クラウド コンピューティングの基礎: 仮想化 KVM と XEN のクイック ガイド

序文

10 年以上にわたる普及を経て、「クラウド コンピューティング」の技術は一般に知られるようになりました。クラウドコンピューティングプラットフォームを基盤として、数億人が同時にオンラインショッピングをする電子商取引の「ダブル11」神話など、多くの分野で次々と記録を打ち立ててきました。数か月でユーザー数が 0 から数千万人にまで成長したゲーム アプリケーション。膨大な計算能力を集めて無駄なデータから価値を見出すビッグデータ分析。

これらすべては、この新しい情報技術がもたらす力と衝撃を物語っています。

クラウド コンピューティングはインターネット業界で生まれましたが、その影響はインターネットだけにとどまりません。ジャック・マー氏が「デジタル経済」と呼ぶものであれ、ポニー・マー氏が「産業インターネット」と呼ぶものであれ、最終的には、自社のクラウドコンピューティング機能を活用して伝統的な産業に影響を与えたり再構築したりし、産業統合に新たな革新的な価値をもたらすことに帰着します。

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「情報技術改革」が起こりつつある。クラウドコンピューティングはテクノロジーではなく、「協調的なイノベーションとクラウドアプリケーション」というサービスとコンセプトです。その背後にある最も重要な技術は仮想化技術です。今日は、クラウド コンピューティングで最も広く使用されている KVM および XEN 仮想化テクノロジーを紹介します。

1. 仮想化とクラウドコンピューティングの関係

著者は、クラウド コンピューティング業界での長年の経験を経て、クラウド コンピューティングに関するさまざまな解釈を収集し、「クラウド コンピューティングの 3、4、5 つの法則」をまとめました。

3 つ目は、クラウド コンピューティングのサービス モデル、つまり IaaS (Infrastructure as a Service)、Paas (Platform as a Service)、SaaS (Software as a Service) を指します。

4 つは、パブリック クラウド、プライベート クラウド、インダストリー クラウド (政府クラウド、産業クラウドなどの集合)、ハイブリッド クラウドという展開方法を指します。

5 は、オンデマンド アクセス、BGP 回線、リソース プーリング、柔軟なスケーリング、測定可能なコストなど、クラウド コンピューティングの基本的な特性を指します。

では、最も重要なのは、リソースをプールする効果をどのように達成するかということです。

まず仮想化の定義を理解しましょう。

仮想化とは、仮想化技術を使用してコンピューターを複数の論理コンピューターに変換することを指します。 1 台のコンピューター上で複数の論理コンピューターを同時に実行できます。各論理コンピュータは異なるオペレーティングシステムを実行でき、アプリケーションは互いに影響を与えることなく独立した空間で実行できるため、コンピュータの作業効率が大幅に向上します。

--Wikipediaより

仮想化テクノロジーはクラウド コンピューティングの基礎です。 1990 年代初頭から、高価なハードウェアと十分に活用されていないハードウェアの矛盾を解消するために仮想化技術をどのように使用するかについて研究する人がいました。その間に、仮想化ソフトウェアを販売するVMwareなどの企業が登場しました。仮想化技術の発展に伴い、XEN と KVM という 2 つのオープンソース仮想化技術が登場しました。クラウド コンピューティングが現在のような発展の勢いを保っているのは、まさにオープン ソース仮想化テクノロジの普及によるものです。

2. 仮想化の分類、利点と欠点

仮想化の中心的な考え方は、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プールし、上位レベルのオペレーティング システムに期待どおりの一貫性のあるサーバー ハードウェア環境を提供し、異なるオペレーティング システムの仮想マシンを互いに分離して物理マシン上で同時に実行できるようにすることで、ハードウェア リソースの利用率を向上させることです。

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仮想化技術は前世紀に登場しましたが、当時は主に IBM メインフレームで使用されていました。 X86 サーバー アーキテクチャの普及に伴い、VMware は X86 サーバー向けの最初の商用仮想化テクノロジとなりました。その後、IT 業界にもオープンソース精神が浸透し、ケンブリッジ大学の講師がオープンソースの仮想化プロジェクト XEN をリリースしました。

しかし、問題は、XEN には欠点があることです。カーネル パッチが必要であり、注意しないとシステムがクラッシュします。

KVM は実は XEN よりも後に登場したのですが、KVM が登場すると、それまで XEN 仮想化技術を使用していた Redhat は、長年使用してきた XEN をすぐに放棄しました。その理由は、KVM は Linux の一部であり、通常の Linux スケジューラとメモリ管理を使用できるからです。つまり、KVM はより小型で使いやすくなります。

上図は、KVM と XEN のアーキテクチャの比較です。まず、どちらもハードウェア仮想化に属します (ハードウェアは、仮想マシンの監視を作成し、クライアント オペレーティング システムを独立して実行できるようにするための構造サポートを提供します)。

• 完全仮想化: 仮想マシンは基盤となるハードウェアを完全にシミュレートし、Linux システムがそれを直接サポートするため、オペレーティング システムを変更する必要はありません。簡単に言えば、仮想マシンはハードウェア上で実行されていると認識します。

• 準仮想化: 仮想マシンはハイパーバイザー (仮想マシン モニター、略して VMM) 内で実行されていることを認識しており、ハイパーバイザーをサポートするにはオペレーティング システムに特別な変更を加える必要があります。

XEN は、ハイパーバイザー、ドメイン 0、ドメイン U という 3 つの基本コンポーネントで構成されています。

ハイパーバイザーはハードウェア上で実行され、すべてのオペレーティング システムをホストし、CPU とメモリのスケジューリングを提供します。

ドメイン 0 は管理者であり、ハウスキーパーに相当し、主に IO 仮想化を担当します。

ドメイン U は XEN の実際の仮想クライアントであり、ドメイン U は完全仮想クライアントと半仮想クライアントの 2 つのカテゴリに分かれています。後者は変更されたオペレーティング システム上で実行されます。

完全仮想化のみをサポートする KVM ははるかにシンプルで、KVM ドライバーと Qemu という 2 つの主要部分で構成されます。

KVM ドライバーは Linux システム (Intel-VT または AMD-V) に直接統合されており、主に仮想マシンの作成、CPU およびメモリの割り当てなどを担当します。

Qemu は、仮想マシンをシミュレートするために使用されるユーザー スペース コンポーネントであり、I/O デバイス モデルと周辺機器にアクセスする方法を提供します。ここでは、2つのグラフを比較してみます。

ほとんどの XEN および KVM パフォーマンス ベンチマークでは、XEN の方が KVM よりも処理パフォーマンスが優れていることが示されています。

3. まとめ

もちろん、今日では、2 種類の仮想化の境界はますます曖昧になってきており、自分に合ったものを選択することが最も重要です。世界最大のクラウド コンピューティング企業である AWS は、創業以来 XEN をサポートしてきました。近年では KVM も統合され、両者を統合してユーザーが必要とするサービスを提供し始めています。

中国最大のクラウドプロバイダーである Alibaba Cloud は、基本的に KVM 仮想化ソリューションを実装しています。

KVM の方がエコシステムが優れており、オープン ソースのサポートも充実していることは間違いありません。 XEN は長い間存在しており、現在最も成熟した仮想化テクノロジーです。

しかし、将来的には、XEN がリードするのでしょうか、それとも KVM の方が優れているのでしょうか?

待って見てみましょう。