了解使用 QEMU 和 Libvirt 实现 KVM 虚拟化
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了解 KVM 虚拟化以及它如何与 QEMU 和 Libvirt 协同工作以创建全面的 Linux 虚拟化平台。了解这些组件如何支持接近本机性能的虚拟机，同时为企业环境中的计算、存储和网络资源提供灵活的管理功能。
组件概述
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KVM（基于内核的虚拟机）：
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作用：KVM是一个内核模块，通过利用CPU中的硬件辅助虚拟化扩展（例如Intel VT-x或AMD-V）来提供核心虚拟化功能。
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功能：KVM 允许 Linux 内核充当 1 型虚拟机管理程序，使其能够创建和管理具有接近本机 CPU 和内存操作性能的虚拟机。
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最低层：KVM 是最低级别的组件，直接与硬件交互，为完全虚拟化提供必要的基础设施。
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QEMU（快速模拟器）：
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作用：QEMU是一个机器（硬件）模拟器，为客户系统提供其他虚拟化硬件组件，例如网络接口、磁盘控制器和显卡。
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功能：当 KVM 不可用时，QEMU 可以作为 2 型虚拟机管理程序运行，但由于它必须在软件中模拟客户 CPU，因此速度会慢得多。 QEMU 与 KVM 结合使用时，使用 KVM 加速 CPU 和内存操作，而 QEMU 处理外围设备和其他硬件设备的仿真。
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与 KVM 的交互：QEMU 通过设备文件（例如 /dev/kvm）使用 ioctl() 系统调用与 KVM 交互，以管理虚拟机进程并与 KVM 通信。
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作用：Libvirt是一个虚拟化库和API，为各种虚拟化平台提供更高级别的管理接口，包括KVM/QEMU、Xen、VMware ESXi等。
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功能：Libvirt 通过提供统一的界面和工具集简化了虚拟机的管理。它充当抽象层，允许用户和应用程序管理虚拟机，而无需直接与底层虚拟机管理程序的特定命令或 API 交互。
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主要特点：
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VM 生命周期管理：启动、停止、暂停、保存、恢复和迁移 VM。
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远程管理：通过 SSH 或其他协议控制远程主机上的虚拟机。
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存储管理：为虚拟机创建和管理存储池和卷。
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虚拟网络：配置NAT、桥接等模式的虚拟网络。
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安全性：与 SELinux 和 AppArmor 集成，以实现虚拟机的安全限制。
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热插拔：在虚拟机运行时添加或删除磁盘和网络接口等设备。
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工具：Libvirt 包括用于管理虚拟机的命令行工具（如 virsh）和图形工具（如 virt-manager）。
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它们如何协同工作：
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KVM：提供内核级虚拟化基础架构。
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QEMU：提供模拟硬件并管理VM进程。
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Libvirt：充当管理层，提供 API 和工具来控制 KVM/QEMU 和其他虚拟机管理程序。
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本质上：KVM 为虚拟化提供硬件加速，QEMU 提供模拟硬件并运行 VM，Libvirt 提供用户友好的管理界面和 API 来控制整个设置。
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Libvirt 客户端工具可用于通过驾驶舱机器从 CLI、GUI 或基于 Web 管理虚拟机或操作。要查看使用 libvirt 的应用程序列表，请查看 "此处"。
当应用程序进入 Kubernetes 环境时，请查看 Kubevirt 以在这些环境中将虚拟机作为 pod 运行。
"Ansible 模块可用于 libvirt"用于自动化目的。
集群管理
通常，虚拟化管理器或 virsh cli 工具一次管理单个主机。为了管理集群中的多个主机，通常使用更高级别的应用程序，如 oVirt、CloudStack 或 OpenStack。这些工具将协助放置虚拟机并分配负载。如果在小型集群环境中寻找某些虚拟机的高可用性，则可以使用 Pacemaker 和 Corosync 或检查您的管理堆栈选项。
计算
Libvirt 提供了一个用于管理虚拟机资源和功能的综合框架。这包括与以下相关的任务：
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虚拟机（域）管理：
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生命周期操作：Libvirt 提供了一整套用于管理虚拟机状态的操作（在 libvirt 术语中称为“域”）。这包括启动、停止、暂停、恢复、保存、还原和迁移虚拟机。
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XML 配置：虚拟机配置使用 XML 文件定义。您可以使用 virsh 或 virt-manager 等工具来创建、修改和删除这些 XML 配置。
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远程管理：您可以使用 libvirt 的远程协议管理远程主机上的虚拟机，该协议支持 SSH 等各种网络传输。
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资源分配和管理：
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CPU 管理：Libvirt 允许您配置客户机 CPU，包括指定虚拟 CPU 的数量、控制 CPU 固定（将 vCPU 与主机上的特定物理 CPU 关联）以及管理 CPU 模式（如主机直通以向客户机公开主机的 CPU 功能）。
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内存管理：您可以为虚拟机分配内存并配置内存过量使用（允许分配给虚拟机的内存总和超过主机上可用的物理内存）。
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存储管理：Libvirt 可以管理虚拟机的各种类型的存储，包括磁盘映像（格式包括 qcow2、vmdk 和 raw）、NFS 共享、LVM 卷组、iSCSI 共享和原始磁盘设备。
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主机设备管理：您可以管理物理和虚拟主机设备，如 USB、PCI、SCSI 和网络设备，包括 SR-IOV 和 NPIV 等虚拟化功能。
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虚拟网络：
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虚拟网络交换机：Libvirt 创建虚拟网络交换机（网桥）以将虚拟机相互连接并连接到主机网络。
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网络模式：它支持各种网络模式，例如 NAT、桥接、隔离和路由，以配置虚拟机与网络的交互方式。
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防火墙规则：Libvirt 自动管理防火墙规则（使用 iptables）来控制虚拟网络的网络流量。
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性能优化：
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CPU 固定：将 vCPU 固定到特定的物理 CPU 可以提高缓存效率和性能，尤其是在 NUMA 环境中。
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NUMA 调整：您可以通过将客户机大小限制为单个 NUMA 节点上的资源量并将 vCPU 和内存固定到连接到 I/O 适配器的同一物理插槽来优化 NUMA 系统的性能。
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大页面：使用大页面可以减少与管理小内存页面相关的开销，从而提高性能。
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与其他工具集成：
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virsh：与 libvirt 交互的命令行界面。
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virt-manager：用于管理虚拟机和 libvirt 资源的图形工具。
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OpenStack：Libvirt 是 OpenStack 中常用的虚拟化驱动程序。
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第三方工具：许多其他工具和应用程序利用 libvirt 的 API 来管理虚拟机，包括云管理平台和备份解决方案。
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KVM 虚拟机管理程序允许过度使用 CPU 和内存，因为通常 VM 客户端的利用率较低。但需要进行监控和平衡以获得更好的性能。
VM 元数据以 XML 形式存储在 /etc/libvirt/qemu 中。可以使用 virt-install 或 virsh cli 创建 VM。如果优先使用 UI 或使用上层管理堆栈，则可以使用 Virt-Manager。
总之，libvirt 为虚拟化的计算方面提供了一个全面的管理层，允许您控制虚拟机生命周期、分配资源、配置网络、优化性能以及与其他工具和平台集成。
存储
VM 磁盘可以在存储池上动态配置，也可以由存储管理员为 VM 预先配置。 libvirt 支持多种池类型。以下是适用的池类型以及支持的存储协议的列表。常用的选择是 dir。然后是 netfs 和 logical。iscsi 和 iscsi-direct 使用单目标，不提供容错功能。mpath 提供多路径，但不支持动态分配。它的使用方式更像是 vSphere 中的原始设备映射。对于文件协议（NFS/SMB/CIFS），可以在 "自动安装程序"或使用 fstab 和目录池类型。对于块协议（iSCSI、FC、NVMe-oF），使用 ocfs2 或 gfs2 等共享文件系统。
| 存储协议 | 目录 | 文件系统 | 净流表 | 逻辑 | 磁盘 | iscsi | iscsi直接 | mpath |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
SMB/CIFS |
是 |
否 |
是 |
否 |
否 |
否 |
否 |
否 |
NFS |
是 |
否 |
是 |
否 |
否 |
否 |
否 |
否 |
iSCSI |
是 |
是 |
否 |
是 |
是 |
是 |
是 |
是 |
FC |
是 |
是 |
否 |
是 |
是 |
否 |
否 |
是 |
NVMe-oF |
是 |
是 |
否 |
是 |
是 |
否 |
否 |
否1 |
注意： 1 - 可能需要额外的配置。
根据所使用的存储协议，主机上需要提供额外的包。这是示例列表。
| 存储协议 | Fedora | Debian | 吃豆人 |
|---|---|---|---|
SMB/CIFS |
samba 客户端/cifs-utils |
smbclient/cifs实用程序 |
smbclient/cifs实用程序 |
NFS |
nfs实用程序 |
nfs-通用 |
nfs实用程序 |
iSCSI |
iscsi 启动器实用程序、设备映射器多路径、ocfs2 工具/gfs2 实用程序 |
open-iscsi、多路径工具、ocfs2 工具/gfs2 实用程序 |
open-iscsi、多路径工具、ocfs2 工具/gfs2 实用程序 |
FC |
sysfsutils、设备映射器多路径、ocfs2 工具/gfs2 实用程序 |
sysfsutils、多路径工具、ocfs2 工具/gfs2 实用程序 |
sysfsutils、多路径工具、ocfs2 工具/gfs2 实用程序 |
NVMe-oF |
nvme-cli、ocfs2-工具/gfs2-utils |
nvme-cli、ocfs2-工具/gfs2-utils |
nvme-cli、ocfs2-工具/gfs2-utils |
存储池详细信息存储在 /etc/libvirt/storage 的 XML 文件中。
要从 vSphere 环境导入 VM 数据，请查看"Shift 工具包"。
网络
Libvirt 为管理虚拟机和容器提供了强大的虚拟网络功能。它通过虚拟网络交换机或网桥的概念实现这一点。
核心概念：* 虚拟网络交换机（网桥）：这就像主机服务器上基于软件的网络交换机。虚拟机连接到此交换机，并且流量通过它流动。 * TAP 设备：这些是特殊的网络设备，充当连接虚拟机网络接口和 libvirt 桥的“虚拟电缆”。
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网络模式：Libvirt 支持多种网络配置以满足不同的需求：
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NAT（网络地址转换）：这是默认模式。连接到NAT网络的虚拟机可以通过主机的IP地址访问外部网络，但外部主机无法直接向虚拟机发起连接。
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Bridged：此模式下虚拟网络直接与主机连接在同一个网段。这使得虚拟机看起来就像直接连接到物理网络一样。
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隔离：隔离网络上的虚拟机可以相互通信并与主机通信，但无法访问主机外部的任何内容。这对于测试或安全环境很有用。
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路由：来自虚拟网络的流量无需 NAT 即可路由到物理网络。这需要在主机网络上进行正确的路由配置。
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开放：类似于路由模式，但没有 libvirt 自动应用任何防火墙规则。这假设网络流量将由其他系统管理。
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DHCP 和 DNS：Libvirt 可以使用 dnsmasq 管理其虚拟网络的 DHCP 服务，从而允许它为虚拟机分配 IP 地址并处理虚拟网络内的 DNS 解析。
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防火墙规则：Libvirt 自动设置 iptables 规则来控制虚拟网络的流量，尤其是在 NAT 模式下。
管理 Libvirt 网络：
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virsh：virsh 命令行工具提供了一套全面的用于管理虚拟网络的命令，包括列出、启动、停止、定义和取消定义网络。
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虚拟机管理器（virt-manager）：此图形工具通过直观的用户界面简化了虚拟网络的创建和管理。
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XML 配置：Libvirt 使用 XML 文件来定义虚拟网络的配置。您可以直接编辑这些 XML 文件或使用 virsh net-edit 等工具来修改网络配置。
常见用例：
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NAT：为具有单个网络接口的主机上的虚拟机提供简单的基本连接。
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桥接：将虚拟机无缝集成到现有网络中。
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隔离：创建安全或测试环境，限制虚拟机的外部访问。
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路由：需要特定路由的更高级场景。
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Open vSwitch (OVS)：适用于需要高级网络管理和自动化的复杂、大规模部署。
通过利用这些功能，libvirt 提供了一个灵活而强大的框架来管理 Linux 环境中的虚拟机网络。
监控
NetApp Data Infrastructure Insights （以前称为Cloud Insights）是一个基于云的基础架构监控和分析平台，可为您的 IT 基础架构（包括虚拟机）提供全面的可视性。
虽然Data Infrastructure Insights以高度关注监控NetApp存储和 VMware 环境而闻名，但它也具有监控其他类型的基础设施和工作负载的能力。
您可以使用NetApp Data Infrastructure Insights监控基于 Libvirt 的虚拟机：
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数据收集器：
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Data Infrastructure Insights通过采集单元软件运行，该软件使用各种数据收集器从您的基础设施收集数据。
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Data Infrastructure Insights具有异构基础设施和工作负载的收集器，包括 Kubernetes。还有一个开放的 Telegraf 收集器和开放的 API，可轻松与其他系统集成。
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与 Libvirt 的潜在集成：
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自定义数据收集：您可以使用开放的 Telegraf 收集器或Data Infrastructure InsightsAPI 从基于 Libvirt 的系统收集数据。您需要编写或配置收集器以使用其 API 从 Libvirt 收集指标（例如，通过 virsh 命令或访问 Libvirt 的内部指标）。
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使用Data Infrastructure Insights监控 Libvirt 的好处：
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统一可视性：获得虚拟化环境的单一视图，包括NetApp存储和基于 Libvirt 的虚拟机。
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性能监控：识别性能瓶颈和资源限制，无论它们是虚拟机内部的还是与支持它们的底层基础设施相关的。
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资源优化：分析工作负载概况以调整虚拟机大小、回收未使用的资源并优化整个环境中的资源利用率。
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故障排除：通过将虚拟机性能指标与后端存储指标关联起来，实现端到端可视性，快速识别和解决问题。
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预测分析：使用机器学习获得智能洞察，并在潜在问题影响性能之前主动识别它们。
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总而言之，虽然Data Infrastructure Insights对 VMware 有强大的支持，但可以通过使用自定义数据收集器或利用其开放 API 将其与基于 Libvirt 的虚拟化集成。这将为Data Infrastructure Insights平台内的 Libvirt 环境提供统一的可见性、增强的性能监控和资源优化功能。
数据保护
可以通过多种方法使用NetApp ONTAP保护基于 Libvirt 的虚拟机的数据，通常利用 ONTAP 的内置数据保护功能。以下是常见策略的细分：
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使用 ONTAP 的原生数据保护功能：
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快照：ONTAP 的核心数据保护技术是快照。这些是数据卷的快速、时间点副本，需要的磁盘空间最少，并且性能开销可以忽略不计。您可以使用快照来创建 Libvirt VM 磁盘的频繁备份（假设它们存储在ONTAP卷上）。
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SnapMirror： SnapMirror用于将 Snapshot 副本从一个ONTAP存储系统异步复制到另一个 ONTAP 存储系统。这使您可以在远程站点或云中创建 Libvirt VM 的灾难恢复 (DR) 副本。
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SnapVault： SnapVault用于将数据从多个存储系统备份到中央ONTAP系统。这是将来自不同主机的许多 Libvirt VM 的备份整合到中央备份存储库的一个不错的选择。
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SnapRestore： SnapRestore允许您从 Snapshot 副本快速恢复数据。这对于在数据丢失或损坏时恢复 Libvirt VM 至关重要。
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FlexClone： FlexClone根据 Snapshot 副本创建卷的可写副本。这对于根据生产虚拟机数据快速创建测试/开发环境很有用。
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MetroCluster/ SnapMirror主动同步：为了实现自动零 RPO（恢复点目标）和站点到站点可用性，您可以使用ONTAP MetroCluster或 SMas，这使得能够在站点之间建立延伸集群。
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与第三方备份解决方案集成：许多第三方备份解决方案与NetApp ONTAP集成并支持备份虚拟机。您可以使用这些解决方案将 Libvirt VM 备份到ONTAP存储，利用 ONTAP 的数据保护功能。例如，一些备份解决方案使用 ONTAP 的 Snapshot 技术实现快速、无代理备份。
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脚本和自动化：您可以创建脚本来自动化创建 Libvirt VM 卷的ONTAP快照的过程。这些脚本可以利用 ONTAP 的命令行界面或 API 与存储系统进行交互。
主要考虑因素：
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存储位置：您的 Libvirt VM 磁盘映像应存储在ONTAP卷上，以利用 ONTAP 的数据保护功能。
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网络连接：确保 Libvirt 主机和ONTAP存储系统之间的网络连接。
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HBA 管理：如果使用光纤通道 (FC) 进行存储连接，请确保在 Libvirt 主机上安装了必要的 HBA 管理包。
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监控和报告：监控您的数据保护操作并确保它们成功完成。通过将 Libvirt 的功能与 ONTAP 强大的数据保护功能相结合，您可以为虚拟化环境实施全面的数据保护策略。