Hyper-Vアーキテクチャ：ディープイマージョン

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この記事では、 以前よりもHyper-Vアーキテクチャについて詳しく説明します。

Hyper-Vとは何ですか？

Hyper-Vは、同じ物理サーバー上で多くの仮想オペレーティングシステムを実行できるようにするサーバー仮想化テクノロジの1つです。 これらのオペレーティングシステムは「ゲスト」と呼ばれ、物理サーバーにインストールされているOSは「ホスト」と呼ばれます。 各ゲストオペレーティングシステムは、独自の隔離された環境で実行され、別のコンピューターで動作すると「考え」ます。 彼らは、他のゲストOSとホストOSの存在について「知らない」。
これらの隔離された環境は、「仮想マシン」（または略してVM）と呼ばれます。 仮想マシンはソフトウェアで実装され、ゲストOSとアプリケーションがハイパーバイザーと仮想デバイスを介してサーバーハードウェアリソースにアクセスできるようにします。 既に述べたように、ゲストOSは、物理サーバーを完全に制御するように動作し、他の仮想マシンの存在についてはまったく知りません。 また、これらの仮想環境は「パーティション」と呼ぶことができます（ハードドライブ上のパーティションと混同しないでください）。
Windows Server 2008の一部として初めて登場したHyper-Vは、スタンドアロンHyper-V Server製品（事実上Windows Server 2008から大幅に削除されています）、およびエンタープライズクラスの仮想化システム市場に参入した新しいバージョンR2として存在しています。 バージョンR2はいくつかの新機能をサポートしており、この記事ではこのバージョンに焦点を当てます。

ハイパーバイザー

「ハイパーバイザー」という用語は、IBMがシステム/ 370メインフレームに仮想化を実装した1972年に遡ります。 これは、アーキテクチャの制限とメインフレームの使用による高コストを回避したため、ITのブレークスルーでした。
ハイパーバイザーは、同じ物理コンピューターで複数のオペレーティングシステムを実行できる仮想化プラットフォームです。 各仮想マシンに分離された環境を提供するのはハイパーバイザーであり、ゲストOSにコンピューターハードウェアへのアクセスを提供するのはハイパーバイザーです。
ハイパーバイザーは、起動方法（ベアメタル上またはOS内部）に応じて2種類に、アーキテクチャ（モノリシックおよびマイクロカーネル）に応じて2種類に分類できます。

第一種ハイパーバイザー

タイプ1ハイパーバイザーは物理ハードウェア上で直接実行され、独立して管理します。 図1に示すように、仮想マシン内で実行されているゲストOSはより高いレベルにあります。


図1第1種のハイパーバイザーはベアメタルで起動されます。

第一種のハイパーバイザーと機器を直接使用することにより、生産性、信頼性、およびセキュリティを向上させることができます。
タイプ1ハイパーバイザーは、多くのエンタープライズクラスのソリューションで使用されます。

• Microsoft Hyper-V
• VMware ESXサーバー
• Citrix XenServer

第二種ハイパーバイザー

第1種とは異なり、第2種のハイパーバイザーはホストOS内で実行されます（図2を参照）。


図2ゲストOS内で起動される第2種のハイパーバイザー

同時に、仮想マシンはホストOSのユーザー空間で実行されますが、これはパフォーマンスに最高の影響を与えません。
タイプ2ハイパーバイザーの例は、MS Virtual ServerとVMware Server、およびデスクトップ仮想化製品（MS VirtualPCとVMware Workstation）です。

モノリシックハイパーバイザー

モノリシックアーキテクチャハイパーバイザーのコードには、ハードウェアデバイスドライバーが含まれています（図3を参照）。


図 3.モノリシックアーキテクチャ

モノリシックアーキテクチャには長所と短所があります。 利点には次のものがあります。

• ドライバーがハイパーバイザー空間にあるため、（理論的に）より高いパフォーマンス
• 動作中のOSの障害（VMware-「サービスコンソール」の観点）が実行中のすべての仮想マシンの障害につながることはないため、信頼性が向上します。

モノリシックアーキテクチャの欠点は次のとおりです。

• ハイパーバイザーでドライバーが使用可能なハードウェアのみがサポートされます。 このため、ハイパーバイザーベンダーは、機器のベンダーと緊密に連携して、ハイパーバイザーですべての新しい機器を操作するためのドライバーが時間内に記述され、ハイパーバイザーコードに追加されるようにする必要があります。 同じ理由で、新しいハードウェアプラットフォームに切り替えるときは、ハイパーバイザーの異なるバージョンに切り替える必要があります。逆も同様です。ハイパーバイザーの新しいバージョンに切り替えるときは、古い機器がサポートされなくなったため、ハードウェアプラットフォームを変更する必要があります。
• 潜在的に低いセキュリティ-ハイパーバイザーにデバイスドライバーの形式でサードパーティのコードが含まれているため。 ドライバーコードはハイパーバイザースペースで実行されるため、コードの脆弱性を悪用して、ホストOSとすべてのゲストシステムの両方を制御する理論的な可能性があります。

モノリシックアーキテクチャの最も一般的な例は、VMware ESXです。

マイクロカーネルアーキテクチャ

マイクロカーネルアーキテクチャでは、デバイスドライバーはホストOS内で動作します。
この場合のホストOSは、すべてのVMと同じ仮想環境で実行され、「親パーティション」と呼ばれます。 他のすべての環境は、それぞれ「子供」です。 親パーティションと子パーティションの唯一の違いは、親パーティションのみがサーバーハードウェアに直接アクセスできることです。 ハイパーバイザー自体は、メモリの割り当てとプロセッサ時間のスケジューリング専用です。


図 4.マイクロカーネルアーキテクチャ

このアーキテクチャの利点は次のとおりです。

• ハイパーバイザーの下で「シャープ化」されたドライバーは不要です。 マイクロカーネルアーキテクチャハイパーバイザーは、親パーティションOSのドライバーを持つすべての機器と互換性があります。
• ドライバーは親パーティション内で実行されるため、ハイパーバイザーはより重要なタスク（メモリー管理とスケジューラー）のためにより多くの時間を持ちます。
• より高いセキュリティ。 ハイパーバイザーには無関係なコードが含まれていないため、攻撃する機会が少なくなります。

実際、マイクロカーネルアーキテクチャの最も顕著な例は、Hyper-V自体です。

Hyper-Vアーキテクチャ

図5は、Hyper-Vアーキテクチャの基本要素を示しています。


図5 Hyper-Vアーキテクチャ

図からわかるように、ハイパーバイザーは鉄の次のレベルで機能します。これは、第1種のハイパーバイザーに一般的です。 親パーティションと子パーティションは、ハイパーバイザーよりも高いレベルで動作します。 この場合のパーティションは、オペレーティングシステムが動作する分離領域です。 たとえば、ハードドライブのパーティションと混同しないでください。 親パーティションで、ホストOS（Windows Server 2008 R2）と仮想化スタックが起動します。 また、外部デバイスが管理されるのは親パーティションからであり、子パーティションも同様です。 子パーティションは親パーティションから作成され、ゲストOSを実行するように設計されていると推測するのは簡単です。 すべてのパーティションは、オペレーティングシステムに特別なAPIを提供するハイパーコールインターフェイスを介してハイパーバイザーに接続されます。 開発者の1人がハイパーコールのAPIの詳細に興味がある場合、情報はMSDNで入手できます。

親パーティション

親パーティションは、Hyper-Vシステムの役割をインストールするとすぐに作成されます。 親パーティションのコンポーネントを図に示します。 6。
親パーティションの目的は次のとおりです。

• WMIプロバイダーを使用した、リモートパーティションを含む子パーティションの作成、削除、および管理。
• ハイパーバイザーは、プロセッサ時間とメモリを除き、ハードウェアデバイスへのアクセスを制御します。
• 電源管理およびハードウェアエラー処理（ある場合）。

図6 Hyper-V親パーティションコンポーネント

仮想化スタック

親パーティションで動作する次のコンポーネントは、まとめて仮想化スタックと呼ばれます。

• 仮想マシン管理サービス（VMMS）
• 仮想マシンのワークフロー（VMWP）
• 仮想デバイス
• 仮想インフラストラクチャドライバー（VID）
• ハイパーバイザーインターフェイスライブラリ

さらに、親パーティションでさらに2つのコンポーネントが機能します。 これらは、仮想化サービスプロバイダー（VSP）と仮想マシンバス（VMBus）です。
仮想マシン管理サービス
仮想マシン管理サービス（VMMS）のタスクは次のとおりです。

• 仮想マシンの状態管理（オン/オフ）
• 仮想デバイスの追加/削除
• スナップショット管理

仮想マシンが起動すると、VMMSは新しい仮想マシンワークフローを作成します。 以下のワークフローの詳細をご覧ください。
また、VMMSは、現時点で仮想マシンで実行できる操作を決定します。たとえば、スナップショットが削除された場合、削除操作中にスナップショットを適用することは許可されません。 仮想マシンのスナップショット（スナップショット）の操作について詳しくは、対応する記事をご覧ください 。
より詳細には、VMMSは仮想マシンの次の状態を管理します。

• 開始
• アクティブ
• アクティブではありません
• スナップショットを撮る
• スナップショットを適用する
• スナップショットを削除する
• ディスクのマージ

他の管理タスク（一時停止、保存、電源オフ）はVMMSではなく、対応する仮想マシンのワークフローによって直接実行されます。
VMMSサービスは、システムサービス（VMMS.exe）としてユーザーレベルとカーネルレベルの両方で動作し、リモートプロシージャコール（RPC）およびWindows Management Instrumentation（WMI）サービスに依存しています。 VMMSには、仮想マシンを管理するためのインターフェイスを提供するWMIプロバイダーなど、多くのコンポーネントが含まれています。 これにより、コマンドラインからVBScriptおよびPowerShellスクリプトを使用して仮想マシンを管理できます。 System Center Virtual Machine Managerは、このインターフェイスを使用して仮想マシンを管理します。

仮想マシンのワークフロー（VMWP）

親パーティションから仮想マシンを管理するために、特別なプロセス-仮想マシンワークフロー（VMWP）が起動されます。 このプロセスはユーザーレベルで機能します。 実行中の仮想マシンごとに、VMMSは個別のワークフローを開始します。 これにより、仮想マシンを相互に分離できます。 セキュリティを強化するために、組み込みのユーザーアカウントネットワークサービスでワークフローが起動されます。
VMWPプロセスは、対応する仮想マシンを管理するために使用されます。 彼のタスクは次のとおりです。
仮想マシンの作成、構成、および起動
一時停止して続行（一時停止/再開）
状態の保存と復元（状態の保存/復元）
スナップショットの作成（スナップショット）
さらに、ゲストOSメモリの提供、割り込みの管理、および仮想デバイスの使用に使用される仮想マザーボード（VMB）をエミュレートするワークフローです。

仮想デバイス

仮想デバイス（VDev）は、仮想マシンの構成とデバイス管理を実装するソフトウェアモジュールです。 VMBには、Intel 440BXチップセットと同一のPCIバスとシステムデバイスを含む仮想デバイスの基本セットが含まれています。 仮想デバイスには2つのタイプがあります。

• エミュレートされたデバイス-VESAビデオアダプタなどの特定のハードウェアデバイスをエミュレートします。 エミュレートされたデバイスは多数あります。たとえば、BIOS、DMA、APIC、ISAおよびPCIバス、割り込みコントローラー、タイマー、電源管理、シリアルポートコントローラー、システムスピーカー、PS / 2キーボードおよびマウスコントローラー、エミュレート（レガシー）イーサネットアダプター（ DEC / Intel 21140）、FDD、IDEコントローラー、VESA / VGAビデオアダプター。 そのため、ゲストOSのロードには仮想IDEコントローラーのみを使用でき、合成デバイスであるSCSIは使用できません。
• 合成デバイス-自然界に実際に存在する腺をエミュレートしません。 例としては、合成ビデオアダプター、ヒューマンインタラクションデバイス（HID）、ネットワークアダプター、SCSIコントローラー、合成割り込みコントローラー、メモリコントローラーがあります。 統合デバイスは、統合コンポーネントがゲストOSにインストールされている場合にのみ使用できます。 合成デバイスは、親パーティションで実行されている仮想化サービスプロバイダーを介してサーバーハードウェアデバイスにアクセスします。 その魅力は、物理デバイスをエミュレートするよりもはるかに高速な仮想バスVMBusを使用することです。

仮想インフラストラクチャドライバー（VID）

仮想インフラストラクチャドライバー（vid.sys）はカーネルレベルで実行され、パーティション、仮想プロセッサ、およびメモリを管理します。 このドライバーは、ハイパーバイザーとユーザーレベルの仮想化スタックのコンポーネント間の中間リンクでもあります。

ハイパーバイザーインターフェイスライブラリ

ハイパーバイザーインターフェイスライブラリ（WinHv.sys）は、統合コンポーネントがインストールされている場合、ホストOSとゲストOSの両方でロードされるカーネルレベルのDLLです。 このライブラリは、OSとハイパーバイザー間の相互作用に使用されるハイパーコールインターフェイスを提供します。

仮想化サービスプロバイダー（VSP）

仮想化サービスプロバイダーは親パーティションで動作し、仮想化サービス（VSC）クライアントを介してゲストOSにハードウェアデバイスへのアクセスを提供します。 VSPとVSC間の通信は、VMBus仮想バスを介して行われます。

仮想マシンバス（VMBus）

VMBusの目的は、親パーティションと子パーティション間で高速アクセスを提供することですが、他のアクセス方法は、デバイスをエミュレートする際のオーバーヘッドが大きいため、はるかに遅くなります。
ゲストOSが統合コンポーネントをサポートしていない場合、デバイスエミュレーションを使用する必要があります。 これは、ハイパーバイザーがゲストOSの呼び出しをインターセプトし、エミュレートされたデバイスにリダイレクトする必要があることを意味します。これは、仮想マシンのワークフローによってエミュレートされます。 ワークフローはユーザー空間で実行されるため、エミュレートされたデバイスを使用すると、VMBusを使用した場合に比べてパフォーマンスが大幅に低下します。 そのため、ゲストOSをインストールした直後に統合コンポーネントをインストールすることをお勧めします。
既に述べたように、VMBusを使用する場合、ホストとゲストOS間の相互作用は、クライアントサーバーモデルに従って発生します。 親パーティションでは、サーバー部分である仮想化サービスプロバイダー（VSP）が起動され、子パーティションではクライアント部分-VSCが起動されます。 VSCは、VMBusを介してゲストOS要求を親パーティションのVSPにリダイレクトし、VSP自体が要求をデバイスドライバーにリダイレクトします。 この対話プロセスは、ゲストOSに対して完全に透過的です。

補助パーティション

Hyper-Vアーキテクチャを使用した図面に戻りましょう。子パーティションのみに関心があるため、少しだけ削減します。

図 7子会社

したがって、子パーティションにインストールできます：

• 統合コンポーネントがインストールされたWindows OS（この場合、Windows 7）
• OSはWindowsファミリーのものではありませんが、統合コンポーネント（この場合はRed Hat Enterprise Linux）をサポートします
• 統合コンポーネントをサポートしていないOS（たとえば、FreeBSD）。

3つのケースすべてで、子パーティションのコンポーネントのセットはわずかに異なります。

統合コンポーネントがインストールされたWindows OS

Windows 2000以降のMicrosoft Windowsオペレーティングシステムは、統合コンポーネントのインストールをサポートしています。 ゲストOSにHyper-V Integration Servicesをインストールすると、次のコンポーネントが起動します。

• 仮想化サービスクライアント。 VSCは、VSPを介してVMBusを介して物理デバイスにアクセスできる合成デバイスです。 VSCは、統合コンポーネントをインストールした後にのみシステムに表示され、合成デバイスの使用を許可します。 統合コンポーネントをインストールしないと、ゲストOSはエミュレートされたデバイスのみを使用できます。 Windows 7およびWindows Server 2008 R2には統合コンポーネントが含まれているため、追加でインストールする必要はありません。
• 改善。 これにより、OSコードが変更され、OSがハイパーバイザーで動作するようになり、仮想環境での効率が向上します。 これらの変更は、ディスク、ネットワーク、グラフィックサブシステム、および入出力サブシステムに関係します。 Windows Server 2008 R2およびWindows 7には既に必要な変更が含まれています;サポートされている他のオペレーティングシステムでは、このために統合コンポーネントをインストールする必要があります。

また、統合コンポーネントは次の機能を提供します。

• ハートビート-子パーティションが親からの要求に応答するかどうかを判断するのに役立ちます。
• レジストリキーの交換-子パーティションと親パーティション間でレジストリキーを交換できます。
• ホストとゲストOS間の時刻同期
• ゲストOSのシャットダウン
• 一貫したバックアップを提供するボリュームシャドウコピーサービス（VSS）。

OSはWindowsファミリーのものではありませんが、統合コンポーネントをサポートしています

Windowsファミリーの一部ではないが、統合コンポーネントをサポートするOSもありますが、現時点ではSUSE Linux Enterprise ServerとRed Hat Enterprise Linuxのみです。 統合コンポーネントをインストールする際、このようなOSはサードパーティのVSCを使用して、VMBusおよびアクセス機器を介してVSCと対話します。 Linux用の統合コンポーネントは、MicrosoftとCitrixが共同で開発したもので、Microsoftダウンロードセンターからダウンロードできます。 Linuxの統合コンポーネントはGPL v2ライセンスでリリースされたため、 Linux Driver Projectを介してLinuxカーネルに統合する作業が進行中です。これにより、サポートされるゲストオペレーティングシステムのリストが大幅に拡張されます。

結論の代わりに

これで、おそらくHyper-Vのアーキテクチャに関する2番目の記事を終了します。 前回の記事では、一部の読者からいくつかの質問が寄せられましたが、今ではそれらに答えることを望んでいます。
読書があまりにも退屈ではないことを願っています。 私は「アカデミック言語」を非常に頻繁に使用しましたが、この記事の主題は非常に多くの理論とほぼゼロ点ゼロの実践を暗示しているため、これは必要でした。

Mitch TullochとMicrosoft Virtualization Teamに感謝します。 彼らの本「Microsoft Virtualization Solutionsの理解」に基づいて、記事が作成されました。