ハイパーバイザーとは何ですか？定義|タイプ|例

ハイパーバイザーはかなり古いテクノロジーですが、それでも仮想化を可能にするために非常に重要です。完全仮想化を提供する最初のハイパーバイザーは、1967年にIBMによって開発されました。これらは、IBMのCP / CMSオペレーティングシステムのテストツール（SIMMONという名前）として開発されました。

しかし、仮想化とは正確には何ですか？簡単に言うと、仮想化とは、一定量のストレージ、ネットワーク、および計算リソースを使用するソフトウェアベース（または仮想）バージョンの仮想化を作成するプロセスです。これは、基盤となるハードウェアをパーティション化し、各パーティションを独自のオペレーティングシステムを備えた個別の分離された仮想マシンとして実行することで機能します。

ここでハイパーバイザーが登場します。ハイパーバイザーは仮想化のプロセスを実現可能にします。この概要記事では、さまざまなタイプのハイパーバイザーとその機能について説明しました。基本的な質問から始めましょう。

ハイパーバイザーとは何ですか？

定義： ハイパーバイザーは、仮想マシンを作成し、それらにリソースを効率的に管理および割り当てるコンピューターのハードウェア、ソフトウェア、またはファームウェアです。各仮想マシンは、独自のオペレーティングシステムとアプリケーションを実行できます。

ハイパーバイザーがインストールされているコンピューターはホストマシンと呼ばれ、すべての仮想マシンはゲストマシンと呼ばれます。ハイパーバイザーを使用すると、ホストマシンのリソースを簡単に分割して、個々のゲストマシンに割り当てることができます。また、単一のコンピューターハードウェア上でゲストオペレーティングシステムとアプリケーションの実行を管理することもできます。

Linuxオペレーティングシステムで16GBのRAMと500GBのストレージを実行しているPCがあり、macOSを必要とするアプリケーションを実行したいとします。この場合、macOSを実行する仮想マシンを作成し、ハイパーバイザーを使用してそのリソースを管理できます。たとえば、4GBのRAMと100GBのストレージを割り当てることができます。

ゲストマシンの観点からは、物理環境と仮想化環境に違いはありません。仮想マシンは、ハイパーバイザーによって作成されていること、および利用可能なリソースを共有していることを認識していません。それらは、それらに電力を供給するハードウェア上で同時に実行されます。したがって、ハードウェアの安定した動作に完全に依存しています。

ハイパーバイザーは半世紀以上前から存在していますが、近年のクラウドコンピューティングの需要の増加により、ハイパーバイザーの重要性がより明らかになっています。

ハイパーバイザーの種類

1970年代半ば以降、仮想化の実装には2つの異なるタイプのハイパーバイザーが使用されてきました。

タイプ1 /ベアメタル/ネイティブハイパーバイザー

タイプ1ハイパーバイザーは、ホストのハードウェア上で直接実行されます。基盤となるハードウェアに直接アクセスでき、オペレーティングシステムレイヤーを経由する必要がないため、ベアメタルハイパーバイザーとも呼ばれます。

これらは、他のタイプの（タイプ2）ハイパーバイザーよりもパフォーマンスが高く、実行効率が高く、安全性が高くなっています。そのため、大規模な組織や企業は、データセンターのコンピューティングジョブにベアメタルハイパーバイザーを好みます。

ほとんどのタイプ1ハイパーバイザーでは、管理者がアプリケーションの優先度に基づいてリソースを手動で割り当てることができますが、動的なリソース割り当てと管理オプションを提供するものもあります。

テストソフトウェアSIMMONなどの初期のハイパーバイザーは、タイプ1のハイパーバイザーでした。

最新の例： VMware ESXi、Nutanix AHV、Oracle VM Server for x86、MicrosoftHyper-V。

タイプ2 /ホスト型ハイパーバイザー

すべてのコンピュータプログラムと同様に、タイプ2ハイパーバイザーはオペレーティングシステム上で実行されます。したがって、基盤となるハードウェアとソフトウェアの両方に依存しています。ゲストオペレーティングシステムは、ホストオペレーティングシステムの上に構築されています。

これらのハイパーバイザーを使用すると、複数の仮想マシンを作成できますが、ホストハードウェアとそのリソースに直接アクセスすることはできません。プレインストールされたオペレーティングシステムは、ネットワーク、メモリ、およびストレージの割り当てを制御します。これにより、ハイパーバイザーが重要な決定を行うことが制限され、ある程度の遅延が追加されます。

ただし、セットアップと管理は簡単です。専任の管理者を必要とせず、幅広いハードウェアと互換性があります。ほとんどの開発者はテスト目的でそれらを使用します。

例： VMware Workstation、VirtualBox、QEMU、VMware Player、VMware Fusion、Parallels Desktop forMac。

利点

移植性： ハイパーバイザーは、ホストマシンとは独立して複数のゲスト（仮想）マシンを実行でき、各ゲストマシンは異なるオペレーティングシステムを持つことができます。

許可されたユーザーは、要件に応じて、ワークロードをシフトし、メモリ、ストレージ、およびコンピューティングリソースを複数のゲストマシンに割り当てることができます。特定のアプリケーションがより多くの電力を必要とする場合、ユーザーはハイパーバイザーを介して（ホストマシンから）追加のリソースを付与できます。

費用対効果： ハイパーバイザーをインストールしない場合は、さまざまなアプリケーションを実行またはテストするために、さまざまな物理ハードウェアを購入する必要があります。ただし、ハイパーバイザーを使用すると、1台の強力な物理マシンにさまざまなオペレーティングシステムの複数のインスタンスを設定できます。また、コンピューティングリソースのコストと電力消費を大幅に削減します。

柔軟性： ハイパーバイザーはオペレーティングシステムを基盤となるハードウェアから分離するため、関連するアプリケーションは特定のハードウェアドライバーに依存しなくなります。これにより、システム全体がさまざまなソフトウェアを実行するための柔軟性が高まります。

安全： 各ゲストの分離は、1人のゲストの問題が他のゲストに影響を与えないことを意味します。たとえば、悪意のあるプログラムが仮想マシン上のすべてのファイルを破壊した場合、他のマシン上のファイルやアプリケーションが影響を受ける可能性は低くなります。

システムのバックアップとリカバリ： 仮想マシンはファイルであり、従来のファイルと同様に、コピーおよび復元できます。ハイパーバイザーベースのレプリケーションは、仮想マシンの他のレプリケーション手法よりも簡単で費用効果があります。また、ハードウェアが自然であるため、重複ファイルを任意のストレージデバイスに簡単に保存できます。

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短所

パフォーマンスの低下： リソースは仮想環境で共有されるため（ゲストは互いに分離されたままですが）、パフォーマンスに大きな影響を与える可能性があります。

場合によっては、根本的な原因が隠されたままになることがあります。たとえば、あるプログラムの負荷が最大のハードウェア割り当てに達するまで増加すると、ゲストマシンは停止するか、同じホストマシンで実行されている他のゲストからリソースを取得し始めます。これによりハードウェアが不足し、他のアクティブなアプリケーションの応答性に影響を与えます。

リスク： すべての卵を1つのバスケットに入れているため、仮想化にはリスクが伴います。ホストマシンに障害が発生すると、そのすべてのゲストマシンにも障害が発生します。この種のリスクは「単一障害点」と呼ばれます。

複雑さの増大： 複数の仮想マシンの管理は、物理マシンの管理よりも複雑です。一部のハイパーバイザーには、急な学習曲線があります。また、仮想化の普及に伴い、より多くの新しいスキルが必要になります。

家庭用コンピュータで仮想化を実現可能にする

2000年代半ば、マイクロプロセッサメーカーは、AMD-VやIntelVT-xなどの製品にハードウェア仮想化支援を追加し始めました。後のプロセッサモデルでは、より多くのハードウェアサポートが統合され、大幅な速度向上が可能になりました。 2019年現在、最新のIntelおよびAMDプロセッサはすべて仮想マシン機能をサポートしています。

ハイパーバイザーは、最新の組み込みシステムにも使用されています。これらは主に、特定の要件で設計されたタイプ1ハイパーバイザーです。コンピュータハードウェアとは異なり、組み込みシステムは幅広いアーキテクチャと標準化されていない環境を使用します。

これらのシステムの仮想化により、効率の向上、高帯域幅の通信チャネル、分離、セキュリティ、およびリアルタイム機能が促進されます。たとえば、OKL4は、x86やARMなどのさまざまなアーキテクチャをサポートしています。ベースバンドオペレーティングシステムとしても仮想オペレーティングシステムのホスティングとしても、20億台以上の携帯電話に導入されています。

セキュリティ

セキュリティは、仮想化テクノロジーの最も重要な要素の1つです。攻撃者がハイパーバイザーへの不正アクセスを取得した場合、共有ハードウェアキャッシュまたはその他の脆弱性を悪用して、ホストソフトウェア上のすべてのゲストマシンにアクセスする可能性があります。このタイプの攻撃はハイパージャックと呼ばれます。

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ただし、最新のハイパーバイザーは堅牢で十分に保護されています。小さなハッキングのニュースはいくつかありますが、「概念実証」テスト以外に、これまでのところ大きなハイパージャックは報告されていません。