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【応用情報技術者試験】仮想化

前提

  • 物理サーバー：ホストOSがインストールされている物理的なサーバー
  • ホストOS：物理サーバーにインストールされているOS（一般的なPCでいうWindows OS や Mac OS等）
  • ハイパーバイザー：仮想サーバー（VM）を作成／実行するソフトウェア
  • 仮想サーバー（VM）：物理サーバーの余剰リソースを使用して作成されるサーバーおよび仮想環境
  • ゲストOS：仮想サーバー上にインストールされているOS

仮想化

仮想化はソフトウェアの開発で使用される手法であり、一つの物理サーバーの上で「仮想的に」サーバーを構築するという技術を指します。

Windows PC上でのWebアプリケーション開発を例に挙げると、Webアプリとして「Webサーバー」「アプリケーションサーバー」「DBサーバー」が必要になりますが、これらのサーバーを物理的に用意するのではなく一つの物理サーバー（Windows）上で仮想的に（WebサーバーやDBサーバーを）構築するようなイメージです。

専用のサーバーを用意する必要がないため、サーバーの費用や電力、物理的なスペースなどのコストを削減できることがメリットになります。

仮想化技術の種類

仮想化技術には主に

  • ハイパーバイザー型（タイプ1ハイパーバイザー）
  • ホスト型（タイプ2ハイパーバイザー）
  • コンテナ型

の3種類が存在し、次項でそれぞれの違いを見ていきます。

ハイパーバイザー型

ハイパーバイザー型は、ハイパーバイザーが物理サーバー上で直接動作し、その上に仮想サーバーを構築します。

  • ホストOSを必要とせず、本来役割を担っているホストOSの代わりにハイパーバイザーがハードウェアを直接制御するため、仮想マシンのパフォーマンスが上がる
  • 複数の仮想マシンを効率よく稼働させるための仕組みがある
  • 例：Microsoft Hyper-V, VMWare ESX-i, Linux KVM
type1-hyper-v.png

ホスト型

ホスト型 は、ホストOSのソフトウェアとしてハイパーバイザー（等の仮想化ソフトウェア）が実行され、その上に仮想サーバーを構築します。

  • ホストOSの上にソフトウェアとしてインストールして使用するため、設定がシンプル
  • ハードウェアへのアクセスはホストOSを経由して行われるため、余計なオーバーヘッドがかかる
    • ホストOSは仮想マシンに対してハードウェアリソースの割り当て管理をしているため、仮想マシンが増えるとホストOSの負荷が懸念される
  • 仮想マシンごとに、ホストOSとは異なるゲストOSをインストールできる
  • 一般的なデスクトップOS上で動作するため、個々の環境でテストや開発がしやすい
  • 例：Oracle VM VirtualBox, VMware Palyer, VMWare Fusion
type2-hyper-v.png

コンテナ型

コンテナ型の場合はゲストOSを必要とせず「仮想マシン／仮想サーバー」を構築しないため、ホスト型・ハイパーバイザー型とは全く異なる概念となります。

OSの機能はホストOSに依存しているため、そのホストOS（Linuxカーネル等）が利用するアプリケーションを実行するための環境をコンテナごとに管理し、コンテナは「コンテナエンジン」というソフトウェアで動作します。

そのためコンテナはあくまでもアプリケーションを実行する役割となり、サーバーの中核機能（OSの機能）はホストOSへ任せることになります。

container.png
  • ゲストOSが不要であるコンテナではホストOSのカーネルを共有して動作するが、各コンテナには必要なライブラリやバイナリ等（bin/lib）のユーザー空間が含まれ、これがアプリケーションの実行に必要な最低限のOSコンポーネントを提供する。そのためOSのコア機能（カーネル）はホストOSに依存し、独立したユーザー空間だけがコンテナごとに用意される（Docker Engineを実行する場合、WindowsではWSL2、MacではLinuxKitがホストOSにあたる）
  • ホストOSのみで動作するため、リソースの消費量が少なく動作速度も速い
  • ホスト型やハイパーバイザー型のように、ホストOSと異なるOSを持つ仮想マシンを稼働させることができない
  • 例：Docker, Kubernetes, LXC（Linux Containers）

OSの有無
ハイパーバイザー型：ゲストOSのみ
ホスト型：ホストOSとゲストOS両方
コンテナ型：ホストOSのみ

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