テクノロジースタック |有名なクラウドコンピューティング仮想化についての簡単な説明

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Wikipedia によると、クラウド コンピューティングとは、インターネットをベースとしたコンピューティング方法であり、共有されたハードウェアおよびソフトウェアのリソースと情報を、さまざまなコンピュータ端末やその他のデバイスにオンデマンドで提供することができます。共有とオンデマンドに重点が置かれています。

ほとんどの場合、多額の費用をかけて購入した物理的な機器のすべてのリソースを十分に活用することはできません。

• 限られたコンピューティング リソースをオンデマンドで共有し、その効果を最大限に発揮して、物理的な機器に投資した資金を回収するにはどうすればよいでしょうか。
• 複数の安価な機器や古い機器をまとめて、残存価値を最大化するにはどうすればよいでしょうか?
• 何千マイルも離れた同僚とローカルデバイスを共有するにはどうすればよいでしょうか?

クラウド コンピューティングの概念を提案する目的は、これらの問題に対する答えを含めることです。

現在、私たちは主に仮想化技術に依存して、分割不可能なハードウェア リソースを抽象化して再構成可能なユニットに変換し、既存のコンピューティング、ストレージ、ネットワークなどのリソースのより適切な構成を実現するという問題を解決しています。今日のクラウド コンピューティング実装ソリューションは、基本的に仮想化テクノロジに依存していることがわかります。

仮想化技術は 1960 年代後半に IBM によって初めて提案されました。当時、IBM は複数のユーザーが同時に大型コンピュータにアクセスできるようにするために、Virtual Machine Monitor (VMM) と呼ばれるソフトウェア セットを開発しました。現在の仮想化技術では、VMM はハードウェア サーバーとオペレーティング システム間の中間層で実行されるソフトウェアです。複数の同一または異なるオペレーティング システムとアプリケーションが、基盤となるハードウェア インフラストラクチャを共有できるようにします。クラウドコンピューティングでよく話題になるハイパーバイザーもVMMと同じ意味を持ち、その本質はリソース構成管理技術です。

仮想化は、対象となるオブジェクトに応じて、プラットフォーム仮想化、アプリケーション仮想化、リソース仮想化などに分類することもできます。プラットフォーム仮想化とは、物理的なハードウェアとオペレーティング システムのレベルを指します。実装方法に応じて、完全仮想化、準仮想化、オペレーティングシステムレベルの仮想化、ハードウェア支援仮想化に分けられます。

完全仮想化 (FV)

これは、仮想マシンが基盤となるハードウェア全体をシミュレートし、元のハードウェア用に設計されたオペレーティング システムやその他のシステム ソフトウェアを、変更を加えることなく仮想マシンで実行できることを意味します。 CPU の完全仮想化実装メカニズムは、主に特権レベルの圧縮とバイナリ変換 (BT) テクノロジに依存しています。

これらのテクノロジが出現した理由は、CPU 実装メカニズムと密接に関係しています。 CPU は階層的に命令を処理します。カーネル状態と呼ばれる、機密性の高い命令のための個別の実行領域があります。ユーザー コードはカーネル状態に直接アクセスできないため、これらの機密性の高いコードはカーネル状態で実行する必要があります。クライアント オペレーティング システムはカーネルの状態に直接アクセスできないため、クライアント上の機密性の高い命令の実行障壁を解決するにはこれらのテクノロジが必要です。機密命令はオペレーティング システムとハードウェア間でキャプチャおよび処理され、クライアント オペレーティング システムを変更する必要がなく、すべてのソフトウェアを仮想マシンで実行できます。完全仮想化テクノロジーを使用する企業および製品には、IBM CP/CMS、VirtualBox、VMware Workstation、Parallels、QEMU、Hyper-V などがあります。

準仮想化はPVと呼ばれる

完全仮想化に似ています。また、基盤となるハードウェアへのアクセスを共有するために VMM も使用しますが、違いはクライアント オペレーティング システムに仮想化コードが統合されている点です。つまり、準仮想化技術では、インストールするクライアントのオペレーティング システムをカスタマイズする必要があります。これは間違いなくユーザーの使用を大幅に制限します。このタイプの仮想化を使用するアーキテクチャには Xen が含まれますが、この仮想化テクノロジをまだ使用しているアーキテクチャは多くありません。

OSレベルの仮想化

これをコンテナ化と呼ぶ人もいますが、これは複数の分離されたユーザー空間インスタンスの存在を可能にするオペレーティング システム自体の機能です。たとえば、Parallels Virtuozzo Containers、OpenVZ、LXC、Unix 系システムの chroot、Solaris の Zone はすべてこのテクノロジを使用しています。この仮想化技術は現在でも広く使用されています。たとえば、現在 VPS を販売している企業の中には OpenVZ アーキテクチャを使用しているところもあります。主流の Docker は LXC をベースに開発されたコンテナ ツールです。 Android スマートフォンのデュアルドメイン機能は、基本的に LXC テクノロジに基づいて実装されています。しかし、この技術には大きな制限があります。つまり、クライアント カーネルのバージョンをアップグレードできず、オペレーティング システムの種類はホスト マシンと同じでなければならないため、ユーザーのクライアント システムとカーネルの選択肢が大幅に制限されます。前述したように、その本質は依然としてユーザー空間エンティティとグループ管理です。しかし、技術の発展により、軽量アプリケーションのシナリオでも良い見通しが立つはずです。

ハードウェア仮想化

ハードウェア (主に CPU) は、クライアントのオペレーティング システムを変更せずに完全な仮想化機能を実現するために、機密命令の処理を支援するために使用されます。たとえば、VMware Workstation、Xen、KVM 製品またはアーキテクチャはすべてこのテクノロジを使用しています。現在の市場における主流のハードウェアのほぼすべてが、ハードウェア支援による仮想化テクノロジをサポートしています。 VMM テクノロジの出現は、X86 アーキテクチャが誕生したときに生じた問題、つまり仮想化がサポートされていないことに起因していると考えられます。

CPU の進化は常に以前の命令セットと互換性があります。 X86 アーキテクチャの祖先である Intel 8086 が誕生した当時は、仮想化関連の命令が設計されていなかったため、X86 アーキテクチャはしばらくの間、ハードウェア仮想化をサポートしていませんでした。 2005年にIntelがIVTテクノロジーをリリースするまでは、よく調べなければVT-xと考えることもできます。 Intel の VT-x テクノロジーは、CPU に仮想化テクノロジーの命令セットを追加します。 VT-x は、ソフトウェア ベースの仮想化ソリューションの柔軟性と安定性の向上に役立ちます。

純粋なソフトウェア仮想化の要件に従って、VMM がクライアント オペレーティング システムに代わって特定の命令をリッスン、中断、および実行する必要性を排除することで、VMM の介入を効果的に削減できるだけでなく、VMM とクライアント オペレーティング システム間の伝送プラットフォーム制御に強力なハードウェア サポートが提供され、VMM の介入が必要な場合に、より高速で信頼性が高く安全な切り替えが実現されます。それに応じて、AMD は AMD-V と呼ばれる独自のハードウェア支援仮想化テクノロジーをリリースしました。

X86 アーキテクチャのハードウェア支援仮想化と Linux 完全仮想化ソリューションを組み合わせたものが、現在主流かつ成熟した仮想化ソリューションです。このため、多くのクラウド製品の展開要件では、CPU が Intel VT/AMD-V 以降に基づく X86 命令セット アーキテクチャをサポートする必要があることがわかります。

クラウド製品を選ぶ際には、その誕生、現状、将来の状況を見ていきます。上記の点から考えると、KVM が間違いなくより良い選択です。イスラエルで生まれましたが、オープンソース コミュニティのリーダーである Red Hat によって採用されました。その後、Red Hat は Xen を放棄し、KVM を全面的にサポートし始めました。 RHEL6 以降では、KVM がデフォルトでカーネルに組み込まれています。 KVM は Linux プラットフォームにも最適化されています。パフォーマンス面では、Linux の優れたパフォーマンスとスケーラビリティを継承しています。パフォーマンスに関しては、2015 年の KVM パフォーマンス テストに関する記事では、KVM のパフォーマンスはホスト マシンと比較して 1.5% 未満しか低下しなかったと説明されています。 KVM は非常にスケーラブルです。クライアントとホストはどちらも多数の CPU と大量のメモリをサポートできます。 CPU とメモリが過負荷になる可能性があります。 KSM テクノロジーを使用すると、パフォーマンスを非常に良好に保ちながら、メモリを過剰に使用することもできます。 KVM コミュニティは活発であり、将来の見通しが依然として良好であることを示しています。

KVM は単なる単純な仮想化モジュールであるため、その使いやすさはそれほど高くありません。ここでは、実装、展開、使用を容易にするために、OpenStack を上部構造として使用できます。 OpenStack は、さまざまな規模のクラスター環境に適しています。豊富な機能により、オープンソース (Xen および KVM) またはベンダー提供 (Hyper-V および VMware) を問わず、ほぼすべての仮想化管理プログラムがサポートされます。この機能により、パブリック クラウドとプライベート クラウドのユーザーとオペレーターのニーズを満たすことができます。

現在、OpenStack プラットフォームの 95% は KVM を採用しており、すぐに優れたパフォーマンスを発揮できます。活発な OpenStack コミュニティにより、OpenStack のテクノロジーが最新の技術トレンドに追従しやすくなり、時代のペースに合わせて継続的に発展することが可能になります。したがって、クラウド コンピューティング ソリューションとして OpenStack を選択することは賢明な選択です。