ハードウェア仮想化

ハードウェア仮想化とは、コンピュータを完全なハードウェアプラットフォームとして、またはそのコンポーネントの特定の論理抽象化として、またはさまざまなオペレーティングシステムを実行するために必要な機能のみとして仮想化することです。仮想化はホストアーキテクチャのハードウェア環境をエミュレートし、複数の OS を変更せずに独立して実行できるようにします。当初、仮想化を制御するソフトウェアは「制御プログラム」と呼ばれていましたが、時間の経過とともに「ハイパーバイザー」または「仮想マシンモニター」という用語が好まれるようになりました。^[1]

コンセプト

「仮想化」という用語は、1960年代に仮想マシン（「疑似マシン」と呼ばれることもある）を指すために造られたもので、この用語自体は実験的なIBM M44/44Xシステムに由来しています。^[1]仮想マシンの作成と管理は、最近では「プラットフォーム仮想化」または「サーバー仮想化」とも呼ばれています。^[2]^[3]

プラットフォーム仮想化は、ホストソフトウェア（制御プログラム）によって特定のハードウェアプラットフォーム上で実行され、ゲストソフトウェア用にシミュレートされたコンピュータ環境、仮想マシン（VM）を作成します。ゲストソフトウェアはユーザーアプリケーションに限定されません。多くのホストでは、完全なオペレーティングシステムの実行が可能です。ゲストソフトウェアは、いくつかの注意点を除けば、物理ハードウェア上で直接実行されているかのように実行されます。物理システムリソース（ネットワークアクセス、ディスプレイ、キーボード、ディスクストレージなど）へのアクセスは、通常、ホストプロセッサやシステムメモリよりも制限されたレベルで管理されます。ゲストは、仮想化ホストによって実装されたハードウェアアクセスポリシーに応じて、特定の周辺機器へのアクセスが制限されることが多く、デバイスのネイティブ機能のサブセットに制限されることもあります。^[4]^{: 5,13}

仮想化では、ハイパーバイザーを実行するために必要なリソースと、物理マシン上でネイティブに実行する場合に比べて仮想マシンのパフォーマンスが低下するという、パフォーマンスの低下がしばしば発生します。^[4]^{: 35,67-68}

仮想化の理由

サーバー統合の場合、多数の小さな物理サーバーを 1 台の大型物理サーバーに置き換えることで、CPU やハードドライブなどの (高価な) ハードウェアリソースの必要性を減らすことができます。仮想環境ではハードウェアは統合されますが、通常 OS は統合されません。代わりに、物理サーバーで実行されている各 OS は、仮想マシン内で実行される個別の OS に変換されます。これにより、大型サーバーは多数のそのような「ゲスト」仮想マシンを「ホスト」できます。これは、物理から仮想(P2V) への変換として知られています。2000 年代初頭のサーバーの平均使用率は 5 ～ 15% でしたが、仮想化の採用により、この数値は増加し始め、必要なサーバーの数が減りました。^[5]
サーバーの統合は、機器のメンテナンスに関連する機器や人件費の削減に加え、エネルギー消費量と環境生態学的な技術分野における世界的なフットプリントの削減という追加の利点ももたらします。たとえば、一般的なサーバーは425 Wで稼働し^[6]、VMwareはハードウェア削減率が最大15:1になると見積もっています。^[7]
仮想マシン（VM）は、物理マシンよりもリモートサイトから簡単に制御および検査でき、VMの構成はより柔軟です。これは、カーネル開発や、最新のハードウェアをサポートしていないレガシーオペレーティングシステムの実行を含むオペレーティングシステムコースの指導に非常に役立ちます。^[8]
事前にハードウェアを購入する必要なく、必要に応じて新しい仮想マシンをプロビジョニングできます。
仮想マシンは、必要に応じて物理マシン間で簡単に移動できます。たとえば、顧客を訪問する営業担当者は、物理コンピュータを移動することなく、デモソフトウェアを含む仮想マシンをラップトップにコピーできます。同様に、仮想マシン内のエラーはホストシステムに悪影響を与えないため、ラップトップで OS がクラッシュするリスクはありません。
このように簡単に再配置できるため、仮想マシンは、改修されたエネルギー源や故障したエネルギー源の影響を心配することなく、災害復旧シナリオですぐに使用できます。

ただし、複数の VM が同じ物理ホスト上で同時に実行されている場合、各 VM のパフォーマンスは、他の VM によってシステムに課せられるワークロードに大きく依存して、変動し不安定になる可能性があります。この問題は、仮想マシン間の時間的な分離のための適切なインストール手法によって解決できます。

プラットフォーム仮想化にはいくつかのアプローチがあります。

仮想化の使用例:

ホスト OS でサポートされていない 1 つ以上のアプリケーションを実行する: 必要なゲスト OS を実行している仮想マシンでは、ホスト OS を変更せずに、必要なアプリケーションを実行できます。
代替オペレーティングシステムの評価: ホスト OS を変更することなく、新しい OS を VM 内で実行できます。
サーバー仮想化: 物理サーバーのハードウェアリソースをより有効に活用するために、単一の物理サーバー上で複数の仮想サーバーを実行できます。
特定の環境の複製: 使用する仮想化ソフトウェアに応じて、仮想マシンを複製して複数のホストにインストールしたり、以前にバックアップしたシステム状態に復元したりできます。
保護された環境の作成:マルウェアの調査や不正な動作をするソフトウェアのインストール時などに、VM 上で実行されているゲスト OS が修復に費用対効果の低い方法で損傷した場合、ホストシステムに害を与えることなく VM を破棄し、ゲストを再起動してクリーンなコピーを使用できます。

完全仮想化

完全仮想化では、仮想マシンは、同じ命令セット用に設計された変更されていない「ゲスト」OS を分離して実行できるように十分なハードウェアをシミュレートします。このアプローチは、 VMファミリの前身であるIBM CP-40およびCP-67で 1966 年に初めて導入されました。

準仮想化

準仮想化では、仮想マシンは必ずしもハードウェアをシミュレートするわけではありませんが、その代わりに（またはそれに加えて）「ゲスト」OS を変更することによってのみ使用できる特別な API を提供します^{[明確化が必要]}。これを可能にするには、「ゲスト」OS のソースコードが利用可能である必要があります。ソースコードが利用可能であれば、機密命令を VMM API の呼び出しに置き換え (例: 「cli」を「vm_handle_cli()」に置き換え)、OS を再コンパイルして新しいバイナリを使用するだけで十分です。ハイパーバイザーへのこのシステムコールは、 TRANGOおよびXenでは「ハイパーコール」と呼ばれています。これは、 VM ^[^{明確化が必要}^]のIBM CMSの DIAG (「診断」) ハードウェア命令によって実装されます(これがハイパーバイザーという用語の由来です)。

ハードウェア支援による仮想化

ハードウェア支援による仮想化では、ハードウェアが仮想マシンモニターの構築を容易にし、ゲストOSを独立して実行できるようにするアーキテクチャサポートを提供します。^[9]これは、完全仮想化または準仮想化のいずれかを支援するために使用できます。ハードウェア支援による仮想化は、1980年にIBM 308XプロセッサでStart Interpretive Execution（SIE）命令とともに初めて導入されました。^[10]

2005 年と 2006 年に、IntelとAMD は、自社のプラットフォーム上で実行される仮想化をサポートする追加のハードウェアを開発しました。Sun Microsystems (現在のOracle Corporation ) は、2005 年にUltraSPARC T シリーズプロセッサに同様の機能を追加しました。

2006年には、第一世代の32ビットおよび64ビットx86ハードウェアサポートは、ソフトウェア仮想化に比べてパフォーマンス上の利点をほとんど提供しないことが判明しました。^[11]

オペレーティングシステムレベルの仮想化

オペレーティングシステムレベルの仮想化では、物理サーバーがオペレーティングシステムレベルで仮想化され、複数の分離された安全な仮想サーバーを 1 台の物理サーバー上で実行できるようになります。「ゲスト」オペレーティングシステム環境は、ホストシステムと同じオペレーティングシステムの実行インスタンスを共有します。したがって、同じオペレーティングシステムカーネルが「ゲスト」環境の実装にも使用され、特定の「ゲスト」環境で実行されるアプリケーションは、その環境をスタンドアロンシステムとして認識します。