QEMU vs KVM en Proxmox: ¿en qué se diferencian?

A menudo se habla de QEMU y KVM como si fueran tecnologías de virtualización que compiten entre sí, y eso lleva a error. En Proxmox, cada una hace una parte distinta del mismo proceso de máquina virtual.

KVM ofrece virtualización de procesador y memoria acelerada por hardware a través del kernel de Linux. QEMU crea el equipo virtual alrededor del invitado, con sus discos, adaptadores de red, firmware y demás dispositivos. Proxmox añade la plataforma de gestión que permite a los administradores configurar y controlar el entorno completo.

Una máquina virtual de Proxmox normalmente usa QEMU y KVM juntos. Saber qué hace cada uno ayuda a entender el rendimiento de las máquinas virtuales, la compatibilidad del hardware, la elección de dispositivos y el diagnóstico de problemas.

¿Qué es QEMU?

QEMU es un emulador y virtualizador de máquinas de código abierto. Su emulación de sistema crea un modelo virtual de un equipo, con procesadores, memoria y dispositivos de hardware, para que un sistema operativo invitado pueda ejecutarse como si estuviera instalado en hardware físico.

QEMU puede modelar muchas arquitecturas de procesador y tipos de máquina, entre ellas x86, Arm, RISC V y varias más. Eso permite a QEMU ejecutar software diseñado para una arquitectura de procesador distinta de la del host físico, aunque la emulación completa es mucho más lenta que la virtualización asistida por hardware.

Desde el punto de vista del host Proxmox, cada máquina virtual QEMU se ejecuta como un proceso en espacio de usuario, y ese proceso representa el hardware virtual que se presenta al sistema operativo invitado.

QEMU puede ofrecer controladoras de disco virtuales, tarjetas de red, controladoras USB, adaptadores gráficos, puertos serie y muchos otros dispositivos. Un invitado Windows o Linux ve esos componentes como hardware y carga controladores para ellos igual que lo haría en un equipo físico.

QEMU también puede funcionar sin KVM usando su Tiny Code Generator. TCG traduce las instrucciones de procesador del invitado a instrucciones que el host puede ejecutar. Eso hace posible la emulación entre arquitecturas, pero suele ser demasiado lento para las cargas de trabajo de servidor habituales en producción.

¿Qué es KVM?

KVM significa Kernel based Virtual Machine, un subsistema de virtualización dentro del kernel de Linux.

KVM usa las extensiones de virtualización del procesador, como Intel VT x o AMD V, para que las instrucciones de procesador del invitado se ejecuten de forma eficiente en el procesador físico. La documentación del kernel de Linux describe KVM a través de una API que se usa para crear máquinas virtuales, configurar procesadores virtuales y controlar las capacidades de la máquina virtual.

Por sí solo, KVM no ofrece un sistema de gestión gráfico completo, una plataforma de almacenamiento ni un conjunto de dispositivos virtuales. Es la base de la virtualización a nivel de kernel. El kernel de Linux se encarga de la planificación, la gestión de memoria y el acceso al procesador físico, y KVM añade la capacidad de crear entornos aislados de procesador y memoria virtuales para los sistemas invitados.

Por eso a veces se dice que KVM convierte el kernel de Linux en un hipervisor. Esa descripción es útil a grandes rasgos, aunque una máquina virtual funcional sigue necesitando un programa en espacio de usuario como QEMU para crear y gestionar el resto del equipo virtual.

¿Cómo trabajan juntos QEMU y KVM?

Cuando Proxmox arranca una máquina virtual, QEMU crea el proceso de la máquina virtual y su hardware virtual. Después, QEMU usa KVM como acelerador para que la mayoría de las instrucciones de procesador del invitado puedan ejecutarse directamente mediante las extensiones de virtualización del procesador del host. QEMU sigue siendo responsable del modelo de máquina virtual, y KVM acelera las partes de la ejecución del invitado que más cargan el procesador. Una secuencia simplificada sería así:

• Proxmox lee la configuración de la máquina virtual.
• Proxmox arranca el proceso QEMU correspondiente.
• QEMU reserva la memoria virtual y crea los dispositivos configurados.
• QEMU se conecta a la interfaz KVM de Linux.
• KVM ejecuta los procesadores virtuales del invitado usando la virtualización por hardware.
• QEMU gestiona los discos virtuales, los dispositivos de red y los eventos de gestión.

La guía de administración de Proxmox explica que, en el contexto de Proxmox, QEMU y KVM se usan a menudo como sinónimos porque las máquinas virtuales QEMU de Proxmox normalmente intentan usar el módulo KVM de Linux. Siguen siendo piezas de software separadas, pero los administradores rara vez usan una sin la otra cuando ejecutan máquinas virtuales normales en Proxmox.

¿Dónde encaja Proxmox?

Proxmox VE es la capa de gestión que hay por encima de QEMU y KVM. Integra máquinas virtuales basadas en KVM y contenedores de sistema LXC en una plataforma con interfaz web, herramientas de línea de comandos y una interfaz de programación de aplicaciones. Proxmox gestiona la configuración de las máquinas virtuales, el almacenamiento, la red, las copias de seguridad, los snapshots, los clústeres, la migración, los permisos y la alta disponibilidad.

Cuando un administrador selecciona cuatro procesadores virtuales, 16 gigabytes de memoria y un adaptador de red VirtIO en la interfaz de Proxmox, Proxmox convierte esas elecciones en la configuración que se usa para arrancar y controlar el proceso QEMU.

La herramienta de línea de comandos qm es el gestor de máquinas virtuales QEMU y KVM de Proxmox. Proxmox guarda la configuración de la máquina virtual, mientras que QEMU y KVM hacen el trabajo real de virtualización. Proxmox no sustituye a QEMU ni a KVM; los hace más fáciles de operar tanto en servidores individuales como en infraestructura en clúster.

¿Qué emula QEMU?

QEMU puede emular hardware que los sistemas operativos existentes ya entienden. Eso es útil al instalar un sistema operativo antiguo o al importar una máquina virtual que todavía no tiene controladores de virtualización optimizados.

Por ejemplo, QEMU puede presentar controladoras IDE, SATA o de red emuladas que el sistema ya conoce. El invitado puede arrancar de inmediato porque los controladores de esos dispositivos ya vienen incluidos en el sistema operativo.

El precio es el rendimiento. Emular hardware físico por software requiere procesamiento extra, porque cada interacción con un dispositivo tiene que traducirse.

Por eso Proxmox también admite dispositivos VirtIO paravirtualizados. Con VirtIO, el invitado sabe que se ejecuta en un entorno virtualizado y habla con el host mediante interfaces optimizadas en lugar de hardware totalmente emulado. Proxmox recomienda VirtIO SCSI para muchas máquinas virtuales migradas porque ofrece un acceso eficiente al disco y admite funciones como los hilos de entrada y salida.

Los invitados Windows suelen necesitar controladores VirtIO adicionales, mientras que las distribuciones Linux normalmente ya los incluyen.

¿Gestiona KVM los discos y las redes virtuales?

KVM no crea por su cuenta el disco virtual completo ni el dispositivo de red que ve el invitado. QEMU presenta la controladora virtual y la conecta a un recurso de almacenamiento o a un backend de red, y Proxmox decide dónde se guarda la imagen de disco y qué bridge o red virtual usa la interfaz.

KVM puede acelerar ciertas partes de la gestión de dispositivos mediante componentes del kernel, pero QEMU sigue siendo el monitor de máquina virtual que coordina el modelo de dispositivos.

Esta separación explica por qué un error relacionado con QEMU puede afectar a un disco, a un adaptador de red virtual o a un dispositivo PCI en passthrough, mientras que un error relacionado con KVM puede apuntar a la virtualización del procesador, a los módulos del kernel o a funciones de CPU no admitidas.

¿Reduce QEMU el rendimiento de Proxmox?

Ejecutar QEMU no significa que cada instrucción del procesador se esté emulando lentamente. Cuando la aceleración KVM está activa, las instrucciones de procesador del invitado pueden ejecutarse mediante la virtualización por hardware, y QEMU se ocupa sobre todo de la máquina virtual y del entorno de dispositivos que las rodea.

Las diferencias de rendimiento suelen venir más del hardware virtual elegido, el diseño del almacenamiento, el modelo de procesador y la carga de trabajo.

Los dispositivos de disco o de red emulados pueden generar más sobrecarga que los dispositivos VirtIO. Un procesador virtual demasiado genérico puede ocultar funciones útiles del procesador del host. Elegir el tipo de procesador host puede exponer más funciones, pero puede limitar la migración en vivo a nodos con hardware compatible.

El passthrough de dispositivos puede reducir todavía más la sobrecarga de emulación al asignar un dispositivo físico directamente al invitado. QEMU admite oficialmente la asignación directa de dispositivos cuando la plataforma del host ofrece las capacidades necesarias.

¿Puede Proxmox funcionar sin KVM?

Técnicamente, QEMU puede funcionar sin KVM usando emulación por software, pero no es así como suele funcionar Proxmox en producción.

Un servidor Proxmox debería tener la virtualización por hardware activada en su firmware. Si Intel VT x o AMD V están desactivados, no están disponibles o ya los controla otra capa de virtualización, la aceleración KVM puede fallar.

Las instalaciones de Proxmox anidadas pueden usar KVM cuando el hipervisor exterior expone extensiones de virtualización anidada. La documentación de KVM en Linux incluye soporte para la virtualización anidada de Intel, pero todo el entorno debe admitir y exponer las capacidades de procesador necesarias.

Sin aceleración KVM, el rendimiento de las máquinas virtuales puede ser muchísimo menor, así que confirmar la compatibilidad con la virtualización por hardware es uno de los primeros pasos de diagnóstico al montar un host Proxmox.

¿Qué es más importante, QEMU o KVM?

Ninguno de los dos componentes basta por sí solo para la experiencia normal de máquina virtual en Proxmox.

KVM ofrece acceso eficiente a las capacidades de virtualización del procesador. QEMU crea el hardware virtual y gestiona el proceso de la máquina virtual en espacio de usuario. Proxmox convierte esas tecnologías en una plataforma operativa con almacenamiento, red, clústeres, copias de seguridad y gestión centralizada.

Llamar a un invitado de Proxmox máquina virtual KVM pone en primer plano la capa de virtualización de Linux acelerada por hardware, mientras que llamarlo máquina virtual QEMU pone en primer plano el proceso y el modelo de hardware virtual. Las dos descripciones se refieren a la misma carga de trabajo en la práctica.

Dicho de forma sencilla, KVM acelera el procesador virtual, QEMU construye y opera el equipo virtual, y Proxmox gestiona la infraestructura que lo rodea.