KubeVirt 系統架構概述

KubeVirt 是一個基於 Kubernetes 的虛擬機器管理擴充套件，讓使用者可以在現有的 Kubernetes 叢集中，像管理容器一樣管理虛擬機器 (VM)。

設計理念

核心原則：擴展而非取代

KubeVirt 並不試圖取代 Kubernetes，而是完全融入 Kubernetes 的生態系統。它透過以下三件事為叢集加入虛擬化能力：

1. Custom Resource Definitions (CRD) — 新增 VM 相關資源型別到 Kubernetes API
2. Controllers — 叢集級別的控制邏輯 (virt-controller)
3. DaemonSet — 節點級別的代理程序 (virt-handler)

KubeVirt Razor（設計準則）

「如果某個功能對 Pod 也有用，我們就不應該只為 VM 實作它。」

這個原則讓 KubeVirt 盡可能重用 Kubernetes 現有的基礎設施：

• 網路使用 CNI、Multus 而非自行實作
• 儲存使用 PVC、StorageClass 而非自行管理
• 調度使用 kube-scheduler 而非另起爐灶
• 安全模型與 Pod 保持一致

技術棧

┌─────────────────────────────────────┐
│  KubeVirt (虛擬化 API)               │  ← 本文重點
├─────────────────────────────────────┤
│  Orchestration (Kubernetes)          │  ← 調度、服務發現
├─────────────────────────────────────┤
│  Scheduling (Kubernetes Scheduler)   │  ← Pod/VM 排程
├─────────────────────────────────────┤
│  Container Runtime (containerd/CRI)  │  ← 容器執行環境
├─────────────────────────────────────┤
│  Operating System (Linux)            │  ← 宿主機 OS
├─────────────────────────────────────┤
│  Physical / Virtual Hardware         │  ← 實體或虛擬 CPU/記憶體
└─────────────────────────────────────┘

整體架構圖

五大核心元件

元件	部署型態	職責摘要
virt-operator	Deployment (≥2 副本)	安裝與管理所有 KubeVirt 元件，監控 KubeVirt CR
virt-api	Deployment (≥2 副本)	HTTP/WebSocket API 入口，Admission Webhook，console/VNC 代理
virt-controller	Deployment (≥2 副本)	叢集級 VM 生命週期管理，建立/刪除 virt-launcher Pod
virt-handler	DaemonSet (每節點一個)	節點代理，同步 VMI 與 libvirt domain，管理 migration
virt-launcher	Pod (每 VMI 一個)	提供 cgroups/namespaces 隔離，執行 libvirtd + QEMU

重要 CRD 資源

KubeVirt 為 Kubernetes 新增了以下 CRD：

核心資源

CRD	說明
VirtualMachine (VM)	有狀態 VM — 停止後資料保留，可重新啟動
VirtualMachineInstance (VMI)	執行中的 VM 實例 — 暫態，關機後消失
VirtualMachineInstanceReplicaSet	VM 水平擴展 (類似 ReplicaSet)
VirtualMachinePool	高階 VM 池管理 (類似 Deployment)
VirtualMachineInstanceMigration	Live Migration 請求物件

進階資源

CRD	說明
VirtualMachineInstancetype	CPU/記憶體規格模板 (namespace-scoped)
VirtualMachineClusterInstancetype	CPU/記憶體規格模板 (cluster-scoped)
VirtualMachinePreference	設備偏好配置
VirtualMachineSnapshot	VM 快照
VirtualMachineRestore	VM 還原請求
VirtualMachineClone	VM 克隆請求
VirtualMachineExport	VM 磁碟匯出
VirtualMachineBackup	VM 備份 (含增量備份)
KubeVirt	KubeVirt 安裝與設定 CR

與原生 Kubernetes 的關係

Kubernetes 原生工作負載
    Pod ──── 由 kubelet 直接管理

KubeVirt 虛擬機工作負載
    VM ──→ VMI ──→ virt-launcher Pod ──→ libvirtd ──→ QEMU VM
           └── 由 virt-controller 建立 Pod
                   └── 由 virt-handler 透過 socket 管理

設計要點：

• VM 對 Kubernetes 來說就是一個 Pod (virt-launcher)
• Kubernetes 負責調度、網路、儲存的基礎
• KubeVirt 在 Pod 內部管理 VM 的具體執行
• 同一 namespace 可以同時存在 Pod 和 VM，使用相同的 NetworkPolicy、RBAC

資料流：以建立 VM 為例

編排 vs 協作模式

KubeVirt 使用協作 (Choreography) 模式，而非編排 (Orchestration) 模式：

• 每個元件各自觀察狀態並採取行動
• 沒有中央指揮官，而是透過 VMI CR 作為共享狀態
• 這讓系統更具彈性與可擴展性
• 類似於 Kubernetes 本身的 level-triggered 協調機制

類比

這就像交通規則 (協作)，而非由交通管制員指揮每輛車 (編排)。每個元件都知道自己的規則，並根據現狀自主行動。

原始碼位置參考

kubevirt/
├── cmd/                    # 各元件的 main.go 入口
│   ├── virt-api/
│   ├── virt-controller/
│   ├── virt-handler/
│   ├── virt-launcher/
│   └── virt-operator/
├── pkg/                    # 各元件的核心邏輯
│   ├── virt-api/
│   ├── virt-controller/
│   ├── virt-handler/
│   ├── virt-launcher/
│   └── virt-operator/
├── staging/src/kubevirt.io/
│   └── api/                # 所有 CRD 型別定義
│       ├── core/v1/        # VM, VMI, KubeVirt 等
│       ├── instancetype/   # Instancetype, Preference
│       ├── snapshot/       # VirtualMachineSnapshot
│       ├── clone/          # VirtualMachineClone
│       ├── export/         # VirtualMachineExport
│       └── backup/         # VirtualMachineBackup
└── docs/                   # 官方文件