クラウドコンピューティングのキーテクノロジー「仮想化技術」を探る

企業が成長するにつれて、ビジネスとアプリケーションは増加し続け、IT システムの規模はますます大きくなり、エネルギー消費量の増加、データセンターのスペース不足、IT システムの総所有コストの過剰な増加などの問題が発生します。既存のサーバー、ストレージ システム、その他の機器が十分に活用されていないため、リソースが極度に浪費されています。 IT インフラストラクチャはビジネス ニーズに対応できるほど柔軟ではなく、ビジネス ニーズを満たすためにシステム リソースを効果的に割り当てることができません。そのため、企業は、ビジネス環境の変化に迅速に対応し、データセンターの運用コストを削減するために、コストを削減し、インテリジェントで安全な機能を備え、現在のビジネス環境に適応できる、柔軟で動的なインフラストラクチャとアプリケーション環境を確立する必要があります。

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仮想化テクノロジーは、コンピューティング リソースを割り当てる方法です。アプリケーション システムのさまざまなレベル (ハードウェア、ソフトウェア、データ、ネットワーク、ストレージなど) を 1 つずつ分離することで、データ センター、サーバー、ストレージ、ネットワーク、データ、アプリケーション内の物理デバイス間の境界をなくし、アーキテクチャを動的にし、物理リソースと仮想リソースの集中管理と動的な使用を実現して、システム構造の弾力性と柔軟性を向上させ、コストを削減し、サービスを向上させ、管理リスクを軽減します。

コンピュータ仮想化により、1 台のコンピュータが複数のコンピュータまたは完全に異なるコンピュータのように見えるようになり、リソースの使用率が向上し、IT コストが削減されます。 IT アーキテクチャが複雑化し、エンタープライズ アプリケーション コンピューティングのニーズが劇的に増加するにつれて、仮想化テクノロジが進化し、複数のコンピューターが 1 台のコンピューターのように見え、統合された管理、展開、監視を実現できるようになりました。

前回のコラムでは、クラウド コンピューティングについて学びました (クリックして表示)。このコラムでは、仮想化技術の神秘の世界を探ります。

今回の知識システムアーキテクチャ図

仮想化技術を理解する

1. 仮想化の起源

従来のアーキテクチャでは、各物理マシンにオペレーティング システムが 1 つだけ存在し、ほとんどの場合、負荷も 1 つだけです。サーバー上で複数のメイン アプリケーションを実行すると、競合やパフォーマンスの問題が発生する可能性があるため、困難です。実際、現在のコンピューティングのベストプラクティスでは、これらの問題を回避するために、サーバーごとに 1 つのアプリケーションのみを実行します。しかし、そうすると、ほとんどの場合、利用率は非常に低くなります。先ほど説明したように、私たちは購入したコンピューティング能力の多くを無駄にしています。ハードウェアの無駄遣いとリスクの軽減の間でバランスを取る必要があります。ビジネスが成長するにつれて、それに伴うコスト圧力も変化し、関連する管理効率は低下し、必要なリソースも増加します。

企業が仮想化戦略を導入する主な目的は、ビジネスサポート部門としての IT 部門の作業効率を向上させ、コスト削減と効率向上の両方の目標を達成することです。仮想化の重要な使命の 1 つは、管理効率を向上させてコストを削減し、ハードウェアの使用率を高め、管理を容易にすることです。仮想化の主な目的は、物理サーバーの数を減らし、物理マシン上のオペレーティング システムとアプリケーションを仮想マシンにシームレスに転送して、これらのさまざまなプラットフォームの仮想環境を集中管理することです。

仮想化開発の起源

• 仮想化技術は1960年代にすでにメインフレームで使用されていました。
• 論理パーティションは1999年にすでにミニコンピュータで使用されていました。
• 2000年にx86プラットフォームの仮想化技術が登場し始めた。
• 2001年、x86プラットフォーム仮想化技術がサーバーに適用された。

仮想化技術の推進力

• CPUの速度はどんどん速くなり、ソフトウェアのハードウェア性能の要件を超えています。
• INTELとAMDがCPUに仮想命令を追加
• 企業のコスト圧力
• 環境からの圧力
• 高まるビジネス圧力

2. 仮想化とは何か

仮想化は、物理的な制限に縛られないリソースの論理的表現です。

仮想化技術の実装は、システムに仮想化レイヤーを追加し、下位レベルのリソースを別の形式のリソースに抽象化し、上位レベルのアプリケーションに提供することです。

仮想化の利点:

• ハードウェアの使用率を向上させる
• エネルギー消費を削減し、環境に優しく省エネ
• IT運用・保守の効率化とシステム管理人員の削減
• オペレーティングシステムとハードウェアの分離

3. 仮想化の本質

パーティション

パーティショニングとは、仮想化レイヤーがサーバー リソースを複数の仮想マシンに分割する機能を意味します。各仮想マシンは同時に別個のオペレーティング システム (同じまたは異なる) を実行できるため、単一のサーバー上で複数のアプリケーションを実行できます。各オペレーティング システムは、仮想化レイヤーによって提供される「仮想ハードウェア」(仮想ネットワーク カード、CPU、メモリなど) のみを認識できるため、独自の専用サーバー上で実行されていると認識されます。

分離: 仮想マシンは互いに分離されています。

私。 1 台の仮想マシンのクラッシュまたは障害 (オペレーティング システムの障害、アプリケーションのクラッシュ、ドライバーの障害など) は、同じサーバー上の他の仮想マシンには影響しません。

ii. 1 つの仮想マシン内のウイルス、ワームなどは、各仮想マシンが別の物理マシンに配置されているのと同じように、他の仮想マシンから分離されます。

iii.リソース制御を実行してパフォーマンスの分離を実現できます。各仮想マシンの最小および最大のリソース使用量を指定して、仮想マシンがすべてのリソースを占有して、同じシステム内の他の仮想マシンにリソースがない状態にならないようにすることができます。

iv.従来の x86 サーバー アーキテクチャの制限 (アプリケーションの競合、DLL の競合など) について説明した際に説明した問題が発生することなく、複数のワークロード/アプリケーション/OS を 1 台のマシンで同時に実行できます。

カプセル化

カプセル化とは、仮想マシン全体 (ハードウェア構成、BIOS 構成、メモリ状態、ディスク状態、CPU 状態) を、物理ハードウェアから独立した小さなファイル セットに保存することを意味します。これにより、いくつかのファイルをコピーするだけで、必要なときに必要な場所に仮想マシンをコピー、保存、移動できるようになります。

4. 仮想化のいくつかの重要な概念

• ホストマシン: 物理マシンリソースを指します
• ゲストマシン: 仮想マシンのリソースを指します
• ゲスト OS とホスト OS: 物理マシンが複数の仮想マシンに仮想化されている場合、その物理マシンはホストマシンと呼ばれ、その上で実行されている OS はホスト OS と呼ばれます。複数の仮想マシンはゲストマシンと呼ばれ、その上で実行される OS はゲスト OS と呼ばれます。
• ハイパーバイザー: 仮想化層のシミュレーションにより、仮想マシンは上位層ソフトウェアに対して実際のマシンとして表示されます。この仮想化層は一般に仮想マシンモニター（VMM）と呼ばれます。

5. 仮想化の種類と主な内容

タイプ

ホスト型仮想化: 仮想化管理ソフトウェアは、基盤となるオペレーティング システム (Windows や Linux など) 上の共通アプリケーションとして使用され、それを介して対応する仮想マシンが作成され、基盤となるサーバー リソースが共有されます。

ベアメタル仮想化: ハイパーバイザーは、物理ハードウェア上で直接実行される仮想マシン監視プログラムです。主に 2 つの基本機能を実装します。1 つ目は、仮想マシンによって発行された CPU 特権命令または保護命令を識別、キャプチャ、および応答することです。 2 番目に、仮想マシンのキューとスケジュールの処理を担当し、物理ハードウェアの処理結果を対応する仮想マシンに返します。

オペレーティング システムの仮想化: 個別のハイパーバイザー レイヤーはありません。代わりに、ホスト オペレーティング システム自体が、複数の仮想サーバー間でハードウェア リソースを割り当て、それらを相互に独立させる役割を担います。明らかな違いの 1 つは、OS レベルの仮想化では、すべての仮想サーバーで同じ OS を実行する必要があることです (ただし、各インスタンスには独自のアプリケーションとユーザー アカウントがあります)。

仮想化の主な内容には、コンピューティング仮想化、ストレージ仮想化、ネットワーク仮想化の 3 つの側面が含まれます。