Belajar KVM & QEMU - Nested Virtualization & Performance

#Pendahuluan

VM yang "jalan" belum tentu VM yang kencang. Episode 19 menutup sisi performa dan membuka fitur yang paling banyak diminta praktisi: nested virtualization (KVM di dalam VM — untuk CI/CD dan testing) serta teknik tuning performa kelas produksi — CPU pinning, hugepages, KSM, dan timing presisi.

Pola pikir penting: virtualisasi modern sudah cepat secara default, tetapi default itu dirancang untuk kompatibilitas, bukan kecepatan maksimum. Empat teknik di episode ini adalah perbedaan antara "cukup jalan" dan "mendekati bare-metal".

#Nested Virtualization

Nested virtualization berarti menjalankan hypervisor di dalam VM — KVM di dalam KVM. Aktifkan di host lewat modul:

Aktifkan nested virtualization (Intel)

echo 'options kvm_intel nested=1' | sudo tee /etc/modprobe.d/kvm_intel.conf

Aktifkan nested virtualization (AMD)

echo 'options kvm_amd nested=1' | sudo tee /etc/modprobe.d/kvm_amd.conf

Muat ulang modul atau reboot, lalu verifikasi:

Verifikasi nested

cat /sys/module/kvm_intel/parameters/nested   # Y / 1

#KVM di Dalam VM

Setelah VM level-1 diberi flag vmx/svm (lewat -cpu host atau -cpu host,migratable=no), di dalam guest:

Di dalam VM (level-1): cek /dev/kvm

grep -E "vmx|svm" /proc/cpuinfo
ls -l /dev/kvm

Jika ada, guest bisa menjalankan KVM sendiri. Di libvirt, ekspos CPU host:

Expose CPU host (libvirt)

<cpu mode='host-passthrough' check='none'>
  <feature policy='require' name='vmx'/>
</cpu>

Tip

Gunakan mode='host-passthrough' saat nested atau akurasi performa lebih penting daripada kompatibilitas migrasi. Untuk VM yang harus bisa live migrate (episode 15), pakai host-model dengan feature set yang terkontrol.

Use case nyata nested: CI runners yang butuh hypervisor sendiri untuk tes (misal GitLab runner menjalankan VM), laboratorium KVM, dan uji coba Proxmox di dalam VM.

#CPU Pinning

Secara default, vCPU thread bisa melompat antar core fisik — scheduler mengatur sendiri. Pinning mengunci tiap vCPU ke core spesifik, menjaga cache CPU dan NUMA tetap hangat.

#Dengan taskset (uji cepat)

Pin vCPU ke core 0-3

sudo taskset -p -c 0-3 $(pgrep -f qemu-system)

#Dengan virsh vcpupin (persisten per VM)

Pin vCPU 0 ke core 0, vCPU 1 ke core 1

virsh vcpupin web1 0 0
virsh vcpupin web1 1 1
virsh vcpupin web1 --list

Di XML, ini tersimpan sebagai <vcpupin>:

VCPU pinning (libvirt)

<cputune>
  <vcpupin vcpu='0' cpuset='0'/>
  <vcpupin vcpu='1' cpuset='1'/>
</cputune>

Hindari mem-pin vCPU dan thread host ke core yang sama (overcommit core) — dua vCPU berebut satu core fisik justru lebih lambat.

#Hugepages

Halaman memory Linux default 4K berarti banyak TLB miss untuk VM yang memakai banyak RAM. Hugepages (2M/1G) memotong jumlah entry TLB — I/O dan akses memori lebih cepat.

Alokasi hugepages 2M (contoh 4G)

echo 2048 | sudo tee /proc/sys/vm/nr_hugepages

Agar persisten, set di /etc/sysctl.d/:

Aktifkan di QEMU:

VM dengan hugepages

qemu-system-x86_64 -m 4096 -mem-path /dev/hugepages -mem-prealloc ...

Di libvirt, set memoryBacking:

Memory backing hugepages (libvirt)

<memoryBacking>
  <hugepages/>
</memoryBacking>

-mem-prealloc mengalokasikan halaman di awal agar tidak ada stall saat VM akses memori pertama kali.

#KSM: Memory Dedup

KSM (Kernel Samepage Merging) menggabungkan halaman identik antar VM — efektif untuk banyak VM yang menjalankan OS/setting sama (lab, hosting). Aktifkan:

Aktifkan KSM

echo 1 | sudo tee /sys/kernel/mm/ksm/run

Monitor efektivitas:

Statistik KSM

grep -E "pages_shared|pages_sharing" /sys/kernel/mm/ksm/pages_sharing

KSM menghemat RAM, tetapi ada biaya CPU untuk scanning — dan memperkenalkan side-channel timing (teori keamanan). Untuk workload yang memprioritaskan keamanan atau single-VM besar, matikan KSM. Untuk farm VM seragam, aktifkan.

#Timing Presisi: -cpu host,invtsc

TSC (Time Stamp Counter) guest yang berubah-ubah saat migrasi/CPUFreq membuat aplikasi time-sensitive (dan beberapa game/DRM) kacau. invtsc membuat TSC invariant dan mengeksposnya ke guest:

VM dengan TSC invariant

qemu-system-x86_64 -cpu host,invtsc ...

Di libvirt, lewat <feature> atau flag host-passthrough yang sudah mencakupnya pada kebanyakan CPU modern. Perhatian: invtsc menempelkan VM ke karakteristik clock host — membatasi migrasi antar CPU berbeda.

#Common Pitfalls

Nested tanpa flag vmx: guest tidak melihat /dev/kvm karena CPU virtual tidak mengekspos vmx — gunakan host-passthrough.
Pinning tanpa NUMA awareness: pin vCPU ke core di socket yang sama dengan memori VM-nya.
Hugepages tanpa -mem-prealloc: alokasi lambat saat runtime — crash risk di high load.
KSM di lingkungan multi-tenant tidak tepercaya: pertimbangkan risiko side-channel sebelum mengaktifkan.
invtsc + migrasi: TSC invariant terkunci ke host — jangan campur dengan migrasi lintas CPU.

#Penutup

Pada episode 19 ini, kalian telah menambal dua aspek terakhir performa.

Inti yang harus dibawa pulang:

Nested virtualization: nested=1 di kvm_intel/kvm_amd + host-passthrough di guest — untuk CI/testing.
CPU pinning: virsh vcpupin (persisten via <vcpupin>) mengurangi jitter scheduler.
Hugepages (2M/1G) memangkas TLB miss; kombinasikan dengan -mem-prealloc.
KSM menduplikasi halaman antar VM — hemat RAM, sadar biaya CPU & sisi keamanan.
-cpu host,invtsc untuk timing presisi; sadari batasannya terhadap migrasi.

Di episode 20 selanjutnya, kita akan membahas QEMU 11.1 & fitur terbaru — apa saja yang berubah di rilis 2026, perbaikan UEFI dan virtio-gpu, kebijakan versioning time-based, stable branches, dan kebijakan deprecation dua rilis. Sampai jumpa di episode 20!