仮想マシンの基礎
仮想化は「1台の物理マシン上で複数の独立した仮想マシンを実行する」技術であり、クラウドコンピューティングの基盤。
この章で学ぶこと
前提知識
このガイドを読む前に、以下の知識があると理解が深まります:
- 基本的なプログラミングの知識
- 関連する基礎概念の理解
1. 仮想化の歴史と概要
1.1 仮想化の歴史
仮想化の歴史:
1960年代:
| IBM System/360 Model 67 (1966): |
|---|
| → 世界初の仮想マシンモニター |
| → CP-40 / CP-67: VMM の原型 |
| → 1台のメインフレームで複数のOSを同時実行 |
|
| IBM VM/370 (1972): |
| → 商用の仮想化プラットフォーム |
| → 各ユーザーに独立した仮想マシンを提供 |
| → CMS（Conversational Monitor System）を実行 |
1990年代〜2000年代:
| VMware（1999）: |
|---|
| → x86アーキテクチャでの仮想化を商用化 |
| → バイナリ変換で特権命令を処理 |
| → VMware Workstation, ESX Server |
|
| Xen（2003）: |
| → ケンブリッジ大学で開発 |
| → 準仮想化による高性能 |
| → Amazon EC2 の初期基盤 |
|
| Intel VT-x / AMD-V（2005-2006）: |
| → ハードウェア支援仮想化 |
| → CPU に仮想化専用命令を追加 |
| → 完全仮想化でも高性能を実現 |
2007年〜現在:
| KVM（2007, Linux 2.6.20）: |
|---|
| → Linux カーネルモジュールとして実装 |
| → Linux 自体をハイパーバイザに変える |
| → クラウドの標準的な仮想化基盤に成長 |
|
| クラウド時代（2006〜）: |
| → AWS EC2（2006）: Xen → Nitro (KVM) |
| → Google Compute Engine: KVM |
| → Azure: Hyper-V |
| → 仮想化がクラウドコンピューティングの基盤に |
|
| 軽量仮想化（2018〜）: |
| → Firecracker: マイクロVM |
| → Cloud Hypervisor: Rust製軽量VMM |
| → QEMU の代替として高セキュリティ・低オーバーヘッド |
1.2 Popek & Goldberg の仮想化要件
仮想化の理論的基盤（1974年）:
Popek & Goldberg が定義した仮想マシンモニター（VMM）の3要件:
1. 等価性（Equivalence / Fidelity）:
VMM上で実行されるプログラムは、実機と同じ動作をする
→ 一部の例外: タイミング、リソースの可用性
2. 効率性（Efficiency）:
ゲストの命令の大部分はハードウェア上で直接実行される
→ エミュレーションではなく、直接実行
3. リソース制御（Resource Control / Safety）:
VMMはすべてのハードウェアリソースを完全に制御する
→ ゲストがVMMをバイパスしてリソースにアクセスできない
x86の仮想化困難性:
| 問題: x86 には「センシティブだが特権的でない命令」 |
|---|
| が存在した |
|
| 特権命令: Ring 0 以外で実行すると例外が発生 |
| → VMM がトラップして処理可能 |
|
| センシティブ命令: システム状態に影響するが |
| 特権レベルに関係なく実行可能 |
| → VMM がトラップできない! |
|
| 問題のある命令の例: |
| - SGDT/SIDT: ディスクリプタテーブルの読み取り |
| - SMSW: マシンステータスワードの読み取り |
| - PUSHF/POPF: フラグレジスタの操作 |
|
| 解決策: |
| 1. バイナリ変換（VMware） |
| 2. 準仮想化（Xen） |
| 3. ハードウェア支援（VT-x/AMD-V）← 根本解決 |
2. 仮想化の種類
2.1 完全仮想化
完全仮想化（Full Virtualization）:
ゲストOSを無修正で実行
方式1: バイナリ変換（Binary Translation）
| ゲスト OS のコード |
|---|
| ↓ |
| バイナリ変換エンジン |
| → ユーザーモード命令: 直接実行 |
| → センシティブ命令: 安全な命令列に変換 |
| ↓ |
| 変換済みコード |
| → キャッシュに保存して再利用 |
| ↓ |
| 物理ハードウェア上で実行 |
|
| VMware が開発・実用化 |
| → 性能オーバーヘッド: 10-30% |
| → ゲストOSの修正不要が最大のメリット |
方式2: ハードウェア支援仮想化（HW-Assisted）
| CPU に仮想化支援命令を追加: |
|---|
| → Intel VT-x（VMX: Virtual Machine Extensions） |
| → AMD-V（SVM: Secure Virtual Machine） |
|
| CPU 動作モード: |
| ┌─────────────────────────┐ |
| VMX Root Mode（ホスト） | |
| Ring 0: ハイパーバイザ | |
| Ring 3: ホストアプリ | |
| └─────────┬───────────────┘ |
| VM Entry |
| ↓ |
| ┌─────────────────────────┐ |
| VMX Non-Root（ゲスト） | |
| Ring 0: ゲストカーネル | |
| Ring 3: ゲストアプリ | |
| └─────────┬───────────────┘ |
| VM Exit（特権操作時） |
| ↓ |
| VMX Root Mode で処理後、VM Entry で復帰 |
|
| VMCS（Virtual Machine Control Structure）: |
| → ゲスト/ホストの状態を保存する構造体 |
| → VM Entry/Exit 時に自動的にロード/セーブ |
| → VM Exit の条件を設定可能 |
2.2 準仮想化
準仮想化（Paravirtualization）:
ゲストOSを仮想環境向けに修正
| ゲスト OS（修正版） |
|---|
| ↓ ハイパーコール |
| ハイパーバイザ |
| ↓ 実際のハードウェア操作 |
| 物理ハードウェア |
|
| ハイパーコール（Hypercall）: |
| → ゲストOSからハイパーバイザへの直接要求 |
| → システムコールのようなインターフェース |
| → 特権操作をバイナリ変換なしで実行可能 |
|
| 利点: |
| - バイナリ変換より高性能 |
| - 割り込み処理が効率的 |
| - I/O が高速 |
|
| 欠点: |
| - ゲストOSのカーネル修正が必要 |
| - Windows等の修正不可能なOSでは使用不可 |
| - ハードウェア支援仮想化の普及で利点が減少 |
準仮想化ドライバ（Virtio）:
→ ゲストOSのカーネル全体を修正せず、
ドライバ部分のみ準仮想化する折衷案
→ 現代の仮想化で広く使用
→ ネットワーク、ストレージ、メモリバルーンなど
2.3 エミュレーション
エミュレーション（Emulation）:
ハードウェア全体をソフトウェアで模倣
| エミュレーション vs 仮想化: |
|---|
|
| エミュレーション: |
| → 異なるアーキテクチャをソフトウェアで再現 |
| → 例: x86上でARM、MIPS上でx86 |
| → 非常に遅い（10-100倍のオーバーヘッド） |
| → QEMU（JIT変換で高速化） |
|
| 仮想化: |
| → 同じアーキテクチャで複数インスタンスを実行 |
| → ゲスト命令を直接CPUで実行 |
| → ほぼネイティブ性能 |
| → KVM + QEMU（デバイスエミュレーション部分のみ） |
|
| QEMU の2つのモード: |
| 1. Full System Emulation: |
| 完全なシステムをエミュレート |
| → qemu-system-aarch64（ARM システムを模倣） |
|
| 2. User Mode Emulation: |
| ユーザープログラムのみエミュレート |
| → qemu-aarch64 ./arm_binary |
| → Docker の multi-platform ビルドで使用 |
3. ハイパーバイザのアーキテクチャ
3.1 Type 1 ハイパーバイザ（ベアメタル）
Type 1（ベアメタル）ハイパーバイザ:
ハードウェア上に直接動作
┌──┴────────┴────────┴───┐
│ Type 1 Hypervisor │ ← ハードウェア上に直接
└────────────────────────┘
主要な Type 1 ハイパーバイザ:
| VMware ESXi: |
|---|
| → 商用のエンタープライズ標準 |
| → vSphere / vCenter で統合管理 |
| → vMotion によるライブマイグレーション |
| → DRS（Distributed Resource Scheduler） |
| → HA（High Availability） |
| → 大企業の仮想化基盤として圧倒的シェア |
|
| Microsoft Hyper-V: |
| → Windows Server に統合 |
| → Azure の基盤技術 |
| → System Center で管理 |
| → Windows環境との親和性が高い |
| → Generation 2 VM で UEFI, Secure Boot 対応 |
|
| Xen: |
| → オープンソース |
| → Dom0（特権ドメイン）+ DomU（ゲスト） |
| → AWS EC2 の初期基盤（現在は Nitro/KVM） |
| → Citrix Hypervisor（旧 XenServer） |
| → Qubes OS のセキュリティ基盤 |
|
| KVM（Kernel-based Virtual Machine）: |
| → Linux カーネルモジュール |
| → Linux をType 1ハイパーバイザに変える |
| → QEMU と組み合わせてデバイスエミュレーション |
| → AWS EC2 (Nitro), GCE, OpenStack の基盤 |
| → 最も広く使われるオープンソースハイパーバイザ |
3.2 Type 2 ハイパーバイザ（ホスト型）
Type 2（ホスト型）ハイパーバイザ:
ホストOS上のアプリケーションとして動作
主要な Type 2 ハイパーバイザ:
| VirtualBox（Oracle）: |
|---|
| → オープンソース（GPLv2） |
| → クロスプラットフォーム（Windows/Mac/Linux） |
| → 開発・テスト環境で広く使用 |
| → 簡単なGUI管理 |
| → VBoxManage CLI で自動化可能 |
| → スナップショット、共有フォルダ対応 |
|
| VMware Workstation / Fusion: |
| → 商用（個人利用は無料化） |
| → Workstation: Windows/Linux ホスト |
| → Fusion: macOS ホスト |
| → 高性能、エンタープライズ機能 |
| → Unity モード（ゲストアプリをホストデスクトップに） |
|
| Parallels Desktop: |
| → macOS 専用 |
| → Apple Silicon (M1/M2/M3) ネイティブ対応 |
| → Coherence モード（シームレスな統合） |
| → 最も高性能なMac仮想化ソリューション |
|
| QEMU: |
| → オープンソースのエミュレータ/仮想化ツール |
| → 単体ではエミュレーション |
| → KVM と組み合わせてハードウェア支援仮想化 |
| → 多数のアーキテクチャをサポート |
| → libvirt / virsh で管理 |
KVM の分類について:
| KVM は厳密には Type 1 と Type 2 の中間: |
|---|
|
| → Linux カーネルの一部として動作 |
| → Linux がハイパーバイザとして機能 (Type 1的) |
| → しかし Linux というフルOSの上で動作 |
| → ホストOS上のモジュール (Type 2的) |
|
| 一般的にはType 1として分類される |
| （カーネルモジュールとして直接HWにアクセス） |
4. CPU仮想化
4.1 Intel VT-x の仕組み
Intel VT-x（Virtual Machine Extensions）:
VMX 動作:
| VMXON: VMX モードを有効化 |
|---|
| ↓ |
| VMCS の作成・設定 |
| ↓ |
| VMLAUNCH: ゲストの初回起動 |
| ↓ |
| ┌─── ゲスト実行 ───┐ |
| 通常命令: 直接実行 | |
| 特権操作: VM Exit | |
| └────────┬─────────┘ |
| ↓ |
| VMM による処理（VM Exit ハンドラ） |
| ↓ |
| VMRESUME: ゲスト実行を再開 |
| ↓ |
| （VM Exit → VMM処理 → VMRESUME のループ） |
| ↓ |
| VMXOFF: VMX モードを無効化 |
VMCS（Virtual Machine Control Structure）:
| Guest State Area: |
|---|
| → ゲストのCPU状態（レジスタ、CR、MSR等） |
| → VM Exit 時に自動保存 |
| → VM Entry 時に自動復元 |
|
| Host State Area: |
| → ホスト（VMM）のCPU状態 |
| → VM Exit 時に自動復元 |
|
| VM-Execution Control Fields: |
| → VM Exit の条件を設定 |
| → 例: 外部割り込み時にExit, I/Oポートアクセス時にExit |
| → ビットマップで細かく制御可能 |
|
| VM-Exit Control Fields: |
| → VM Exit 時の動作を設定 |
|
| VM-Entry Control Fields: |
| → VM Entry 時の動作を設定 |
| → 例: 割り込みの注入 |
|
| VM-Exit Information Fields: |
| → VM Exit の理由（Exit Reason） |
| → 例: External interrupt, I/O instruction |
| → 例: EPT violation, CPUID |
主な VM Exit の原因:
| 原因 | 説明 |
|---|
| External interrupt | 外部ハードウェア割り込み |
| HLT | CPU停止命令 |
| I/O instruction | IN/OUT命令 |
| CR access | 制御レジスタのアクセス |
| MSR read/write | モデル固有レジスタ操作 |
| CPUID | CPU情報の取得 |
| EPT violation | メモリアクセス違反 |
| VMCALL | ハイパーコール |
| Task switch | タスクスイッチ |
| INVLPG | TLBエントリの無効化 |
VM Exit のオーバーヘッド:
→ 1回のVM Exit: 数百〜数千CPU サイクル
→ VM Exit の削減が仮想化性能チューニングの鍵
→ Posted Interrupts: 割り込みのExit を削減
→ APIC Virtualization: APIC操作のExitを削減
4.2 AMD-V の特徴
AMD-V（AMD Virtualization / SVM）:
Intel VT-x との比較:
| 機能 | Intel VT-x | AMD-V (SVM) |
|---|
| 制御構造体 | VMCS | VMCB |
| VM Entry | VMLAUNCH/ | VMRUN |
| VMRESUME | |
| VM Exit | VM Exit | #VMEXIT |
| 有効化 | VMXON | EFER.SVME |
| ネステッド | VMCS shadowing | ネイティブ対応 |
| EPT/NPT | EPT | NPT (RVI) |
| I/O制御 | I/O bitmap | I/O permission |
| 割り込み | Posted Int. | AVIC |
| メモリ暗号化 | TDX (別機能) | SEV-SNP |
AMD SEV-SNP（Secure Encrypted Virtualization - SNP）:
→ VM のメモリを AES-128 で暗号化
→ 各VMに固有の暗号鍵
→ ハイパーバイザがゲストメモリを読めない
→ SNP: ページレベルの整合性保護を追加
→ クラウドでの Confidential VM の基盤
5. メモリ仮想化
5.1 アドレス変換
メモリ仮想化のアドレス空間:
3段階のアドレス変換:
| ゲスト仮想アドレス (GVA) |
|---|
| ↓ ゲストのページテーブル |
| ゲスト物理アドレス (GPA) |
| ↓ ハイパーバイザの変換 |
| ホスト物理アドレス (HPA) |
| ↓ |
| 物理メモリ (DRAM) |
方式1: シャドウページテーブル
| ハイパーバイザが GVA → HPA の直接マッピングを |
|---|
| シャドウページテーブルとして管理 |
|
| ゲスト PT (GVA→GPA) + VMM 変換 (GPA→HPA) |
| → シャドウ PT (GVA→HPA) |
|
| 問題: |
| - ゲストがページテーブルを変更するたびに |
| シャドウテーブルの同期が必要 |
| - VM Exit が頻発して性能低下 |
| - メモリ消費が増大 |
| - 実装が複雑 |
方式2: EPT / NPT（ハードウェア支援）
| Intel EPT (Extended Page Tables): |
|---|
| AMD NPT (Nested Page Tables) / RVI: |
|
| GVA → ゲストPT → GPA → EPT/NPT → HPA |
|
| → ハードウェアが2段階のアドレス変換を自動実行 |
| → シャドウページテーブル不要 |
| → VM Exit の大幅削減 |
| → TLBミス時のペナルティ: 4レベル×4レベル=最大24回 |
| のメモリアクセス（ページウォーク） |
| → VPID（Virtual Processor ID）: TLBフラッシュを |
| 回避してVM切り替え時の性能を改善 |
|
| EPT の構造（4レベル）: |
| EPT PML4 → EPT PDPT → EPT PD → EPT PT → HPA |
| → ゲストPTとEPTの両方を辿る必要があるが |
| ハードウェアが自動で処理 |
5.2 メモリ効率化技術
メモリ効率化:
KSM（Kernel Same-page Merging）:
| 同一内容のメモリページを共有 |
|---|
|
| 動作: |
| 1. ksmd デーモンがページをスキャン |
| 2. 同一内容のページを発見 |
| 3. 1つのページを共有（Copy-on-Write） |
| 4. 書き込み時にコピーを作成 |
|
| 効果: |
| - 同じOSのVM が多い場合: 30-50% のメモリ節約 |
| - デスクトップVDI環境で特に効果的 |
| - OS のカーネル、共有ライブラリが共有対象 |
|
| 注意: |
| - CPU オーバーヘッドがある（スキャン処理） |
| - サイドチャネル攻撃のリスク（タイミング攻撃） |
| - セキュリティ重視の環境では無効化を推奨 |
|
| 設定: |
| echo 1 > /sys/kernel/mm/ksm/run |
| echo 1000 > /sys/kernel/mm/ksm/sleep_millisecs |
| cat /sys/kernel/mm/ksm/pages_sharing |
メモリバルーニング（Ballooning）:
| ゲストOS内のバルーンドライバがメモリを「膨らます」 |
|---|
| → ゲストが使用可能なメモリを一時的に減らす |
| → ホストが回収して他のVMに割り当て |
|
| 膨張（Inflate）: |
| ゲストのメモリ: [■■■■■□□□□□] |
| バルーン膨張: [■■■■■████□] |
| → ■=ゲスト使用, █=バルーン, □=空き |
| → バルーン分のページをホストが回収 |
|
| 収縮（Deflate）: |
| バルーン収縮: [■■■■■■■□□□] |
| → ゲストが再びメモリを使用可能 |
|
| 利点: |
| - メモリのオーバーコミットを実現 |
| - ゲストOSのメモリ管理を尊重 |
| - ゲストが不要なページを swap out する |
|
| virtio-balloon ドライバで実装 |
Huge Pages:
| 通常: 4KB ページ → TLBエントリを大量に消費 |
|---|
| Huge Pages: 2MB or 1GB ページ |
| → TLB ミスを大幅に削減 |
| → 特にメモリ集約型のVMで効果的 |
|
| Transparent Huge Pages (THP): |
| → カーネルが自動的に Huge Pages を使用 |
| → VM にも自動適用 |
|
| Static Huge Pages: |
| → 事前に予約 |
| → QEMU: -mem-path /dev/hugepages -mem-prealloc |
| → より確実だがメモリの柔軟性が低下 |
|
| 設定: |
| # Huge Pages の予約 |
| echo 1024 > /sys/kernel/mm/hugepages/ |
| hugepages-2048kB/nr_hugepages |
| # → 1024 × 2MB = 2GB を予約 |
|
| # 確認 |
| cat /proc/meminfo | grep Huge |
| # HugePages_Total: 1024 |
| # HugePages_Free: 1024 |
| # Hugepagesize: 2048 kB |
6. I/O仮想化
6.1 I/O仮想化の方式
I/O仮想化の3つの方式:
1. エミュレーション（全仮想化）:
| ゲスト → I/O命令 → VM Exit → VMM がエミュレート |
|---|
|
| 例: QEMU が仮想的な NE2000 NIC をエミュレート |
| → ゲストは標準のドライバを使用可能 |
| → 非常に遅い（VM Exit が大量発生） |
| → 互換性は最高 |
2. 準仮想化 I/O（Virtio）:
| ゲスト → Virtio ドライバ → 共有メモリリング |
|---|
| → VM Exit 最小 → ホスト処理 |
|
| Virtio の仕組み: |
| ┌─────────────────────────────────────┐ |
| ゲスト | |
| ┌─────────────┐ | |
| | Virtio Driver | | |
| └──────┬──────┘ | |
| ↓ | |
| ┌──────────────┐ | |
| | Virtqueue | ← リングバッファ | |
| | (desc/avail/ | | |
| | used ring) | | |
| └──────┬──────┘ | |
| └────────┼────────────────────────────┘ |
| ↓ 共有メモリ |
| ┌────────┼────────────────────────────┐ |
| ホスト ↓ | |
| ┌──────────────┐ | |
| | Virtio Backend | | |
| | (vhost-net等) | | |
| └──────────────┘ | |
| └─────────────────────────────────────┘ |
|
| Virtio デバイスの種類: |
| - virtio-net: ネットワーク |
| - virtio-blk: ブロックストレージ |
| - virtio-scsi: SCSI ストレージ |
| - virtio-serial: シリアル通信 |
| - virtio-balloon: メモリバルーニング |
| - virtio-gpu: グラフィックス |
| - virtio-fs: ファイルシステム共有 |
| - virtio-vsock: ホスト-ゲスト通信 |
|
| vhost: Virtio バックエンドをカーネル空間に移動 |
| → QEMU のユーザー空間オーバーヘッドを削減 |
| → vhost-net: カーネル内のネットワークバックエンド |
| → vhost-user: DPDKなどのユーザー空間バックエンド |
3. デバイスパススルー（SR-IOV）:
| SR-IOV（Single Root I/O Virtualization）: |
|---|
|
| 物理デバイス（NIC）: |
| ┌─────────────────────────────────┐ |
| PF (Physical Function) | |
| ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ | |
| | VF1 | | VF2 | | VF3 | ... | |
| └──┬──┘ └──┬──┘ └──┬──┘ | |
| └────┼───────┼───────┼───────────┘ |
| | | |
| ┌──┴──┐ ┌──┴──┐ ┌──┴──┐ |
| VM1 | | VM2 | | VM3 | |
| └─────┘ └─────┘ └─────┘ |
|
| PF (Physical Function): 物理デバイスの完全な機能 |
| VF (Virtual Function): 軽量な仮想デバイス |
|
| → ハイパーバイザをバイパスして直接アクセス |
| → ほぼネイティブのI/O性能 |
| → IOMMU（Intel VT-d / AMD-Vi）でDMAを保護 |
| → ライブマイグレーションが困難（デバイス依存） |
|
| 性能比較: |
| ┌────────────┬──────────┬──────────┐ |
| 方式 | レイテンシ | スループット | |
| ├────────────┼──────────┼──────────┤ |
| エミュレート | 高 | 低 | |
| Virtio | 中 | 高 | |
| SR-IOV | 低 | 非常に高 | |
| ネイティブ | 最低 | 最高 | |
| └────────────┴──────────┴──────────┘ |
7. KVM/QEMU の実践
7.1 KVM の基本構成
KVM + QEMU のアーキテクチャ:
| ゲスト OS |
|---|
| ┌──────────────────┐ |
| アプリケーション | |
| ゲストカーネル | |
| virtio ドライバ | |
| └────────┬─────────┘ |
| |
| QEMU プロセス（ユーザー空間） |
| ┌────────┴─────────┐ |
| デバイスエミュレーション | |
| (NIC, ディスク, VGA等) | |
| ioctl(KVM_RUN) | |
| └────────┬───────────────┘ |
| |
| KVM カーネルモジュール |
| ┌────────┴─────────┐ |
| /dev/kvm | |
| VMCS管理 | |
| VM Entry/Exit処理 | |
| EPT管理 | |
| └────────┬─────────┘ |
| |
| ハードウェア（VT-x/AMD-V + VT-d/AMD-Vi） |
各コンポーネントの役割:
KVM: CPU仮想化、メモリ仮想化（EPT/NPT）
QEMU: デバイスエミュレーション、VM管理
libvirt: VM管理API（virsh, virt-manager のバックエンド）
7.2 VM の作成と管理
# KVM の確認
lsmod | grep kvm
# kvm_intel xxx 0
# kvm xxx 1 kvm_intel
# CPU が仮想化支援をサポートしているか確認
grep -E 'vmx|svm' /proc/cpuinfo
# QEMU で直接 VM を起動
qemu-system-x86_64 \
-enable-kvm \
-cpu host \
-smp 4 \
-m 4096 \
-drive file=disk.qcow2,if=virtio,format=qcow2 \
-netdev user,id=net0,hostfwd=tcp::2222-:22 \
-device virtio-net-pci,netdev=net0 \
-display none \
-daemonize
# ディスクイメージの作成
qemu-img create -f qcow2 disk.qcow2 50G
# qcow2: Copy-on-Write、スナップショット対応、シンプロビジョニング
# ディスクイメージの情報
qemu-img info disk.qcow2
# image: disk.qcow2
# file format: qcow2
# virtual size: 50 GiB
# disk size: 196 MiB ← 実際のディスク使用量
# スナップショット
qemu-img snapshot -c snap1 disk.qcow2 # 作成
qemu-img snapshot -l disk.qcow2 # 一覧
qemu-img snapshot -a snap1 disk.qcow2 # 復元
qemu-img snapshot -d snap1 disk.qcow2 # 削除
7.3 libvirt / virsh による管理
# libvirt でのVM管理（推奨）
# VM の一覧
virsh list --all
# VM の起動/停止
virsh start myvm
virsh shutdown myvm # ゲストOSに正常終了を要求
virsh destroy myvm # 強制停止（電源断に相当）
virsh reboot myvm
# VM の作成（XML定義）
virsh define myvm.xml
virsh create myvm.xml # 定義して即起動
# VM の情報
virsh dominfo myvm
virsh vcpuinfo myvm
virsh domblklist myvm
virsh domiflist myvm
# コンソール接続
virsh console myvm
# スナップショット
virsh snapshot-create-as myvm snap1 "Initial snapshot"
virsh snapshot-list myvm
virsh snapshot-revert myvm snap1
virsh snapshot-delete myvm snap1
# リソースの動的変更
virsh setmem myvm 8G --live # メモリ変更（ライブ）
virsh setvcpus myvm 8 --live # CPU数変更（ライブ）
# VM のモニタリング
virsh domstats myvm # 統計情報
virt-top # リアルタイムモニタ
<!-- VM 定義ファイルの例 (myvm.xml) -->
<domain type='kvm'>
<name>myvm</name>
<memory unit='GiB'>4</memory>
<vcpu placement='static'>4</vcpu>
<cpu mode='host-passthrough' check='none' migratable='on'/>
<os>
<type arch='x86_64' machine='q35'>hvm</type>
<boot dev='hd'/>
</os>
<features>
<acpi/>
<apic/>
</features>
<devices>
<!-- Virtio ディスク -->
<disk type='file' device='disk'>
<driver name='qemu' type='qcow2' cache='writeback' discard='unmap'/>
<source file='/var/lib/libvirt/images/myvm.qcow2'/>
<target dev='vda' bus='virtio'/>
</disk>
<!-- Virtio ネットワーク -->
<interface type='network'>
<source network='default'/>
<model type='virtio'/>
</interface>
<!-- VNC コンソール -->
<graphics type='vnc' port='-1' autoport='yes'/>
<!-- Virtio メモリバルーン -->
<memballoon model='virtio'>
<stats period='10'/>
</memballoon>
<!-- virtio-serial（ゲストエージェント通信用） -->
<channel type='unix'>
<target type='virtio' name='org.qemu.guest_agent.0'/>
</channel>
</devices>
</domain>
8. ライブマイグレーション
8.1 ライブマイグレーションの仕組み
ライブマイグレーション:
VMを停止せずに別の物理サーバーに移動する技術
Pre-copy マイグレーション（最も一般的）:
| Phase 1: メモリの一括コピー |
|---|
| → 全メモリページをコピー先に転送 |
| → VM は稼働中のまま |
|
| Phase 2: 差分コピー（反復） |
| → Phase 1 中に変更されたページ（dirty pages） |
| を転送 |
| → 再び変更されたページを転送（繰り返し） |
| → 差分が十分小さくなるまで繰り返す |
|
| Phase 3: 最終同期（Stop-and-Copy） |
| → VM を一時停止 |
| → 残りの差分ページを転送 |
| → CPU 状態、デバイス状態を転送 |
| → 移行先で VM を再開 |
| → ダウンタイム: 数十ms〜数百ms |
|
| Phase 4: ネットワーク切り替え |
| → ARP の更新（RARP パケット送信） |
| → 外部からは同じIPで到達可能 |
Post-copy マイグレーション:
| 1. CPU状態とデバイス状態を先に転送 |
|---|
| 2. VM を移行先で即座に起動 |
| 3. メモリページはアクセス時にオンデマンドで転送 |
| → userfaultfd でページフォールトを処理 |
|
| 利点: ダウンタイムが非常に短い |
| 欠点: ページフォールトによる性能低下 |
| ネットワーク断で VM がクラッシュする |
| → Pre-copy と Post-copy のハイブリッドも存在 |
ライブマイグレーションの要件:
| 1. 共有ストレージ（NFS, Ceph, SAN） |
|---|
| → ディスクイメージが両方のホストからアクセス可能 |
| → ストレージマイグレーションの場合は不要 |
|
| 2. 同一のCPU機能（または互換性） |
| → cpu mode='host-model' で互換性確保 |
| → QEMU の CPU機能マスクで調整 |
|
| 3. 十分なネットワーク帯域幅 |
| → 10Gbps以上推奨 |
| → dirty page rate < 転送速度 が必要 |
|
| 4. 同一のlibvirt / QEMU バージョン |
| → プロトコル互換性の確保 |
# ライブマイグレーションの実行
# virsh によるマイグレーション
virsh migrate --live --verbose myvm \
qemu+ssh://dest-host/system \
--migrateuri tcp://dest-host:49152
# 帯域幅制限付きマイグレーション
virsh migrate --live myvm \
qemu+ssh://dest-host/system \
--bandwidth 500 # 500 MiB/s
# 圧縮付きマイグレーション（帯域幅の節約）
virsh migrate --live myvm \
qemu+ssh://dest-host/system \
--comp-methods xbzrle
# ストレージマイグレーション（共有ストレージ不要）
virsh migrate --live --copy-storage-all myvm \
qemu+ssh://dest-host/system
# マイグレーションの進捗確認
virsh domjobinfo myvm
# マイグレーションのキャンセル
virsh domjobabort myvm
9. パフォーマンスチューニング
9.1 CPU のチューニング
# CPU ピンニング（vCPU を物理CPUコアに固定）
virsh vcpupin myvm 0 2 # vCPU 0 → 物理コア 2
virsh vcpupin myvm 1 3 # vCPU 1 → 物理コア 3
# NUMA ノードへの配置
virsh numatune myvm --nodeset 0 --mode strict
# → NUMA ノード 0 のメモリのみ使用
# CPU アフィニティの確認
virsh vcpuinfo myvm
# エミュレータスレッドのピンニング
virsh emulatorpin myvm 0-1
# → QEMU のエミュレータスレッドをコア0-1に固定
# IOスレッドのピンニング
virsh iothreadpin myvm 1 4
# → IOスレッド1をコア4に固定
9.2 メモリのチューニング
# Huge Pages の使用
# VM 定義ファイルに追加:
# <memoryBacking>
# <hugepages>
# <page size='2048' unit='KiB'/>
# </hugepages>
# </memoryBacking>
# NUMA-aware メモリ配置
# <numatune>
# <memory mode='strict' nodeset='0'/>
# </numatune>
# <cpu>
# <numa>
# <cell id='0' cpus='0-3' memory='4' unit='GiB'/>
# </numa>
# </cpu>
# メモリロック（スワップアウト防止）
# <memoryBacking>
# <locked/>
# </memoryBacking>
9.3 ストレージのチューニング
ストレージチューニング:
ディスクキャッシュモード:
| none | ホストキャッシュなし。直接I/O |
|---|
| → データの一貫性が最も高い |
| → 推奨（ゲストにキャッシュ任せ） |
| writethrough | 読取キャッシュあり、書込は即座 |
| → 安全だが書き込みが遅い |
| writeback | 読取/書込キャッシュあり |
| → 高速だがデータ損失リスクあり |
| unsafe | すべてのfsync を無視 |
| → テスト環境のみ（データ損失大） |
| directsync | 直接I/O + 同期書き込み |
| → 最も安全だが最も遅い |
I/Oスケジューラの設定:
| ホスト側: |
|---|
| SSD: none (noop) が最適 |
| HDD: mq-deadline が最適 |
|
| ゲスト側: |
| virtio-blk: none (noop) が最適 |
| → ホスト側でスケジューリングするため |
ディスクフォーマット:
| qcow2 | スナップショット、圧縮、暗号化対応 |
|---|
| → 柔軟性が高い、やや遅い |
| raw | シンプル。最高性能 |
| → 動的サイズ変更不可 |
| qcow2 + | qcow2 の事前割当 |
| preallocation | → raw に近い性能 |
10. ネステッド仮想化
ネステッド仮想化（Nested Virtualization）:
VM の中で VM を実行する技術
| L0: 物理ハードウェア + ホスト KVM |
|---|
| └── L1: ゲスト VM（この中でKVMを実行） |
| └── L2: ネストされた VM |
|
| 用途: |
| - クラウド上での仮想化テスト・開発 |
| - CI/CD パイプラインでの VM テスト |
| - KVM/QEMU の開発・デバッグ |
| - ハイパーバイザのセキュリティテスト |
| - 教育・トレーニング環境 |
|
| 性能: |
| → L1 の約 60-80% の性能 |
| → VM Exit のネストにより追加オーバーヘッド |
| → VMCS shadowing (Intel) でオーバーヘッド削減 |
# ネステッド仮想化の有効化
# Intel の場合
cat /sys/module/kvm_intel/parameters/nested
# N → 無効
# 有効化（一時的）
sudo modprobe -r kvm_intel
sudo modprobe kvm_intel nested=1
# 永続的に有効化
echo "options kvm_intel nested=1" | \
sudo tee /etc/modprobe.d/kvm-nested.conf
# AMD の場合
echo "options kvm_amd nested=1" | \
sudo tee /etc/modprobe.d/kvm-nested.conf
# VM の CPU設定でVMX/SVMを公開
# <cpu mode='host-passthrough'>
# <feature policy='require' name='vmx'/>
# </cpu>
11. クラウドの仮想化
11.1 AWS Nitro System
AWS Nitro System:
専用ハードウェアでネットワーク/ストレージ/セキュリティを
メインCPUからオフロード
Nitro の構成:
| EC2 インスタンス |
|---|
| ┌──────────────────────────────────┐ |
| ゲスト VM (Customer Workload) | |
| → CPU のほぼ100%を使用可能 | |
| └──────────────────────────────────┘ |
|
| Nitro Cards（専用ASIC）: |
| ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ |
| Nitro | | Nitro | | Nitro | |
| Network | | EBS | | Security | |
| Card | | Card | | Chip | |
| └──────────┘ └──────────┘ └──────────┘ |
| → VPC、EBS、暗号化をハードウェアで処理 |
| → ホストCPUリソースの消費なし |
|
| Nitro Hypervisor: |
| → KVM ベースの軽量ハイパーバイザ |
| → 従来の Xen ハイパーバイザを置き換え |
| → CPU とメモリの仮想化のみ担当 |
| → I/O は Nitro Cards にオフロード |
|
| Nitro Enclaves: |
| → 高度に隔離された計算環境 |
| → ネットワーク接続なし、永続ストレージなし |
| → vsock のみで親VMと通信 |
| → 暗号鍵の管理、機密データの処理に使用 |
11.2 クラウドインスタンスの仕組み
クラウドインスタンスのライフサイクル:
ユーザー → API → コントロールプレーン
│
│ VMの配置先を決定
| 物理サーバー |
|---|
| KVM + QEMU |
| ┌───┐┌───┐ |
| VM1 | | VM2 | |
| └───┘└───┘ |
スケジューラの配置アルゴリズム:
| 1. リソースフィルタリング: |
|---|
| → CPU, メモリ, ストレージの要件を満たすホスト |
|
| 2. アフィニティ/アンチアフィニティ: |
| → 特定のVMを同じ/異なるホストに配置 |
|
| 3. NUMA最適化: |
| → NUMAトポロジに基づく最適配置 |
|
| 4. 可用性ゾーン: |
| → 障害ドメインの分散 |
|
| 5. コスト最適化: |
| → ビンパッキング（効率的なリソース充填） |
| → or スプレッド（分散配置） |
実践演習
演習1: [基礎] -- 仮想化支援の確認
# CPU の仮想化支援を確認
grep -E 'vmx|svm' /proc/cpuinfo | head -1
# flags : ... vmx ... → Intel VT-x 対応
# KVM モジュールの確認
lsmod | grep kvm
# kvm_intel xxxxx 0
# kvm xxxxx 1 kvm_intel
# /dev/kvm の確認
ls -la /dev/kvm
# crw-rw---- 1 root kvm 10, 232 Jan 1 00:00 /dev/kvm
演習2: [基礎] -- QEMU で VM を起動
# ディスクイメージの作成
qemu-img create -f qcow2 test.qcow2 10G
# Ubuntu Server の ISO でインストール
qemu-system-x86_64 \
-enable-kvm \
-cpu host \
-smp 2 \
-m 2048 \
-drive file=test.qcow2,if=virtio \
-cdrom ubuntu-server.iso \
-boot d \
-vnc :0
# インストール後の起動
qemu-system-x86_64 \
-enable-kvm \
-cpu host \
-smp 2 \
-m 2048 \
-drive file=test.qcow2,if=virtio \
-netdev user,id=net0,hostfwd=tcp::2222-:22 \
-device virtio-net-pci,netdev=net0 \
-nographic
# SSH 接続
ssh -p 2222 user@localhost
演習3: [応用] -- virsh による VM 管理
# VM の作成
virt-install \
--name testvm \
--ram 2048 \
--vcpus 2 \
--disk size=20,format=qcow2 \
--os-variant ubuntu22.04 \
--cdrom /path/to/ubuntu-22.04.iso \
--network network=default \
--graphics vnc
# スナップショットの管理
virsh snapshot-create-as testvm clean-install "Fresh install"
virsh snapshot-list testvm
virsh snapshot-revert testvm clean-install
# リソースの動的変更
virsh setmem testvm 4G --live
virsh setvcpus testvm 4 --live
# VM の統計情報
virsh domstats testvm
virt-top
演習4: [応用] -- パフォーマンスチューニング
# CPU ピンニング
virsh vcpupin testvm 0 0
virsh vcpupin testvm 1 1
# Huge Pages の設定
echo 1024 > /sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages
# VM 定義に hugepages を追加
# I/O チューニング
# ディスクのキャッシュモードを none に変更
virsh attach-disk testvm /path/to/disk.qcow2 vdb \
--driver qemu --subdriver qcow2 --cache none
# パフォーマンス測定
# ゲスト内で
fio --name=seqwrite --rw=write --bs=4k --size=1G --numjobs=4
sysbench cpu --threads=4 run
iperf3 -c host-ip
FAQ
Q1: このトピックを学ぶ上で最も重要なポイントは何ですか？
実践的な経験を積むことが最も重要です。理論だけでなく、実際にコードを書いて動作を確認することで理解が深まります。
Q2: 初心者がよく陥る間違いは何ですか？
基礎を飛ばして応用に進むことです。このガイドで説明している基本概念をしっかり理解してから、次のステップに進むことをお勧めします。
Q3: 実務ではどのように活用されていますか？
このトピックの知識は、日常的な開発業務で頻繁に活用されます。特にコードレビューやアーキテクチャ設計の際に重要になります。
まとめ
| 概念 |
ポイント |
| 完全仮想化 |
ゲストOS無修正。バイナリ変換 or HW支援 |
| 準仮想化 |
ゲストOS修正。ハイパーコールで高性能 |
| Type 1 |
ベアメタル。KVM, ESXi, Xen。クラウドの基盤 |
| Type 2 |
ホスト型。VirtualBox, Parallels。開発環境 |
| VT-x/AMD-V |
ハードウェア支援。VMX Root/Non-Root モード |
| EPT/NPT |
ハードウェア支援メモリ仮想化。シャドウPT不要 |
| Virtio |
準仮想化I/O。ネットワーク、ストレージの高速化 |
| SR-IOV |
デバイスの直接パススルー。ほぼネイティブI/O性能 |
| ライブマイグレーション |
Pre-copy方式。ダウンタイム数十ms |
| KSM |
同一ページ共有。メモリ効率化 |
| Nitro |
AWS独自。HWオフロード。CPU100%をゲストに |
| ネステッド仮想化 |
VM内でVM。開発・テスト用途 |
次に読むべきガイド
参考文献
- Portnoy, M. "Virtualization Essentials." 2nd Ed, Sybex, 2016.
- Popek, G. J. & Goldberg, R. P. "Formal Requirements for Virtualizable Third Generation Architectures." Communications of the ACM, 1974.
- Agesen, O. et al. "Software and Hardware Techniques for x86 Virtualization." VMware Technical Report, 2012.
- Kivity, A. et al. "kvm: the Linux Virtual Machine Monitor." Proceedings of the Linux Symposium, 2007.
- Adams, K. & Agesen, O. "A Comparison of Software and Hardware Techniques for x86 Virtualization." ASPLOS, 2006.
- Amazon. "AWS Nitro System." AWS Documentation, 2024.
- Red Hat. "Virtualization Deployment and Administration Guide." RHEL Documentation, 2024.
- QEMU Project. "QEMU Documentation." qemu.org, 2024.
- Intel. "Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer's Manual, Volume 3C: System Programming Guide, Part 3." Chapter 23-34 (VMX), 2024.
- Habib, I. "Virtualization with KVM." Linux Journal, 2008.