仮想マシン（VM）とは？仕組み・種類・性能・運用・セキュリティを徹底解説

2025年11月18日 最終更新日時 : 2025年11月18日 エバープレイ編集部

仮想マシン（VM）とは何か — 定義と基本概念

仮想マシン（Virtual Machine, VM）は、物理的なコンピュータ（ホスト）上でソフトウェア的に再現された「仮想的なコンピュータ」です。ゲストOSやアプリケーションは実際のハードウェアで動作しているかのように振る舞いますが、実際にはハイパーバイザー（またはホストOS）がCPU、メモリ、ストレージ、ネットワークなどのリソースを割り当て・仲介しています。

歴史的背景と発展

仮想化の概念は1960年代のメインフレーム時代に遡ります。VM/370などの技術で複数の論理的なマシンを一台の物理マシン上で分離して動作させる試みが行われ、その後x86アーキテクチャ向けに商用・オープンソースのハイパーバイザー（VMware、Xen、KVM、Hyper-Vなど）が登場しました。近年はクラウドコンピューティングやコンテナ技術の普及と並行して、パフォーマンスやセキュリティを向上させる様々な工夫が加えられています。

主要なアーキテクチャと種類

仮想化の実装にはいくつかの形態があります。代表的なのは「タイプ1（ベアメタル）ハイパーバイザー」と「タイプ2（ホスト型）ハイパーバイザー」です。

  • タイプ1（ベアメタル）ハイパーバイザー：物理ハードウェア上で直接動作するハイパーバイザー。例：VMware ESXi、Microsoft Hyper‑V（ハイパーバイザーモード）、Xen。ベアメタルのため低レイテンシで高いパフォーマンスと隔離性が期待できます。
  • タイプ2（ホスト型）ハイパーバイザー：既存のホストOS上で動作するソフトウェア層として動く。例：Oracle VirtualBox、VMware Workstation。デスクトップ用途や開発環境で使われることが多いです。

仮想化手法の違い

  • フル仮想化（Full Virtualization）：ゲストOSを改変せずに仮想化を実現。ハイパーバイザーが命令をトラップ＆エミュレーションすることで動作します。ハードウェア支援（Intel VT-x、AMD‑V）が普及する前はオーバーヘッドが課題でした。
  • 準仮想化（Paravirtualization）：ゲストOS側に仮想化フレンドリーな修正（パッチ）を入れ、ハイパーバイザーとの協調によりトラップ回数を削減して性能を向上させる手法。Xenの初期などで採用されました。
  • ハードウェア支援仮想化：CPUやチップセットの仮想化支援命令（Intel VT-x、AMD‑V）を利用して、効率よく仮想化を実現します。現代の主要な仮想化プラットフォームはこれを利用しています。

VMの主要コンポーネント

  • ゲストOS：仮想マシン上で動作するOS（例：Windows Server、Linuxなど）。ホストOSとは独立して管理されます。
  • 仮想ハードウェア：仮想CPU、仮想メモリ、仮想ネットワークインターフェース、仮想ディスクなど。これらは実際の物理リソースを抽象化したものです。
  • ハイパーバイザー / 仮想化レイヤ：リソース割当、スケジューリング、I/O仲介、スナップショット、ライブマイグレーションなどを制御するソフトウェア層。
  • 管理ツール：VMの作成、削除、テンプレート管理、監視、バックアップを行うためのツール群（例：VMware vCenter、Microsoft System Center、libvirt/virt‑managerなど）。

性能と制約

仮想マシンは便利ですが、物理サーバに比べてオーバーヘッドが発生します。以下の要素が性能に影響します。

  • CPUオーバーヘッド：仮想化による文脈切替や仮想化命令の処理が発生。ハードウェア支援やパラバーチャリゼーションで低減可能。
  • メモリ管理：メモリのオーバーコミット（複数VMに対して合計以上のメモリを割当てる）やバルーニング（ballooning）などの技術でメモリの効率化をはかるが、スワップが発生すると性能劣化する。
  • ストレージI/O：仮想ディスクフォーマットやバックエンドのストレージ性能に依存。QCOW2のような遅延割当形式は便利だがパフォーマンスに影響する場合がある。
  • ネットワークI/O：仮想スイッチや仮想NICによる追加レイヤが遅延やスループットに影響することがある。SR‑IOVなどの技術で性能向上が可能。

運用機能：スナップショット、マイグレーション、バックアップ

  • スナップショット：VMの状態（メモリ、ディスクの差分、設定）を時点で記録。テストやロールバックに有効だが、長期保持や深い差分チェーンはディスク性能や管理上の問題を引き起こす。
  • ライブマイグレーション：稼働中のVMを停止時間を最小化して別ホストに移動する技術（例：VMware vMotion、KVMのライブマイグレーション）。共有ストレージやネットワーク帯域、CPUアーキテクチャの互換性が要件となる場合が多い。
  • バックアップと復元：スナップショットはバックアップではない。スナップショットからのリストアは可能だが、バックアップは外部ストレージへのエクスポートやエージェントベースの整合性確保が重要。

セキュリティ上の注意点

VMは物理的分離をソフトウェアで提供するため、セキュリティ面の考慮が必要です。

  • ハイパーバイザー攻撃（VM escape）：ゲストからハイパーバイザーや他のゲストへ侵害が及ぶリスク。ハイパーバイザーの脆弱性対策と最小限の攻撃面にする設計が重要です。
  • 隔離とアクセス管理：管理ネットワークとゲストネットワークの分離、適切な権限管理、ログ監視が必要です。
  • 暗号化・秘密計算：ディスク暗号化、仮想マシン暗号化（VM Encryption）、および最近のTEE/Confidential Computing（例：AMD SEV, Intel TDX）による保護が進んでいます。

VMとコンテナの違い

コンテナ（Docker、CRI/Oなど）はOSレベルの仮想化であり、ホストカーネルを共有します。一方でVMはフルなゲストOSを持つため隔離性が高い反面、リソース効率や起動時間でコンテナに劣る場合があります。用途に応じて、コンテナはマイクロサービスやスケールアウトに適し、VMは別OSを必要とする環境や高い隔離性を要求する場合に適しています。両者は併用されることも多く、例えばコンテナをVM内で動かす運用も一般的です。

代表的な仮想化ソフトウェアとフォーマット

  • 商用・エンタープライズ：VMware ESXi / vSphere、Microsoft Hyper‑V、Nutanixなど。
  • オープンソース：KVM（libvirt/QEMU）、Xen、oVirtなど。
  • デスクトップ向け：Oracle VirtualBox、VMware Workstation/Playerなど。
  • 仮想ディスク形式：VMDK（VMware）、VHD/VHDX（Microsoft）、QCOW2（QEMU/KVM）など。クラウドベンダーは独自や最適化されたフォーマットを提供することが多い。

ユースケース

  • サーバ統合・ハードウェア資源の有効活用
  • テスト/開発環境の迅速なプロビジョニング
  • レガシーアプリケーションの維持（古いOSを仮想化して継続稼働）
  • 災害復旧とバックアップ戦略（サイト間レプリケーション、スナップショット）
  • クラウド基盤（IaaS）は大規模な仮想化管理の延長線上にあります

運用上のベストプラクティス

  • 適切なサイズ設計（right‑sizing）：CPUやメモリを過剰に割り当てない。
  • モニタリングとメトリクス収集：CPU負荷、I/O待ち、ネットワーク帯域、メモリスワップなどを継続監視。
  • パッチと脆弱性管理：ハイパーバイザーの更新は慎重に計画して実施する。
  • スナップショット管理：短期のテスト用途に限定し、長期保存にはバックアップを用いる。
  • 可用性設計：クラスタリング、DR、ライブマイグレーションを活用する。

今後の動向

仮想化技術は今後も進化を続けます。軽量な「マイクロVM」やFirecrackerのような技術、ユニカーネルの研究、機密性保護のためのTEE統合（Confidential VMs）、さらにはコンテナとVMの融合的な運用が進むと見られます。また、ハードウェア側の仮想化支援の拡充やネットワーク・ストレージのSDN/SD‑Storageとの連携により、性能と運用性はさらに向上していきます。

まとめ

仮想マシンは物理リソースを抽象化し、隔離された計算環境を提供する重要な技術です。用途や要件に応じて適切なハイパーバイザー、仮想化方式、運用手法を選ぶことが求められます。性能、セキュリティ、可用性のバランスをとりながら、監視・バックアップ・パッチ管理を徹底することで、安定した仮想化基盤を構築できます。

参考文献

カテゴリー
IT
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