/iSCSI/FC/GlusterFS 等共享存储，源 / 目标均可访问，仅迁移内存与状态，速度最快。
  • 非共享存储热迁移：本地磁盘随虚拟机一起在线拷贝迁移，速度慢、带宽占用大。

2. 核心流程（共享存储）

  1. 预拷贝阶段：源 VM 持续运行，QEMU/KVM 将全部内存页发送到目标；同时记录被修改的 “脏页”，循环同步脏页，直到脏页量足够小。
  2. 停机同步阶段：短暂暂停源 VM，传输最后一批脏页与设备 / CPU 状态，目标完成状态加载。
  3. 恢复运行：目标 VM 启动，源 VM 销毁，业务恢复。

3. 关键机制

  • 脏页跟踪：KVM 通过页表标记修改页，减少重复传输。
  • 自动收敛（Auto-Converge）：脏页生成过快时，适度限流 VM CPU，确保迁移能完成。
  • 最大停机时间（Max Downtime）：控制最后停机时长（默认 300ms，可设）。
  • 带宽限速：避免迁移占用过多业务带宽。
  • 压缩（zlib/zstd）、多通道（MultiFD）：加速传输、降低带宽。

脏页迭代预拷贝（Dirty Page Pre-copy）

在虚拟机持续运行时，通过多轮迭代，只同步被修改过的内存页（脏页），不断缩小需要传输的数据量，直到脏页足够少，再短暂停机完成最终同步，实现几乎无感知迁移。

脏页迭代预拷贝原理 = 硬件跟踪脏页 + 运行时多轮只传变化页 + 最后毫秒级停机同步最小状态，实现虚拟机内存从一台物理机无缝搬到另一台。

这是 KVM/QEMU 热迁移真正的核心原理。

  1. 第一轮：全量内存拷贝，源主机把 VM 全部内存发给目标主机。VM 还在跑，业务不中断。

  2. 第二轮：只拷贝 “脏页”，KVM 会标记哪些内存页被修改过 → 只发这些脏页。循环反复，脏页越来越少。

  3. 最后一刻：停机毫秒级，同步最终状态，脏页足够少 → 暂停 VM 极短时间发送最后一点脏页 + CPU 寄存器 + 设备状态

  4. 目标机恢复执行，目标机从收到的状态继续跑，IP 不变、连接不断。

本质：利用 “脏页收敛” 实现近乎无感知切换。

完整流程原理

1. 开启脏页跟踪（Dirty Logging）

源宿主机的 KVM 内核模块会：

  • 给虚拟机的所有内存页打上可跟踪标记
  • 一旦 VM 往某页内存写数据，该页立刻被标记为脏页（Dirty Page）

这是整个技术的基础：知道哪些页变了。

2. 第一轮：全量内存预拷贝

  • 源 QEMU 把虚拟机全部内存页发给目标主机
  • 虚拟机全程不暂停，业务正常跑
  • 同时，KVM 持续记录新产生的脏页

结果：目标机拿到了一份 “旧但完整” 的内存镜像。

3. 多轮迭代：只同步脏页（核心）

这就是 “迭代” 的含义：循环执行：

  1. 把本轮所有脏页发送到目标机
  2. 清空本轮脏页标记
  3. 继续跟踪新产生的脏页

特点：

  • 每一轮只传变化的少量数据
  • 正常业务下，脏页会越来越少，逐步收敛
  • VM 始终不停止

4. 停机同步（Stop-and-Copy）

当脏页已经非常少（达到阈值）：

  1. 短暂暂停虚拟机（毫秒级）
  2. 发送最后一批脏页
  3. 发送 CPU 寄存器、设备状态
  4. 目标机加载完整状态，启动运行
  5. 源机销毁虚拟机

切换完成。

关键机制原理

1. 脏页跟踪怎么实现？

底层依赖：

  • Intel EPT / AMD NPT（硬件辅助虚拟化页表）
  • KVM 将页表权限设为只读
  • 一旦 VM 写入，触发EPT 违反异常
  • KVM 捕获后标记该页为脏页，恢复可写权限

这是硬件级高效跟踪，几乎无性能损耗。

2. 为什么要 “迭代”？

因为 VM 一边迁移一边改内存。只传一轮会导致目标机内存永远落后。

多轮迭代 → 脏页递减 → 最终可收敛。

3. 为什么停机时间极短？

因为停机时只传：

  • 最后一小批脏页
  • 寄存器 + 设备状态（KB 级）

所以停机通常< 300ms，TCP 不断、业务无感。

用最简单的比喻理解

你要抄写一本正在被不断修改的书：

  1. 先抄完整本（第一轮全量）
  2. 作者边写你边改，只改被涂改的页面（迭代传脏页）
  3. 等作者修改越来越少
  4. 让作者停笔 0.1 秒，你抄完最后几页
  5. 你手里的书和原书完全一致

这就是脏页迭代预拷贝。

核心优势

1.业务几乎无感知，停机时间极短

  • 绝大多数内存是在VM 正常运行时后台同步的
  • 只在最后脏页极少时，才短暂暂停 VM
  • 停机时间通常几十毫秒～几百毫秒
  • 应用、TCP 连接基本不会断

这是它能实现真正热迁移的根本原因。

2.避免一次性全量停机拷贝

如果不做迭代，而是一次性停 VM、传全部内存：

  • 内存越大，停机越久
  • 32G 内存可能要停几秒甚至更久，业务直接雪崩

迭代预拷贝把停机时间从 “秒级” 压到 “毫秒级”。

3.网络压力更平滑，不会瞬间打满带宽

  • 不是一次性爆发传输
  • 多轮迭代、渐进式同步
  • 对物理网络冲击小，不会影响同宿主机其他 VM

4.自动适应业务压力，能 “追得上” 脏页

VM 一边跑、一边改内存，会不断产生脏页。预拷贝会：

  • 第一轮传全部内存
  • 之后只传变化的脏页
  • 每一轮脏页通常越来越少，最终能收敛完成

这保证了迁移一定能结束，而不是永远追不上。

5.内存越大，优势越明显

  • 8G、16G、64G、128G 内存的 VM 都能平滑迁移
  • 不需要为迁移预留额外巨大内存缓冲
  • 对宿主机资源占用可控

6.成熟稳定，兼容性极强

  • 从老版本 KVM 到最新版本都支持
  • 不需要特殊硬件
  • 不依赖存储架构（共享 / 非共享都能用）

是工业界标准热迁移方案。

架构本质：QEMU 状态序列化 + 网络传输

KVM 热迁移不是硬件级迁移，而是QEMU 把虚拟机状态序列化，通过网络传给另一个 QEMU。

  • 源 QEMU：导出状态
  • 网络：传输状态数据
  • 目标 QEMU：导入状态、恢复执行

本质：两个 QEMU 进程之间的状态转移。

为什么能做到 “热”？

因为：

  • 虚拟机的执行环境是完全虚拟化的
  • 所有状态都在内存和 QEMU 控制下
  • 没有绑定物理 CPU / 物理硬件
  • 内存可以被追踪、复制、传输

本质：虚拟化层把硬件抽象掉了，状态可迁移。

最简单的热迁移命令（virsh）

1. 基础共享存储热迁移

virsh migrate --live <虚拟机名> qemu+ssh://目标IP/system

示例：

virsh migrate --live vm101 qemu+ssh://192.168.1.100/system

2. 更稳定的参数（推荐）

virsh migrate --live \ --auto-converge \ # 自动收敛，防止脏页追不上 --unsafe \ # 忽略部分兼容性检查 --migrateuri tcp://目标IP \ <虚拟机名> qemu+ssh://目标IP/system

3. 限制带宽

virsh migrate-setspeed <虚拟机名> --bandwidth 500

单位：Mbps

4. 设置最大停机时间（业务无感）

virsh migrate-setmaxdowntime <虚拟机名> 300

单位：毫秒

5. 查看迁移状态

virsh domjobinfo <虚拟机名>

看到：

  • Job type: Unbounded正在迁移
  • Job completed successfully成功

常见失败原因

  1. CPU 型号 / 指令集不一致，解决：虚拟机 XML 里加
    <cpu mode='custom' match='exact' check='none'> <model fallback='allow'>Skylake-Client-noTSX-IBRS</model> </cpu>
  2. 脏页产生太快，迁移无法收敛，解决：加--auto-converge，会自动轻微压制虚拟机 CPU
  3. 网络不通、防火墙拦截，关闭防火墙或放行业务与迁移端口
  4. 磁盘路径不一致、权限不对，两台主机挂载共享存储路径必须完全一样
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