ハイパーバイザー

ハイパーバイザーは、仮想マシンモニター( VMM ) またはバーチャライザーとも呼ばれ、仮想マシンを作成して実行するコンピュータソフトウェア、ファームウェア、またはハードウェアの一種です。ハイパーバイザーが 1 つ以上の仮想マシンを実行するコンピュータはホストマシンと呼ばれ、各仮想マシンはゲストマシンと呼ばれます。ハイパーバイザーは、ゲストオペレーティングシステムに仮想オペレーティングシステムプラットフォームを提供し、ゲストオペレーティングシステムの実行を管理します。エミュレーターとは異なり、ゲストはほとんどの命令をネイティブハードウェア上で実行します。^[1]さまざまなオペレーティングシステムの複数のインスタンスが、仮想化されたハードウェアリソースを共有できます。たとえば、Linux、Windows、およびmacOSインスタンスをすべて単一の物理x86マシンで実行できます。これは、すべてのインスタンス (通常コンテナーと呼ばれる) が単一のカーネルを共有する必要があるオペレーティングシステムレベルの仮想化とは対照的です。ただし、同じカーネルを持つ 異なるLinux ディストリビューションなど、ゲストオペレーティングシステムはユーザー空間で異なる場合があります。

ハイパーバイザという用語は、オペレーティングシステムのカーネルの従来の用語であるスーパーバイザの変形です。ハイパーバイザはスーパーバイザのスーパーバイザであり、^[2]ハイパーはスーパーのより強い変形として使用されます。^[a]この用語は1970年頃にさかのぼります。^[3] IBMは、360/65上でOS/360と7090エミュレータを同時に実行するソフトウェアに対してこの造語を使用し、 ^[4]後にCP-67のDIAGハンドラに対して使用しました。初期のCP/CMS （1967）システムでは、代わりに制御プログラムという用語が使用されていました。

一部の文献、特にマイクロカーネルのコンテキストでは、ハイパーバイザと仮想マシンモニター(VMM)を区別しています。ここでは、両方のコンポーネントが特定のシステムの 全体的な仮想化スタックを形成します。ハイパーバイザはカーネル空間の機能を指し 、VMM はユーザー空間の機能を指します。特にこれらのコンテキストでは、ハイパーバイザは、技術的な理由からカーネル空間で実行する必要がある仮想化インフラストラクチャを実装するマイクロカーネルであり、Intel VMXなどです。仮想化メカニズムを実装するマイクロカーネルは、マイクロハイパーバイザとも呼ばれます。^{[5] [6]この用語を}Linuxに適用すると、KVM はハイパーバイザであり、QEMUまたはクラウドハイパーバイザは KVM をハイパーバイザとして利用する VMM です。^[7]

ロバート・P・ゴールドバーグは1973年の論文「仮想コンピュータシステムのアーキテクチャ原理」で、ハイパーバイザーを2つのタイプに分類しました。^[1]

タイプ1、ネイティブまたはベアメタルハイパーバイザー

これらのハイパーバイザーはホストのハードウェア上で直接実行され、ハードウェアを制御し、ゲストオペレーティングシステムを管理します。このため、ベアメタルハイパーバイザーと呼ばれることもあります。IBMが1960年代に開発した最初のハイパーバイザーはネイティブハイパーバイザーでした。^[8]これらには、テストソフトウェアSIMMONや、 IBMのVMファミリーの仮想マシンオペレーティングシステムの前身であるCP/CMSオペレーティングシステムが含まれます。タイプ1ハイパーバイザーの例には、Hyper-V、Xen、VMware ESXiなどがあります。

タイプ2またはホスト型ハイパーバイザー

これらのハイパーバイザーは、他のコンピュータ プログラムと同様に、従来のオペレーティング システム (OS) 上で実行されます。仮想マシン モニターは、VirtualBoxなどのホスト上のプロセスとして実行されます。タイプ 2 ハイパーバイザーは、ゲスト オペレーティング システムをホスト オペレーティング システムから抽象化し、ホストが操作できる分離されたシステムを効果的に作成します。タイプ 2 ハイパーバイザーの例には、VirtualBoxやVMware Workstation などがあります。

これら2つのタイプの区別は必ずしも明確ではありません。たとえば、KVMとbhyveはカーネルモジュール^[9]であり、ホストオペレーティングシステムをタイプ1ハイパーバイザーに効果的に変換するものです。^[10]

完全な仮想化を実現した最初のハイパーバイザーは、テスト ツールSIMMONと、 1967 年 1 月に実稼働が開始され、IBM CP/CMSオペレーティング システムの最初のバージョンとなった、 1 回限りのIBM CP-40研究システムでした。CP-40 は、仮想化を可能にする機能である動的アドレス変換をサポートするようにCambridge Scientific Centerで改造された S/360-40で実行されました。これより前は、コンピュータ ハードウェアは、 CTSSやIBM M44/44Xのように、複数のユーザー アプリケーションを同時に実行できる程度にしか仮想化されていませんでした。CP-40 では、ハードウェアのスーパーバイザー状態も仮想化され、複数のオペレーティング システムを別々の仮想マシンコンテキストで同時に実行できるようになりました。

プログラマーはすぐに CP-40 ( CP-67として) をIBM System/360-67に実装しました。これは完全な仮想化が可能な最初の実用コンピュータ システムです。IBM は 1966 年にこのマシンを出荷しました。このマシンには、仮想メモリ用のページ変換テーブルハードウェアや、I/O や割り込み処理を含むすべてのカーネル タスクの完全な仮想化を可能にするその他の技術が含まれていました。(「公式」オペレーティング システムである不運なTSS/360 は完全な仮想化を採用していなかったことに注意してください。) CP-40 と CP-67 はどちらも 1967 年に実用化されました。CP /CMS は1968 年から 1970 年代初頭まで、サポートなしのソース コード形式で IBM の顧客に提供されていました。

CP/CMSは、 IBMがメインフレームコンピュータ向けに堅牢なタイムシェアリングシステムを構築しようとした試みの一部でした。ハイパーバイザは複数のオペレーティングシステムを同時に実行することで、システムの堅牢性と安定性を高めました。1つのオペレーティングシステムがクラッシュしても、他のオペレーティングシステムは中断することなく動作し続けます。実際、これにより、安定したメインの生産システムを危険にさらすことなく、また高価な追加開発システムを必要とすることなく、オペレーティングシステムのベータ版や実験版、さらには新しいハードウェア^[11]を導入してデバッグすることができました。

IBM は1970 年にSystem/370シリーズを発表しましたが、仮想化に必要な仮想メモリ機能は搭載されていませんでした。しかし、1972 年 8 月の拡張機能発表でこの機能を追加しました。仮想化は後継システムのすべてに搭載されており、 zSeries製品ラインを含むすべての現代の IBM メインフレームは、1960 年代の IBM S/360 製品ラインとの下位互換性を維持しています。1972 年の発表には、 S/370 用のCP/CMSの再実装であるVM/370も含まれていました。CP /CMSとは異なり、IBM はこのバージョンに対するサポートを提供しました (ただし、いくつかのリリースではソース コード形式で配布されていました)。VMはVirtual Machine (仮想マシン)の略で、ハードウェア インターフェイスの一部ではなくすべてが仮想化されていることを強調しています。VM と CP/CMS はどちらも、IBM 社内だけでなく、大学、企業ユーザー、タイム シェアリングベンダーによって早期に受け入れられ、急速に開発が進みました。ユーザーは、現代のオープン ソースプロジェクトの傾向を予測して、進行中の開発に積極的な役割を果たしました。しかし、一連の論争と激しい戦い^[要出典]で、タイムシェアリングはIBM の政治的内紛によりバッチ処理に負け、 VM は数十年にわたって IBM の「もう 1 つの」メインフレーム オペレーティング システムのままとなり、 MVSに敗れました。2000 年からはz/VM製品として人気と支持が復活し、たとえばIBM Z 上の Linuxのプラットフォームとして利用されました。

前述のように、VM 制御プログラムには、仮想マシン内で使用される DIAG (「診断」、オペコード x'83') 命令をインターセプトするハイパーバイザ コールハンドラが含まれています。これにより、ファイル システム アクセスやその他の操作を高速に非仮想化で実行できます (DIAG はモデル依存の特権命令であり、通常のプログラミングでは使用されないため、仮想化されません。したがって、「ホスト」オペレーティング システムへの信号として使用できます)。CP /CMSリリース 3.1 で最初に実装されたとき、この DIAG の使用により、 System/360 スーパーバイザ コール命令(SVC)に類似したオペレーティング システム インターフェイスが提供されましたが、システムの SVC 仮想化を変更または拡張する必要はありませんでした。

1985 年に IBM は論理パーティション(LPAR) を管理するためのPR/SMハイパーバイザーを導入しました。

2005年頃、 Unix、Linux、その他のUnix系オペレーティングシステムにおける仮想化技術の使用が再び増加した要因としては、次のようなものがある。 ^[12]

• ハードウェアの機能を拡張し、各マシンで同時により多くの作業を実行できるようにする
• サーバーの統合によるコスト抑制と管理の簡素化の取り組み
• サーバーファームやレンダリングファームなどの大規模なマルチプロセッサおよびクラスタのインストールを制御する必要性
• ハイパーバイザーアーキテクチャにより、セキュリティ、信頼性、デバイス独立性が向上します。
• 複雑なOS依存アプリケーションを異なるハードウェアまたはOS環境で実行する機能
• リソースをオーバープロビジョニングし、より多くのアプリケーションをホストに搭載する機能

HP、IBM、SGI、Sun Microsystemsなどの主要な Unix ベンダーは、2000 年以前から仮想化ハードウェアを販売してきました。これらは一般に大規模で高価なシステム (ハイエンドでは数百万ドルの範囲) でしたが、IBM pSeriesサーバー、HP Superdomeシリーズ マシン、Sun / Oracle T シリーズ CoolThreads サーバーなど、一部の低価格および中価格帯のシステムでも仮想化が利用可能でした。

Solaris はこれまでずっと Sun/Oracle のLogical Domainsハイパーバイザーで公式にサポートされている唯一のゲスト ドメイン OS でしたが、2006 年後半の時点で^{[アップデート]}、Linux (Ubuntu と Gentoo) とFreeBSD がハイパーバイザー上で実行できるように移植されました (完全に仮想化された独立したゲスト OS として、すべて同じプロセッサ上で同時に実行できます)。Wind River の「Carrier Grade Linux」も Sun のハイパーバイザーで動作します。^[13] SPARCプロセッサでの完全な仮想化は簡単であることが証明されました。1980 年代半ばの創業以来、Sun は意図的に SPARC アーキテクチャを仮想化を妨げるアーティファクトからクリーンに保ちました。(以下の x86 プロセッサでの仮想化と比較してください。) ^[14]

HPE は、Itanium搭載 Integrity システムで複数のオペレーティング システムをホストするためのHP Integrity Virtual Machines (Integrity VM) を提供しています。Itanium はHP-UX、Linux、Windows、OpenVMSを実行でき、これらの環境は HP の Integrity VM プラットフォーム上の仮想サーバーとしてもサポートされています。HP-UX オペレーティング システムは、HP-UX の多くの重要な機能を利用できる Integrity VM ハイパーバイザー レイヤーをホストします。これにより、プロセッサ ホットスワップ、メモリ ホットスワップ、システム再起動なしの動的カーネル更新など、このプラットフォームと他のコモディティ プラットフォームとの大きな差別化が実現します。Integrity VM ハイパーバイザーは HP-UX を大いに活用していますが、実際には、ゲストの実行中にベアメタル上で実行されるハイブリッドです。Integrity VM ホストで通常の HP-UX アプリケーションを実行することは強く推奨されません。^{[誰が推奨したのですか? ]} Integrity VM は、仮想マシン用に調整された独自のメモリ管理、スケジュール、および I/O ポリシーを実装しているため、通常のアプリケーションにはそれほど効果的ではありません。 HPE は、VPAR とnParテクノロジによって、Integrity および HP9000 システムのより厳格なパーティショニングも提供しています。前者は共​​有リソース パーティショニングを提供し、後者は完全な I/O と処理の分離を提供します。仮想サーバー環境 (VSE) の柔軟性により、新しい展開ではより頻繁に使用されるようになりました。^{[引用が必要]}

IBM は、System/390、zSeries、pSeries、およびIBM AS/400システムで、論理パーティショニング(LPAR)と呼ばれる仮想パーティション テクノロジを提供しています。IBM の Power Systems の場合、POWER Hypervisor (PHYP) はファームウェア内のネイティブ (ベアメタル) ハイパーバイザであり、LPAR 間の分離を提供します。プロセッサ容量は、専用方式または使用されていない容量を収集してビジーなワークロードに再割り当てできる権利ベースで LPAR に提供されます。LPAR のグループは、そのプロセッサ容量を「プール」内にあるかのように管理できます。IBM はこの機能を Multiple Shared-Processor Pools (MSPP) と呼び、POWER6プロセッサを搭載したサーバーに実装しています。LPAR および MSPP 容量の割り当ては動的に変更できます。メモリは各 LPAR に割り当てられ (LPAR の開始時または動的に)、POWER Hypervisor によってアドレス制御されます。オペレーティング システム ( AIX、Linux、IBM i )によるリアル モード アドレッシングのために、 Powerプロセッサー ( POWER4以降) は、ハードウェア アドレス オフセットを OS アドレス オフセットで評価して物理メモリ アドレスに到達する仮想化機能を設計しました。入出力 (I/O) アダプターは、LPAR によって排他的に「所有」することも、Virtual I/O Server (VIOS) と呼ばれるアプライアンス パーティションを介して LPAR によって共有することもできます。Power Hypervisor は、多くのパーツ (モデルによって異なる: プロセッサー、メモリ、I/O アダプター、ブロワー、電源ユニット、ディスク、システム コントローラーなど) のホット アド/交換を容易にすることで、高いレベルの信頼性、可用性、保守性 (RAS) を提供します。

同様の傾向は x86/x86-64 サーバー プラットフォームでも見られ、Xenなどのオープン ソースプロジェクトが仮想化の取り組みをリードしてきました。これには、Linux および Solaris カーネルとカスタム カーネル上に構築されたハイパーバイザーが含まれます。これらのテクノロジは大規模システムからデスクトップにまで及ぶため、次のセクションで説明します。

x86仮想化は1990年代に導入され、そのエミュレーションはBochsに組み込まれました。^{[15] IntelとAMDは、2005年に}Intel VT-x（コード名Vanderpool）とAMD-V（コード名Pacifica） で、ハードウェア仮想化を備えた最初のx86プロセッサをリリースしました。

代替アプローチでは、ハイパーバイザがシミュレートするマシン I/O 命令を実行するのではなく、ゲスト オペレーティング システムを変更して、基礎となるハイパーバイザへのシステム コールを行う必要があります。これは、 Xenでは準仮想化、 Parallels Workstationでは「ハイパーコール」 、IBM VMでは「診断コード」と呼ばれます。MachやL4などの一部のマイクロカーネルは、ゲスト オペレーティング システムの準仮想化を可能にするほど柔軟です。

組み込みシステムや特定のリアルタイムオペレーティングシステム(RTOS) 環境をターゲットとする組み込みハイパーバイザーは、デスクトップやエンタープライズシステムと比較して、堅牢性、セキュリティ、リアルタイム機能など、さまざまな要件を考慮して設計されています。多くの組み込みシステム、特にバッテリー駆動のモバイルシステムは、リソースが制限されているため、さらに小さなメモリサイズと低いオーバーヘッドが求められます。最後に、PC の世界で x86 アーキテクチャが広く普及しているのとは対照的に、組み込みの世界ではさまざまなアーキテクチャが使用され、環境は標準化されていません。仮想化をサポートするには、メモリ保護(メモリ管理ユニットまたは少なくともメモリ保護ユニットの形式) とユーザーモードと特権モードの区別が必要であり、ほとんどのマイクロコントローラは除外されます。これにより、中～高級組み込みシステムで広く導入されているアーキテクチャとしては、x86、MIPS、ARM、PowerPC が依然として残っています。 ^[16]

組み込みシステムのメーカーは通常、オペレーティング システムのソース コードを持っているため、この分野では完全な仮想化の必要性は低くなります。代わりに、準仮想化のパフォーマンス上の利点により、準仮想化が仮想化テクノロジとして選択されることがよくあります。ただし、ARM と MIPS は最近、完全な仮想化サポートを IP オプションとして追加し、 ARM Cortex-A15 MPCoreや ARMv8 EL2などの最新のハイエンド プロセッサとアーキテクチャ バージョンに組み込んでいます。

サーバー/デスクトップと組み込み環境の仮想化のその他の違いとしては、仮想マシン間でのリソースの効率的な共有、高帯域幅、低遅延のVM間通信、スケジューリングと電源管理のグローバルビュー、情報フローのきめ細かい制御などの要件が含まれます。^[17]

ハイパージャッキングと呼ばれる、ハイパーバイザー技術を使用してオペレーティングシステムの下にハイパーバイザーとしてインストールされるマルウェアやルートキットは、マルウェア対策ソフトウェアが必ずしも検出しなくてもオペレーティングシステムのあらゆる操作（パスワード入力など）を傍受できるため、検出が困難になる可能性があります（マルウェアはオペレーティングシステム全体の下で実行されるため）。この概念は、SubVirtラボラトリールートキット（Microsoftとミシガン大学の研究者が共同で開発^[18]）やBlue Pillマルウェアパッケージで実装されたと言われています。しかし、このような主張は、ハイパーバイザーベースのルートキットの存在を検出できると主張する人々によって異議を唱えられています。^[19]

2009年、マイクロソフトとノースカロライナ州立大学の研究者は、カーネルモードルートキットに対する一般的な保護を提供できるHooksafeと呼ばれるハイパーバイザー層のアンチルートキットを実証しました。^[20]

• 仮想メモリ
• プラットフォーム仮想化ソフトウェアの比較

ウィキメディア・コモンズには、ハイパーバイザに関連するメディアがあります。

• ハイパーバイザーと仮想マシン: x86 アーキテクチャの実装に関する洞察
• ハイパーバイザーのパフォーマンス比較、VMware