仮想化

コンピューティングにおいて、仮想化（v12n）とは、物理的なコンピューティングリソースを一連の仮想マシン、オペレーティングシステム、プロセス、またはコンテナに分割することを可能にする一連のテクノロジーです。^[1]

仮想化は1960年代にIBM CP/CMSから始まりました。^[1]制御プログラムCPは、各ユーザーにシミュレートされたスタンドアロンのSystem/360コンピューターを提供しました。

ハードウェア仮想化では、ホストマシンは仮想化によって使用されるマシンであり、ゲストマシンは仮想マシンです。ホストとゲストという用語は、物理マシンで実行されるソフトウェアと仮想マシンで実行されるソフトウェアを区別するために使用されます。ホストハードウェア上に仮想マシンを作成するソフトウェアまたはファームウェアは、ハイパーバイザーまたは仮想マシンモニターと呼ばれます。^{[2]ハードウェア仮想化は、}ハードウェアエミュレーションと同じではありません。ハードウェア支援仮想化により、仮想マシンモニターの構築が容易になり、ゲストOSを分離して実行できるようになります。

デスクトップ仮想化は、論理デスクトップを物理マシンから 分離するという概念です。

オペレーティング システム レベルの仮想化 (コンテナ化とも呼ばれます)とは、カーネルが複数の分離されたユーザー空間インスタンス の存在を許可するオペレーティング システム機能を指します。

仮想化の通常の目標は、スケーラビリティと全体的なハードウェア リソースの使用率を向上させながら、管理タスクを集中化することです。

仮想化の形態は、1967 年に IBM のCP-40研究システムで初めて実証され、その後1967 年から 1972 年にかけて CP/CMS でオープン ソース経由で配布され、1972 年から現在まで IBM のVM ファミリーで再実装されています。各 CP/CMS ユーザーには、シミュレートされたスタンドアロン コンピュータが提供されました。このような各仮想マシンは、基盤となるマシンの完全な機能を備えており、(ユーザーにとっては) 仮想マシンはプライベート システムと区別がつきませんでした。このシミュレーションは包括的で、ハードウェアの「Principles of Operation 」マニュアルに基づいていました。したがって、命令セット、メイン メモリ、割り込み、例外、デバイス アクセスなどの要素が含まれていました。その結果、多数のユーザー間で 多重化できる単一のマシンが実現しました。

ハードウェア支援による仮想化は、1972 年にIBM System/370で初めて登場し、最初の仮想マシン オペレーティング システムであるVM/370で使用されました。IBM は 1972 年に System/370 シリーズに仮想メモリ ハードウェアを追加しましたが、これは Intel VT-x リングとは異なり、スーパーバイザおよびプログラム モードまたはユーザー モードへの完全なアクセスを必要とする仮想マシンを適切に制御するためにハイパーバイザに高い権限レベルを提供します。

高解像度のコンピュータグラフィックス（CADなど）の需要が高まるにつれ、メインフレームの仮想化は1970年代後半に注目を集めなくなり、当時登場したミニコンピュータが分散コンピューティングによるリソース割り当てを促進し、マイクロコンピュータのコモディティ化をもたらした。

x86 サーバーあたりの計算能力の増加 (特に、現代のネットワーク帯域幅の大幅な増加) により、仮想化技術に基づくデータ センター ベースのコンピューティングへの関心が再燃しました。主な推進力は、サーバー統合の可能性でした。仮想化により、1 台のサーバーで、十分に活用されていない複数の専用サーバーの計算能力をコスト効率よく統合できるようになりました。コンピューティングの原点への回帰の最も顕著な特徴は、クラウド コンピューティングです。これは、高帯域幅ネットワークを介したデータ センター ベースのコンピューティング (またはメインフレームのようなコンピューティング) の同義語です。これは、仮想化と密接に関連しています。

初期実装の x86 アーキテクチャは、「従来の仮想化」を実現するための Popek と Goldberg の仮想化要件を満たしていませんでした。

• 同等性:仮想マシンモニター(VMM)で実行されるプログラムは、同等のマシンで直接実行された場合と本質的に同一の動作を示す必要があります。
• リソース制御（安全性とも呼ばれる）: VMMは仮想化されたリソースを完全に制御する必要がある
• 効率: 統計的に優勢な機械命令の部分は VMM の介入なしに実行されなければならない

このため、このタイプのプロセッサに仮想マシン モニタを実装することは困難でした。具体的な制限としては、一部の特権命令をトラップできないことなどが挙げられます。[3] そのため、これらのアーキテクチャ上の制限を補うために、設計者は完全仮想化と準仮想化という 2 つの方法で x86 アーキテクチャの仮想化を実現しました。 [ 4 ]^どちらも物理ハードウェア^があるような錯覚を作り出して、オペレーティング システムをハードウェアから独立させるという目標を達成しますが、パフォーマンスと複雑さの点でトレードオフがあります。

2005 年より前は、x86 プラットフォームでは完全な仮想化が完全には利用できませんでした。x86 プラットフォーム用の多くのプラットフォーム ハイパーバイザーは、これに非常に近づいており、完全な仮想化を主張していました ( Adeos、Mac-on-Linux、Parallels Desktop for Mac、Parallels Workstation、VMware Workstation、VMware Server (旧 GSX Server)、VirtualBox、Win4BSD、Win4Lin Proなど)。

2005年と 2006 年に、IntelとAMD (それぞれ独立して)は、それぞれ Intel VT-x と AMD-V と呼ばれるx86 アーキテクチャの新しいプロセッサ拡張機能を作成しました。Itaniumアーキテクチャでは、ハードウェア支援による仮想化は VT-i として知られています。これらの拡張機能をサポートする最初の世代の x86 プロセッサは、2005 年後半から 2006 年初頭にかけてリリースされました。

• 2005 年 11 月 13 日、Intel は VT-x をサポートする最初の Intel プロセッサとして、Pentium 4 の 2 つのモデル (モデル 662 と 672) をリリースしました。
• 2006 年 5 月 23 日、AMD はこのテクノロジをサポートする最初のAMDプロセッサとして、Athlon 64 (「Orleans」)、Athlon 64 X2 (「Windsor」)、および Athlon 64 FX (「Windsor」) をリリースしました。

ハードウェア仮想化（またはプラットフォーム仮想化）は、1台以上の仮想マシンにコンピューティングリソースをプールします。仮想マシンは、オペレーティングシステムを備えた（物理）コンピュータの機能を実装します。ホストハードウェア上に仮想マシンを作成するソフトウェアまたはファームウェアは、ハイパーバイザまたは仮想マシンモニターと呼ばれます。^[2]

これらの仮想マシン上で実行されるソフトウェアは、基盤となるハードウェアリソースから分離されています。たとえば、 Arch Linuxを実行しているコンピュータは、Microsoft Windowsオペレーティングシステムを搭載したコンピュータのように見える仮想マシンをホストしている場合があります。Windowsベースのソフトウェアは、仮想マシン上で実行できます。^{[5] [6]}

ハードウェア仮想化には次のような種類があります。

• 完全仮想化- 実際のハードウェアをほぼ完全に仮想化して、ゲスト オペレーティング システムとそのアプリを含むソフトウェア環境を変更せずに実行できるようにします。
• 準仮想化– ゲスト アプリは、別のシステムで実行されているかのように、独自の分離されたドメインで実行されますが、ハードウェア環境はシミュレートされません。ゲスト プログラムは、この環境で実行するために特別に変更する必要があります。
• ハイブリッド仮想化- ほとんどは完全な仮想化ですが、準仮想化ドライバーを利用して仮想マシンのパフォーマンスを向上させます。

完全仮想化では、物理コンピュータ リソースを 1 つ以上のインスタンスにプールする技術を採用します。各インスタンスは仮想環境を実行し、生のハードウェアで実行可能なソフトウェアまたはオペレーティング システムを仮想マシンで実行できます。通常、(a) バイナリ変換と (b) ハードウェア支援による完全仮想化の 2 つの一般的な完全仮想化技術が使用されます。^[1]バイナリ変換では、ソフトウェアがオンザフライで自動的に変更され、「仮想マシンを貫通する」命令が、仮想マシンで安全な別の命令シーケンスに置き換えられます。^[7]ハードウェア支援による仮想化では、(ゲスト) オペレーティング システムを実質的に変更することなく、ゲスト オペレーティング システムを分離して実行できます。

完全仮想化では、ハードウェアのすべての主要な機能が複数の仮想マシンの 1 つに反映される必要があります。これには、完全な命令セット、入出力操作、割り込み、メモリ アクセス、およびベア マシン上で実行され、仮想マシンで実行される ソフトウェアによって使用されるその他の要素が含まれます。

このアプローチは、 VMファミリーの前身であるIBM CP-40およびCP-67で 1966 年に初めて導入されました。

バイナリ変換では、命令はエミュレートされたハードウェアアーキテクチャに合わせて変換されます。^[1]ハードウェアが別のハードウェアを模倣しますが、ハードウェア支援仮想化では、ハイパーバイザ（ソフトウェア）が特定のコンピュータハードウェアまたはコンピュータ全体を模倣します。さらに、ハイパーバイザはエミュレータと同じではありません。どちらもハードウェアを模倣するコンピュータプログラムですが、言語での使用ドメインが異なります。^[8]

ハードウェア支援による仮想化(または高速仮想化。Xen ではハードウェア仮想マシン (HVM)、Virtual Ironではネイティブ仮想化と呼びます)は、ホスト プロセッサの支援を利用してハードウェア仮想化の全体的な効率を向上させる方法です。完全仮想化は、完全なハードウェア環境、つまり仮想マシンをエミュレートするために使用され、その環境では、変更されていないゲストオペレーティング システム(ホスト マシンと同じ命令セットを使用) が完全に分離して効果的に実行されます。

ハードウェア支援による仮想化は、 1980年にIBM 308XプロセッサにStart Interpretive Execution（SIE）命令とともに初めて導入されました。^{[9]これは、2005年、2006年、2010年にそれぞれ}x86プロセッサ（Intel VT-x、AMD-V、またはVIA VT）に追加されました^[10]。

IBM は、 AIX、Linux、IBM i用のIBM Power Systemsハードウェアと、 IBM Zメインフレーム向けにハードウェア仮想化を提供しています。 IBM では、ハードウェア仮想化の特定の形式を「論理パーティション」、またはより一般的にはLPARと呼んでいます。

ハードウェア支援による仮想化では、ゲスト オペレーティング システムに必要な変更が削減 (理想的には不要) されるため、準仮想化のメンテナンス オーバーヘッドが削減されます。また、パフォーマンスの向上も大幅に容易になります。

準仮想化は、基盤となるハードウェアとソフトウェアのインターフェイスに類似しているが同一ではないソフトウェア インターフェイスを仮想マシンに提供する仮想化技術です。準仮想化では、ゲスト オペレーティング システムがハイパーバイザーと通信することで、完全仮想化に比べてパフォーマンスと効率が向上します。ゲスト オペレーティング システムがハイパーバイザーに意図を示すことができるようにすることで、仮想マシンで実行しているときに、各システムが連携してパフォーマンスを向上させることができます。

修正されたインターフェイスの目的は、仮想化されていない環境と比較して仮想環境で実行するのがかなり難しい操作の実行に費やされるゲストの実行時間の部分を削減することです。準仮想化は、特別に定義された「フック」を提供し、ゲストとホストがこれらのタスクを要求して確認できるようにします。これらのタスクは、通常、仮想ドメインで実行されます (実行パフォーマンスが低下します)。準仮想化プラットフォームが成功すると、仮想マシン モニター(VMM) をよりシンプルにしたり (重要なタスクの実行を仮想ドメインからホスト ドメインに再配置することにより)、仮想ゲスト内でのマシン実行の全体的なパフォーマンス低下を軽減したりすることができます。

準仮想化では、ゲストオペレーティング システムを準API用に明示的に移植する必要があります。準仮想化に対応していない従来の OS ディストリビューションは、準仮想化 VMM 上で実行できません。ただし、オペレーティング システムを変更できない場合でも、準仮想化の重要なパフォーマンス上の利点の多くを実現するコンポーネントを利用できる場合があります。たとえば、Xen Windows GPLPV プロジェクトでは、Xenハイパーバイザー上で実行されるMicrosoft Windows仮想ゲストにインストールすることを目的とした、準仮想化対応デバイス ドライバーのキットを提供しています。^[11]このようなアプリケーションは、準仮想マシン インターフェイス環境を介してアクセスできる傾向があります。これにより、複数の暗号化アルゴリズム モデル間で実行モードの互換性が確保され、準仮想化フレームワーク内でのシームレスな統合が可能になります。^[12]

「準仮想化」という用語は、研究文献で最初にDenali Virtual Machine Manager に関連して使用されました。^[13] この用語は、Xen、L4、TRANGO、VMware、Wind River、XtratuM ハイパーバイザーの説明にも使用されます。これらのプロジェクトはすべて、実際の x86 命令セットの仮想化が難しい部分を実装しない仮想マシンを実装することにより、 x86ハードウェア上で高性能な仮想マシンをサポートするために準仮想化技術を使用しているか、使用できます。^[14]

2005 年、VMware は、ゲスト オペレーティング システムとハイパーバイザー間の通信メカニズムとして、準仮想化インターフェイスである仮想マシン インターフェイス (VMI) を提案しました。このインターフェイスにより、オペレーティング システムの単一のバイナリ バージョンをネイティブ ハードウェア上または準仮想化モードのハイパーバイザー上で実行できる透過的な準仮想化が可能になりました。

Linuxにおける準仮想化サポートの最初の登場は、2002年にppc64ポートが統合されたときに起こりました。^[15]これにより、IBM pSeries（RS/6000）およびiSeries（AS/400）ハードウェア上で準仮想化ゲストとしてLinuxを実行することがサポートされました。

2006 年にマサチューセッツ州ボストンで開催された USENIX カンファレンスでは、多くの Linux 開発ベンダー (IBM、VMware、Xen、Red Hat など) が協力して、当初は Xen グループによって開発された「paravirt-ops」と呼ばれる準仮想化の代替形式を開発しました。^[16] paravirt-ops コード (多くの場合 pv-ops と略される) は、バージョン 2.6.23 以降のメインラインLinux カーネルに含まれており、ハイパーバイザーとゲスト カーネル間のハイパーバイザーに依存しないインターフェイスを提供します。pv-ops ゲスト カーネルのディストリビューション サポートは、Ubuntu 7.04 および RedHat 9 から登場しました。2.6.24 以降のカーネルに基づく Xen ハイパーバイザーは、バージョン 6 以降の VMware Workstation 製品と同様に、pv-ops ゲストをサポートします。^[17]

ハイブリッド仮想化は、完全仮想化技術と準仮想化ドライバーを組み合わせて、ハードウェア支援による完全仮想化の制限を克服します。^[18]

ハードウェア支援による完全仮想化アプローチでは、多くのVMトラップを伴う変更されていないゲストオペレーティングシステムを使用し、高いCPUオーバーヘッドを生成し、スケーラビリティとサーバー統合の効率を制限します。^[19]ハイブリッド仮想化アプローチは、この問題を克服します。

デスクトップ仮想化は、論理デスクトップを物理マシンから分離します。

デスクトップ仮想化の1つの形式である仮想デスクトップインフラストラクチャ（VDI）は、ハードウェア仮想化のより高度な形式と考えることができます。ユーザーは、キーボード、マウス、モニターを介してホストコンピューターと直接対話するのではなく、LAN 、ワイヤレスLAN、さらにはインターネットなどのネットワーク接続を介して、別のデスクトップコンピューターまたはモバイルデバイスを使用してホストコンピューターと対話します。さらに、このシナリオのホストコンピューターは、複数のユーザーに対して同時に複数の仮想マシンをホストできるサーバーコンピューターになります。 ^[20]

組織がデータセンター環境の仮想化と統合を進めるにつれ、クライアントアーキテクチャも、統合インフラストラクチャによって提供される予測可能性、継続性、サービス品質を活用するために進化し続けています。たとえば、HPやIBMなどの企業は、分散クライアントコンピューティングの制限を改善するために、さまざまな仮想化ソフトウェアと配信モデルを備えたハイブリッドVDIモデルを提供しています。^[21]選択されたクライアント環境では、PCやその他のデバイスからデータセンターサーバーにワークロードを移動し、適切に管理された仮想クライアントを作成します。アプリケーションとクライアントオペレーティング環境はデータセンター内のサーバーとストレージでホストされます。ユーザーにとって、これは、単一のクライアントデバイスに縛られることなく、どこからでもデスクトップにアクセスできることを意味します。リソースが集中化されているため、作業場所間を移動するユーザーは、アプリケーションとデータを使用して同じクライアント環境にアクセスできます。^[21] IT管理者にとって、これは、保守が容易で、ユーザーとビジネスの変化するニーズに迅速に対応できる、より集中化された効率的なクライアント環境を意味します。^[22] もう一つの形態であるセッション仮想化では、複数のユーザーがネットワーク経由で共有された強力なコンピューターに接続してログインし、同時に使用することができます。各ユーザーにはデスクトップと個人用フォルダーが与えられ、そこにファイルを保存します。 ^[20]マルチシート構成では、複数のモニター、キーボード、マウスが接続された単一のPCを使用してセッション仮想化を実現できます。

デスクトップ仮想化で見られるシンクライアントは、主にネットワークに接続するために設計されたシンプルで安価なコンピュータです。ハードディスクのストレージ容量、RAM、さらには処理能力が不足している場合もありますが、多くの組織は、ソフトウェアが詰め込まれた（ソフトウェアライセンス料が必要な）「シッククライアント」デスクトップを排除し、より戦略的な投資を行うことのコストメリットに着目し始めています。^[23]

デスクトップ仮想化により、ソフトウェアのバージョン管理とパッチ管理が簡素化されます。サーバー上で新しいイメージが更新されるだけで、デスクトップは再起動時に更新されたバージョンを取得します。また、ワークステーション上でユーザーがアクセスできるアプリケーションを集中管理することもできます。

仮想デスクトップをクラウドに移行すると、ホスト型仮想デスクトップ（HVD）が作成され、デスクトップイメージは専門のホスティング会社によって集中管理および保守されます。利点としては、スケーラビリティと、月々の運用コストに置き換えられる資本支出の削減が挙げられます。^[24]

オペレーティングシステムレベルの仮想化はコンテナ化とも呼ばれ、カーネルが複数の分離されたユーザー空間インスタンスの存在を許可するオペレーティングシステムの機能を指します。コンテナ^[25] 、パーティション、仮想環境（VE）、またはjail（FreeBSD jailまたはchroot jail）と呼ばれるこのようなインスタンスは、その中で実行されているプログラムの観点からは実際のコンピュータのように見える場合があります。通常のオペレーティングシステムで実行されているコンピュータプログラムは、そのコンピュータのすべてのリソース（接続されているデバイス、ファイルとフォルダ、ネットワーク共有、CPUパワー、定量化可能なハードウェア機能）を見ることができます。ただし、コンテナ内で実行されているプログラムは、コンテナの内容とコンテナに割り当てられたデバイスしか見ることができません。

これにより、標準化やスケーラビリティなど仮想マシンが持つ多くの利点が得られ、カーネルがコンテナ間で共有されるため、使用するリソースが少なくなります。^[26]

コンテナ化は2014年にDockerの導入によって注目を集め始めました。^{[27] [28]}

ソフトウェア

• アプリケーション仮想化とワークスペース仮想化: 個々のアプリを基盤となる OS や他のアプリから分離する。ポータブル アプリケーションの概念と密接に関連している。
• サービス仮想化: API駆動型アプリケーション、クラウドベースアプリケーション、サービス指向アーキテクチャなどの異種コンポーネントベースのアプリケーションにおける特定のコンポーネントの動作をエミュレートします。

メモリ

• メモリ仮想化:ネットワーク化されたシステムからのランダムアクセスメモリ(RAM) リソースを単一のメモリプールに集約する
• 仮想メモリ: アプリに連続した作業メモリがあるという印象を与え、基礎となる物理メモリの実装から分離します。

ストレージ

• ストレージ仮想化: 論理ストレージを物理ストレージから完全に抽象化するプロセス
• 分散ファイルシステム:コンピュータネットワークを介して複数のホストからファイルへのアクセスを可能にするファイルシステム
• 仮想ファイルシステム: より具体的なファイルシステムの上にある抽象化レイヤー。クライアントアプリケーションがさまざまな種類の具体的なファイルシステムに統一された方法でアクセスできるようにします。
• ストレージハイパーバイザー：ストレージ仮想化を管理し、物理ストレージリソースを1つ以上の柔軟な論理ストレージプールに結合するソフトウェア^[29]
• 仮想ディスク:ハードディスクドライブや光ディスクドライブなどのディスクドライブをエミュレートするコンピュータプログラム(ディスクイメージソフトウェアの比較を参照)

データ

• データ仮想化: 基盤となるデータベースシステム、構造、ストレージから独立した抽象レイヤーとしてデータを提示すること
• データベース仮想化：アプリケーションスタック全体におけるストレージ層とアプリケーション層の間にあるデータベース層の分離。

ネットワーク

• ネットワーク仮想化:ネットワークサブネット内またはネットワークサブネット間で仮想化されたネットワークアドレス空間を作成する
• 仮想プライベートネットワーク(VPN):ネットワーク内の実際の配線やその他の物理メディアを抽象レイヤーに置き換え、インターネット上でネットワークを構築できるようにするネットワークプロトコル
• ネットワークプロトコル仮想化: ネットワークの展開と管理を高速化するためにネットワーク層を分離する

仮想化、特に完全仮想化は、次のような点で有益であることが証明されています。

• 複数のユーザー間でコンピュータシステムを共有すること。
• ユーザー同士（および制御プログラム）を分離する。
• 新しいハードウェアをエミュレートして、信頼性、セキュリティ、生産性を向上させます。

仮想化の一般的な目標は、管理タスクを一元化しながら、スケーラビリティと全体的なハードウェア リソースの使用率を向上させることです。仮想化により、複数のオペレーティング システムを単一の中央処理装置(CPU) 上で並行して実行できます。この並行処理によりオーバーヘッド コストが削減される傾向があり、同じ OS 上で複数のプログラムを実行するマルチタスクとは異なります。仮想化を使用すると、企業はユーザーを混乱させることなく、オペレーティング システムとアプリケーションの更新や急速な変更をより適切に管理できます。"

最終的に、仮想化は組織内のリソースとアプリケーションの効率と可用性を劇的に向上させます。リソースが十分に活用されない「1 つのサーバー、1 つのアプリケーション」という古いモデルに頼るのではなく、仮想リソースは、余分なものを使わずにビジネス ニーズを満たすために動的に適用されます。^[30]

独自のオペレーティングシステムを実行する仮想マシンは、ホストマシンのオペレーティングシステムに関係なく、ライセンスが必要です。たとえば、 VMゲストにMicrosoft Windowsをインストールするには、ライセンス要件を満たす必要があります。^{[31] [32] [33]}

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ウィキメディア・コモンズには、仮想化に関連するメディアがあります。

• 仮想化入門 2020-10-22にWayback Machineにアーカイブ、2004年1月、Amit Singh著