仮想化技術の徹底解読について語る（第1部）

開発の歴史

コンピュータがまだ巨大な怪物だった 1960 年代にはすでに、仮想化技術が静かに開発され始めていました。

• 1964 年、IBM M44/44X は仮想化をサポートする世界初のシステムと見なされました。その技術的アプローチは、タイムシェアリング システムのように、各タイム スライスで IBM 7044 メインフレームがすべてのハードウェア リソースを独占して実行し、ページングの概念が提案されたというものでした。仮想化を実現するためにハードウェアに依存していたため、ハードウェア仮想化と呼ばれていました。
• 1974年に発表された論文「仮想化可能な第3世代アーキテクチャの形式要件」では、仮想化システムアーキテクチャの3つの基本条件が提案されました[1]。
• 1972年、有名なフランスの天才プログラマー、ファブリス・ベラールが生まれました。
• chroot メカニズムは、1979 年に Unix のバージョン 7 で導入されました。chroot を使用すると、プロセスは指定されたディレクトリをルート ディレクトリとして使用でき、すべてのファイル システム操作はこの指定されたディレクトリでのみ実行できます。
• Xen ハイパーバイザーの最初のコード プロジェクトである Xenoserver は、1990 年に Keir Fraser と Ian Pratt によって作成されました。
• 1998 年には有名な X86 エミュレータ Bochs が登場し、その正式バージョンは 1998 年 11 月にリリースされました。
• 1999 年、VMware は X86 プラットフォーム向けの最初の商用仮想マシン VMware ワークステーションをリリースしました。
• 2001 年に、動的バイナリ変換テクノロジを使用した最先端の仮想化ソフトウェアである Qemu (Quick EMUlator) の最初のバージョンがリリースされました。その作者は Fabrice Bellard です。
• 2003 年、ケンブリッジ大学は、準仮想化技術を通じて x86-64 プラットフォームを含む複数のプラットフォームの仮想化サポートを実装した Xen のパブリック バージョンをリリースしました。
• 同年、Intel は x86 プラットフォーム CPU 上で仮想化技術 VT をサポートすると発表しました。
• 2007 年 1 月、Sun はオープン ソース仮想化 VirtualBox をリリースしました。
• 2007 年 2 月、Linux カーネル メインライン バージョン 2.6.20 に、イスラエルの企業 Qumranet が開発した KVM (カーネルベースの仮想マシン) が組み込まれました。 KVM をサポートするための前提条件は、CPU がハードウェア仮想化をサポートしていることです。
• 2008 年第 1 四半期に、Microsoft は Windows Server 2008 とともに仮想化製品 Hyper-V をリリースしました。
• 2008 年 6 月、Linux Container は、プロセスとリソースを分離するための軽量仮想化を提供するバージョン 0.1.0 をリリースしました。
• 2008 年 9 月 4 日、Red Hat はイスラエルの企業 Qumranet を買収し、Red Hat で使用されていた Xen を KVM に置き換え始めました [Xen は主流の Linux ディストリビューション メーカーの間で衰退し始めました]。
• 2010年10月21日、NASAはInfrastructure as a Service（IaaS）サービスを提供できるクラウドプラットフォームであるOpenStackをリリースし、最初のバージョンを提供しました。
• 2011 年 1 月 11 日、Ubuntu の創設者である Mark Shuttleworth は、Ubuntu が Openstack を基本的なクラウド プラットフォームとして使用することを発表しました。 Ubuntu の以前のバージョンでは Eucalyptus を使用していました。
• 2013 年 3 月 15 日、カリフォルニア州サンタクララで開催された Python Developers Conference で、DotCloud の創設者兼 CEO である Solomon Hvkes 氏が 5 分間の短いスピーチで初めて Docker の概念を提案しました。会議後、彼はソースコードをオープンソース化し、Github でホストしました。
• 2014 年 6 月に、Docker は最初の公式バージョン 1.0 をリリースしました。当時、Docker は 275 万回以上ダウンロードされていました。 1 年以内に、Redhat と AWS は Docker の公式サポートを発表しました。
• 2015年は国内外で様々なクラウド企業が登場し、Laas、PaaS、Saasなど様々なクラウドサービスを提供しました。

上記のタイムラインから、春雨後の竹の子のようにさまざまな新しい技術の出現は必然的に古い技術の衰退につながり、技術革新は私たちが想像していたよりもはるかに速いことがわかります。

基本概念

仮想化とは何ですか?

私の理解を簡単にまとめると次のようになります。

1. 仮想化はリソースの論理的表現であり、物理リソースに限定されません。

2. 実行環境は実際のハードウェア上ではなく、ハードウェア上の仮想メモリのセグメント、または仮想環境にあります。

3. 仮想化は、データ、コンピューティング能力、ストレージ リソースなどの物理的なビューではなく、論理的なビューを提供します。

4. 仮想化の発展により、IT ハードウェアのコストが大幅に削減され、リソースの無駄が減り、システムの安定性とセキュリティが向上しました。

完全仮想化

完全仮想化は、生の仮想化テクノロジとも呼ばれます。このモデルでは、仮想マシンを使用してゲスト オペレーティング システムと生のハードウェアを調整します。 VMM は、ゲスト オペレーティング システムとベア ハードウェア間の作業を調整するために使用されます。一部の保護された命令は、ハイパーバイザーによってキャプチャされ、処理される必要があります。完全仮想化はハードウェア エミュレーションよりも高速に実行されますが、ハイパーバイザーがいくらかのリソースを占有する必要があるため、そのパフォーマンスはベアメタルほど良くありません。

準仮想化

準仮想化は、完全仮想化に似た別のテクノロジーです。ハイパーバイザーを使用して基盤となるハードウェアへのアクセスを共有しますが、ゲスト オペレーティング システムには仮想化コードが統合されています。この方法では、オペレーティング システム自体が仮想プロセスと適切に連携できるため、再コンパイルやトラップは必要ありません。準仮想化では、ゲスト オペレーティング システムに仮想化環境であることを認識させるためにいくつかの変更を加える必要がありますが、準仮想化により、元のオペレーティング システムと同様のパフォーマンスが提供されます。

仮想化技術の主な特徴

等価

つまり、VM と物理マシンの動作環境は本質的に同じですが、パフォーマンスに多少の違いが許容されます。たとえば、CPU ブリッジは同じである必要があり、CPU コアとメモリの数は異なっていてもよく、同じタイプのネットワーク アダプタ ドライバーを使用する必要はありません。

効率

つまり、VM のパフォーマンスは物理マシンのパフォーマンスに近い必要があります。したがって、一般的な仮想システムシミュレーター (Boches、simics など) は VM にすることはできません。この目標を達成するために、ソフトウェアが仮想システム上で実行される場合、ほとんどの命令はハードウェア上で直接実行され、少数の命令のみが VMM によるシミュレーションまたは変換処理を必要とします。

リソース管理

つまり、VMM (仮想マシン モニター) は物理マシンのすべてのリソースを完全に制御します。仮想マシンは機密命令を直接実行することはできません。