クラウド コンピューティングの基礎: CPU 仮想化

仮想化技術の分類には、主にサーバー仮想化、ストレージ仮想化、ネットワーク仮想化、アプリケーション仮想化が含まれます。

サーバー仮想化技術は 、仮想オブジェクトに応じて 、CPU 仮想化、メモリ仮想化、I/O 仮想化に分けられます。 仮想化の程度に応じて、 完全仮想化、準仮想化、ハードウェア支援仮想化に分類されます。

さまざまな仮想化オブジェクトとレベルを組み合わせることで、 9 つの異なるサーバー仮想化テクノロジが生まれます。

まず、サーバー仮想化のうちCPU仮想化について詳しく紹介し、その後の説明でメモリ仮想化とI/O仮想化について詳しく紹介します。

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CPU仮想化

• CPU完全仮想化技術

主に 優先圧縮技術（リング圧縮）と バイナリコード変換技術（BinaryTranslation）を採用しています。優先圧縮テクノロジにより、VMM とゲストを異なる権限レベルで実行できます。 x86 アーキテクチャの場合、VMM は最高権限レベルのリング 0 で実行され、ゲスト OS はリング 1 で実行され、ユーザー アプリケーションはリング 3 で実行されます。したがって、ゲスト OS のコア命令は、実行のためにコンピュータ システム ハードウェアに直接送信することはできず、VMM によってキャプチャおよびシミュレートされる必要があります (仮想化が難しい一部の命令は、バイナリ変換テクノロジによって変換する必要があります)。

• CPU準仮想化技術

主にHypercallテクノロジーを使用します。ゲスト OS コードの一部が変更され、ゲスト OS は 特権命令に関連するすべての操作を VMM に送信されるハイパーコールに変換し、VMM がそれらの処理を続行するようになります。 Hypercall がサポートするバッチ処理と非同期処理という 2 つの最適化方法により、Hypercall を通じて物理マシンに近い速度を実現できます。

• CPUハードウェア支援仮想化技術

現在、主なテクノロジー は Intel の VT-x と AMD の AMD-V の2 つです。 基本的な考え方は、新しい命令と動作モードを導入して、VMM とゲスト OS をそれぞれ異なるモード (ROOT モードと非 ROOT モード) で実行し、ゲスト OS をリング 0 で実行できるようにすることです。通常、ゲスト OS のコア命令は、VMM を経由せずにコンピューター システムのハードウェアに直接送信して実行できます。ゲスト OS が特別な命令を実行すると、システムは VMM に切り替えて、VMM に特別な命令を処理させます。

CPU 仮想化技術は、単一の CPU で複数の CPU を並列にシミュレートできるため、プラットフォームで複数のオペレーティング システムを同時に実行でき、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、コンピューターの作業効率が大幅に向上します。

GuestOS は、第 2 レベルのスケジューリング、つまり VCPU 上のスレッドまたはプロセスのスケジューリング (コア スレッドを対応する仮想 CPU にマッピング) を担当します。

VMM (仮想マシン モニター) は、第 1 レベルのスケジューリング、つまり物理処理ユニット上の VCPU のスケジューリングを担当します。

2 レベル スケジューリングのスケジューリング戦略とメカニズムの間には依存関係はありません。 VMM は、さまざまな仮想マシン間での物理プロセッサ リソースの割り当てとスケジュールを担当します。本質的には、特定の戦略とメカニズムに従って、物理処理ユニット上の各仮想マシンの VCPU をスケジュールします。仮想マシンのさまざまなニーズを満たすために、任意の戦略を使用して物理リソースを割り当てることができます。