24.6.使用 FreeBSD 上的 QEMU 虚拟化
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是一款通用的机器仿真和虚拟化工具，完全开源，由一个庞大且活跃的社区开发，支持 FreeBSD、OpenBSD 和 NetBSD 以及其他操作系统。
根据 ：
QEMU 可以通过多种方式使用。最常见的是系统仿真模式，在该模式下，QEMU 提供了一个完整机器的虚拟模型（包括 CPU、内存和仿真设备），用于运行虚拟机操作系统。在这种模式下，CPU 可以完全仿真，也可以与如 KVM、Xen 或 Hypervisor.Framework 等虚拟化管理程序合作，使虚拟机直接在宿主 CPU 上运行。
第二种使用方式是用户模式仿真，在该模式下，QEMU 可以在一种 CPU 上启动为另一种 CPU 编译的进程。在此模式下，CPU 始终为仿真状态。
QEMU 还提供了多个独立的命令行工具，例如 磁盘映像工具，允许用户创建、转换和修改磁盘映像。
QEMU 可以仿真多种体系结构，包括 Arm™、i386、x86_64、MIPS™、s390X、SPARC™（Sparc™ 和 Sparc64™）等。有关 QEMU 系统仿真目标的完整列表，请参阅 ，该列表会定期更新。
本节介绍了如何在 FreeBSD 上使用 QEMU 进行系统仿真和用户模式仿真，并提供了 QEMU 命令和命令行工具的使用示例。
QEMU 可以作为 FreeBSD 的一款软件包或在 中作为 Port 安装。推荐的安装方法是使用软件包构建，因为它包含了大多数用户需要的合理选项和默认设置。
安装软件包时会包含一些依赖项。安装完成后，创建一个指向宿主版本的 QEMU 链接，通常情况下如果宿主系统是 Intel™ 或 AMD™ 64 位系统，命令为：
作为非 root 用户运行以下命令来测试安装：
这将打开一个窗口，QEMU 会尝试从硬盘、软盘、DVD/CD 和 PXE 启动。由于尚未设置任何启动映像，因此命令会产生一些错误并以 "No bootable device" 结束，如 所示。不过，这表明 QEMU 软件已正确安装。
图 1. 没有可引导映像的 QEMU
注意
按照以下步骤创建两个名为“left”和“right”的虚拟机。大多数命令可以在没有 root 权限的情况下执行。
创建一个测试环境来与 QEMU 一起使用：
SCRIPTS 目录用于存放启动脚本和实用工具。ISO 目录用于存放客户机 ISO 启动映像。VM 目录是虚拟机映像（VMs）的存放位置。
将最新的 FreeBSD 下载到 ~/QEMU/ISO 目录中：
下载完成后，创建一个简短的链接。该简短链接将在下面的启动脚本中使用。
QEMU raw 格式旨在提供最佳性能。该格式简单且没有开销，特别适用于高性能或高吞吐量的场景。此格式适用于对性能要求最大化且不需要额外功能（如快照）的情况。以下脚本中使用了此格式来创建 “left” 虚拟机的磁盘映像。
另一种格式是 qcow2，它使用 QEMU 的“写时复制”技术来管理磁盘空间。这种技术不需要完整的 15G 磁盘，而是直接由虚拟机管理一个简版磁盘，随着虚拟机写入，磁盘大小会动态增长。此格式支持快照、压缩和加密。此格式适用于开发、测试及需要这些高级功能的场景。下面的 “right” 虚拟机脚本使用了此格式。
要查看实际文件大小，可以使用：
使用以下命令为两个虚拟机配置网络。在此示例中，宿主网络接口是 em0。如果有必要，请修改为宿主系统的接口。每次宿主机重启后必须执行这些命令，以便让 QEMU 客户机虚拟机能够进行通信。
切换到 ~/QEMU/SCRIPTS 目录，使用以下脚本启动第一个虚拟机 “left”。该脚本使用了 QEMU 的原始磁盘格式。
技巧
将上述内容保存到一个文件中（例如
left.sh），并只需运行：%/bin/sh left.sh
图 2. FreeBSD 启动加载菜单
技巧
图 3. 当 QEMU 抓取鼠标时
注意
在 FreeBSD 上，初始的 QEMU 安装可能会稍慢。这是因为模拟器在第一次使用磁盘时会写入文件系统格式和元数据。随后的操作通常会更快。
安装过程中有几个需要注意的要点：
选择使用 UFS 作为文件系统。ZFS 在小内存的环境下性能不佳。
网络配置使用 DHCP。如果本地局域网支持，也可以配置 IPv6。
在添加默认用户时，请确保该用户是 wheel 组的成员。
安装完成后，虚拟机将重启并进入新安装的 FreeBSD 映像。
以 root 用户登录并按以下方式更新系统：
注意
安装成功后，QEMU 将引导已安装的操作系统，而不是安装程序。
注意
至此，"left" 虚拟机的安装已完成。
要安装 "right" 虚拟机，请运行以下脚本。此脚本包含了 tap1、qcow2 格式、映像文件名、MAC 地址和终端窗口名的修改。如果需要，可以按照上述说明添加 "-runas" 参数。
安装完成后，“left”和“right”虚拟机可以相互通信，并与宿主进行通信。如果宿主机上有严格的防火墙规则，考虑添加或修改规则以允许桥接和 tap 设备之间的通信。
本节演示了 XFCE 桌面环境的使用。
安装完成后，作为常规用户登录，然后输入：
图 4. 两个 QEMU 虚拟机
技巧
为虚拟系统添加更多内存可能会加速图形用户界面。
在这里，“left”虚拟机已经安装了 X Window 系统，而“right”虚拟机仍处于文本模式。
QEMU 窗口作为一个完整的 FreeBSD 控制台，能够像裸机系统一样运行多个虚拟终端。
图 5. 在 QEMU 窗口中切换到另一个虚拟控制台
技巧
当前主机桌面管理器或窗口管理器可能已经为 Alt+F1、Alt+**F2 键序列设置了其他功能。如果是这样，请尝试输入 Ctl+Alt+F1、Ctl+Alt+F2，或其他类似的键组合。查看窗口管理器或桌面管理器文档以了解详细信息。
图 6. 使用视图菜单中的 Zoom to Fit 选项
在 View 菜单中，还可以看到以下选项：
cirrus-vga、serial0 和 parallel0 选项。这些选项允许切换输入/输出到选定设备。
QEMU 窗口中的 Machine 菜单提供了对虚拟机的四种控制：
Pause 可暂停 QEMU 虚拟机。这可能对冻结快速滚动的窗口有帮助。
Reset 会立即将虚拟机重置为冷启动状态。与实际机器一样，除非绝对必要，否则不建议使用此选项。
Power Down 模拟 ACPI 关闭信号，操作系统将执行优雅的关闭过程。
Quit 会立即关闭虚拟机电源 — 同样，不建议除非必要时使用此选项。
为了实现串行控制台，需要在运行 FreeBSD 的虚拟机中插入以下内容：
将此行添加到 /boot/loader.conf 文件中，以启用 FreeBSD 串行控制台的使用。
以下更新后的配置演示了如何在虚拟机上实现串行控制台。运行脚本以启动虚拟机。
图 7. 通过 TCP 启用串行端口
需要注意的是，这种通过 TCP 的串行重定向是在虚拟机之外进行的。它不与虚拟机中的任何网络进行交互，因此不受任何防火墙规则的限制。可以将其视为连接到实际机器的 RS-232 或 USB 端口的傻终端。
注意
待 /boot.loader.conf 文件已更新以允许串行控制台，虚拟机将在每次启动时尝试从串行端口启动。确保如上所示启用串行端口，或者更新 /boot/loader.conf 文件以不要求使用串行控制台。
QEMU 还支持在与主机 CPU 架构不同的体系结构上运行预编译的应用程序。例如，可以在 x86_64 主机上运行 Sparc64 架构的操作系统。下一节将展示这一过程。
设置与主机架构不同的新虚拟机涉及以下几个步骤：
获取将在虚拟机上运行的软件
为虚拟机创建一个新的磁盘镜像
设置一个新 QEMU 脚本，指定新的架构
执行安装
以下过程使用了 OpenBSD 6.8 SPARC64 软件作为本次 QEMU 用户模式仿真练习的示例。
技巧
并非所有版本的 OpenBSD Sparc64 都能在 QEMU 上运行。已知 OpenBSD 版本 6.8 可用，因此作为本节示例。
从 OpenBSD 存档中下载 OpenBSD 6.8 Sparc64。 在 OpenBSD 下载站点上，仅保留最新版本，需要访问存档以获取过去的版本。
为 Sparc64 虚拟机创建新的磁盘镜像，这与上面的 "right" 虚拟机创建方法类似。在本例中使用 QEMU 的 qcow2 格式：
使用以下脚本设置新的 Sparc64 架构。与上面的示例一样，运行该脚本，然后启动一个新的会话并通过 telnet 连接到 localhost 上指定的端口：
注意以下几点：
-boot d 选项使 QEMU 从设置为 -cdrom ../ISO/install68.iso 的 QEMU CDROM 设备启动。
该脚本设置了 -nographic 选项，意味着只有串行端口 I/O，没有图形界面。
图 8. QEMU 在用户模式仿真中从 CDROM 启动 OpenBSD 6.8 Sparc64
安装完成后，修改脚本并将启动参数更改为 -boot c。这将指示 QEMU 从提供的硬盘启动，而不是 CDROM。
安装后的系统可以像其他虚拟机一样使用。然而，虚拟机的底层架构是 Sparc64，而非 x86_64。
技巧
如果系统在 OpenBios 控制台提示
0 >时停止，请输入power-off来退出系统。
图 9. 在用户模式仿真中从 CDROM 启动 QEMU
通过使用监控器，可以：
动态地移除或插入设备，包括磁盘、网络接口、CD-ROM 或软盘
冻结/解冻虚拟机，并将其状态保存或恢复到磁盘文件中
收集有关虚拟机和设备状态的信息
实时更改设备设置
以及许多其他操作。
监控器的最常见用途是检查虚拟机的状态，并添加、删除或更改设备。一些操作，如迁移，仅在支持的虚拟化加速器（如 KVM、Xen 等）下可用，在 FreeBSD 主机上不受支持。
在使用图形桌面环境时，最简单的使用 QEMU 监控器的方法是启动 QEMU 时使用 -monitor stdio 选项。
图 10. QEMU 监控器提示符和“stop”命令
图中还显示了在 FreeBSD 启动序列中使用 stop 命令冻结系统。系统将保持冻结状态，直到在监控器中输入 cont 命令。
要向运行中的虚拟机添加新磁盘，首先需要准备磁盘，如下所示：
请注意，如果需要在虚拟机重启后使用新磁盘，必须将其添加到启动脚本中。
图 11. 使用 QEMU 监控器命令添加新磁盘
QEMU 文档在使用术语 快照 时描述了几个类似的概念。命令行上有 -snapshot 选项，它指的是使用一个磁盘或磁盘的一部分来包含设备的副本。然后是监控器命令 snapshot_blkdev 和 snapshot_blkdev_internal，它们描述了实际的复制块设备的操作。最后，还有监控器命令 savevm、loadvm 和 delvm，它们指的是创建并保存、加载或删除整个虚拟机的副本。结合后者，监控器的 info snapshots 命令列出了最近的快照详情。
本节将重点介绍创建、保存和加载完整的虚拟机镜像，并使用 快照 这一术语。
首先，从头开始重新创建“左”虚拟机，这次使用 qcow2 格式。
安装完成后，重新启动虚拟机，这次使用 -monitor stdio 选项来启用监控器。
为了演示快照，可以使用以下步骤：
从头安装 FreeBSD
准备环境并使用 savevm 监控器命令创建快照
安装几个软件包
关闭系统
重新启动一个裸 QEMU 实例，并使用监控器命令 loadvm 恢复虚拟机
观察恢复后的虚拟机没有安装任何软件包
图 12. 第一次快照之前的 QEMU 虚拟机
要生成快照，请在监控器中输入 savevm。确保为其指定标签（例如 original_install）。
图 13. 使用监控器命令进行快照
重新启动系统，在 FreeBSD 启动之前，切换到监控器并输入 stop。虚拟机将停止。
输入 loadvm 和之前使用的标签（此处为 original_install）。
立即，虚拟机屏幕将切换到执行 savevm 命令时的准确时刻。请注意，虚拟机仍然处于停止状态。
输入 cont 启动虚拟机，切换到 ttyv1 上的编辑会话，并在键盘上输入一个字母。编辑器仍然处于插入模式，应该相应地响应。快照时运行的任何其他程序应该没有受到影响。
上述步骤展示了如何创建快照、修改系统，然后通过恢复之前的快照来“回滚”。
QEMU 支持创建虚拟 USB 设备，这些设备由映像文件提供支持。它们是虚拟 USB 设备，可以像真实 USB 设备一样进行分区、格式化、挂载和使用。
当系统启动时，FreeBSD 会识别到一个 USB 集线器，添加附加的 USB 设备，并将其分配为 da0，如图 15 所示。
图 15. QEMU 创建的 USB 集线器和大容量存储设备
QEMU USB 直通支持在 9.0.1 版本（2024 年夏季）中列为实验性功能。以下步骤展示了如何使用挂载在主机上的 USB 闪存驱动器。
更多信息和示例，请参见：
info usbhost 显示主机系统上所有 USB 设备的信息。找到所需的 USB 设备并记下该行中的两个十六进制值。（在下面的示例中，主机 USB 设备是 Memorex Mini，vendorid 为 0718，productid 为 0619。）在下面的 device_add 步骤中使用 info usbhost 命令显示的两个值。
device_add 将 USB 设备添加到虚拟机。
图 16. QEMU 监视器命令访问主机上的 USB 设备
如前所述，device_add 完成后，FreeBSD 内核会识别到新的 USB 设备，如图下部分所示。
图 17. 通过直通使用主机的 USB 设备
如上所述，QEMU 支持多种不同的虚拟化加速器。
在 Linux 上支持 64 位 Arm、MIPS、PPC、RISC-V、s390x 和 x86 的 KVM
在 Linux 上作为 dom0 支持 Arm、x86 的 Xen
在 MacOS 上支持 x86 和 Arm（仅 64 位）的 Hypervisor Framework (hvf)
在 Windows 上支持 x86 的 Windows Hypervisor Platform (whpx)
在 NetBSD 上支持 x86 的 NetBSD Virtual Machine Monitor (nvmm)
在 Linux 和其他 POSIX 系统、Windows、MacOS 上支持 Arm、x86、Loongarch64、MIPS、PPC、s390x 和 Sparc64 的 Tiny Code Generator (tcg)
本节中的所有示例都使用了 Tiny Code Generator (tcg) 加速器，因为这是当前在 FreeBSD 上支持的唯一加速器。
QEMU 处于非常活跃的开发状态，特性和命令选项可能会在不同版本之间发生变化。本节提供了使用 QEMU 版本 9.0.1（2024 年夏季）开发的示例。若有疑问，请始终查阅 ，特别是 页面，该页面包含支持的构建平台、仿真、已弃用功能和已移除功能的链接。
切换到虚拟机存放位置（~/QEMU/VM）。运行 来为 “left” 虚拟机创建磁盘映像：
再次运行 来为 “right” 虚拟机创建一个 qcow2 格式的磁盘映像：
上述命令创建了两个 设备（tap0、tap1）和一个 设备（bridge0）。接着，它们将 tap 设备和本地宿主接口（em0）添加到桥接中，并设置了两个 项目，允许普通用户打开 tap 设备。这些命令使虚拟机能够与宿主的网络栈进行通信。
QEMU 将在一个单独的窗口中启动虚拟机，并按 中所示引导 FreeBSD ISO。所有命令选项，如 -cpu 和 -boot，均在 QEMU 的手册页 中有详细描述。
如果在 QEMU 控制台窗口中点击鼠标，QEMU 将“抓取”鼠标，如 所示。按 Ctl+Alt+G 可以释放鼠标。
QEMU 支持 -runas 选项。为了增加安全性，可以在上述脚本中包括 "-runas your_user_name" 选项。详情请参见 。
再次以 root 用户登录，添加所需的任何软件包。若要在客户机中使用 X Window 系统，请参阅下文的“使用 X Window 系统”部分。
描述了如何设置 X Window 系统。请参考该指南进行初始的 X Window 设置，然后查阅 以了解如何设置完整的桌面环境。
XFCE4 窗口管理器将启动并呈现一款功能齐全的图形桌面，如 所示。首次启动时，可能需要一分钟才能显示桌面。有关使用详细信息，请参阅 。
要切换到另一个虚拟控制台，单击 QEMU 窗口并输入 Alt+**F2 或 Alt+F3。FreeBSD 应该会切换到另一个虚拟控制台。 显示了 "left" 虚拟机在 ttyv3 上显示虚拟控制台的情况。
QEMU 窗口的另一个功能是 View 菜单和缩放控制。最有用的是 Zoom to Fit。当点击此菜单项时，可以通过点击窗口角部控制并调整窗口大小来调整 QEMU 窗口的大小。 显示了在图形模式下调整“left”窗口大小的效果。
在 中，串行端口被重定向到主机系统的 TCP 端口，并且 QEMU 监视器等待（wait=on）直到在指定的 localhost 端口发生 连接。当收到来自另一个会话的连接时，FreeBSD 系统开始启动并查找 /boot/loader.conf 中的控制台指令。通过设置 "console=comconsole"，FreeBSD 在串行端口上启动一个控制台会话。QEMU 监视器会检测到这一点，并将该串行端口的字符 I/O 导向主机上的 telnet 会话。系统启动完成后，登录提示将在串行端口（ttyu0）和控制台（ttyv0）上启用。
在串行控制台上，如果调整了窗口大小，可以执行 来更新终端大小。
有时可能需要（甚至必须）停止将 syslog 消息发送到控制台（包括 QEMU 控制台和串行端口）。有关将控制台消息重定向到其他位置的详细信息，请参考 。
如前所述，telnet 服务器选项设置为等待在端口 4410 上接收连接。启动另一个会话并使用 连接到 localhost 上的 4410 端口。
本例中网络未通过 / 组合设置。这里使用了 QEMU 网络的另一种方法，称为“串行线互联网协议”（SLIRP），有时也称为“用户模式网络”。有关该方法及其他 QEMU 网络方法的文档，请参见
如果一切设置正确，系统将启动，如 所示。
显示了登录已安装系统的 root 用户并运行 。
用于控制正在运行的 QEMU 模拟器（虚拟机）。
这将在终端窗口中生成一个新的提示符 (qemu)，如 所示。
显示了向虚拟机添加新磁盘所需的监控器命令序列。待使用监控器中的 device_add 命令添加了设备，它将在 FreeBSD 系统控制台中显示（图中的下半部分）。此时可以根据需要配置磁盘。
在“准备环境”步骤中，在一个独立的虚拟控制台（ttyv1）中启动一个 编辑会话，模拟用户活动。如果需要，可以启动其他程序。快照应该记录在创建快照时所有正在运行的应用程序的状态。
显示了全新安装的 FreeBSD 系统，尚未安装任何软件包，并且在 ttyv1 上单独显示了编辑会话。当前， 编辑器处于 insert 模式，打字员正在输入“broadcast”一词。
接下来，在主控制台窗口中安装一个软件包，例如没有依赖关系的 。完成后，重新进入监控器并创建另一个快照（snap1_pkg+zip）。
显示了上述命令的结果以及 info snapshots 命令的输出。
默认情况下，QEMU 将快照数据存储在与镜像相同的文件中。使用 查看快照列表，如下所示，见 。
图 14. 使用 检查快照
此配置包括一个 -drive 规范，指定了 id=usbstick、raw 格式和一个映像文件（必须使用 创建）。下一行包含 -device usb-ehci 规范，指定一个 USB EHCI 控制器，并指定 id=ehci。最后，-device usb-storage 规范将上述驱动与 EHCI USB 总线连接起来。
该设备已准备好，可以使用 进行分区，并使用 进行格式化。由于 USB 设备由 创建的文件提供支持，写入设备的数据会在重启后保留。
的上部分显示了 QEMU 监视器命令：
在 中，展示了如何使用新设备。
如果 USB 设备格式化为 FAT16 或 FAT32 文件系统，则可以使用 将其挂载为 MS-DOS™ 文件系统，如示例所示。然后将 /etc/hosts 文件复制到新挂载的驱动器上，并对文件进行校验和验证其完整性。然后使用 卸载设备。
如果 USB 设备格式化为 NTFS，则需要安装 fusefs-ntfs 包并使用 访问该设备：
根据实际硬件修改上述设备标识符。有关 NTFS 文件系统操作的更多信息，请参阅 。
QEMU 支持的 包括：
