[仮想化] 02. QEMUとKVM: オープンソース仮想化の中核

[System Emulation]                    [User-mode Emulation]

+-------------------+                 +-------------------+
|    Guest OS       |                 |  Guest Binary     |
|  (Full System)    |                 |  (Single Process) |
+-------------------+                 +-------------------+
| Virtual Hardware  |                 | Syscall変換レイヤー|
| CPU, RAM, Disk,   |                 | (Linux-user /     |
| NIC, GPU, USB     |                 |  BSD-user)        |
+-------------------+                 +-------------------+
|    QEMU Engine    |                 |    QEMU Engine    |
+-------------------+                 +-------------------+
|   Host OS / HW    |                 |   Host OS / HW    |
+-------------------+                 +-------------------+

# システムエミュレーション例: ARMシステムの起動
qemu-system-aarch64 \
  -M virt -cpu cortex-a72 \
  -m 2G -nographic \
  -kernel Image -append "console=ttyAMA0"

# ユーザーモードエミュレーション例: ARMバイナリをx86で実行
qemu-aarch64 ./arm-binary

Guest Code (例: ARM)
    |
    v
[Frontend] ゲスト命令をデコード
    |
    v
TCG IR (Intermediate Representation)
    |
    v
[Backend] ホスト命令に変換 (例: x86)
    |
    v
Translation Block (TB) をキャッシュ
    |
    v
Host CPUで実行

[TCG Translation Blockキャッシュ]

Guest PC 0x1000 --> TB #1 (Host code at 0x7f001000)
Guest PC 0x1040 --> TB #2 (Host code at 0x7f001200)
Guest PC 0x1080 --> TB #3 (Host code at 0x7f001400)
         ...
TB #1 --> TB #2 --> TB #3  (チェイニングで直接ジャンプ)

# qcow2イメージの作成（シンプロビジョニング）
qemu-img create -f qcow2 disk.qcow2 100G

# スナップショットの作成
qemu-img snapshot -c snap1 disk.qcow2

# スナップショット一覧の確認
qemu-img snapshot -l disk.qcow2

# イメージフォーマットの変換
qemu-img convert -f vmdk -O qcow2 source.vmdk target.qcow2

# イメージ情報の確認
qemu-img info disk.qcow2

+------------------+
|     Guest VM     |
+------------------+
|  VirtIO-blk/SCSI |
+------------------+
|  QEMU Block Layer|
+--+--+--+--+--+--+
   |  |  |  |  |
   v  v  v  v  v
 File NBD iSCSI Ceph GlusterFS
              RBD

[従来のエミュレーション]             [VirtIO準仮想化]

Guest OS                            Guest OS
  |                                   |
  v                                   v
エミュレートされたe1000 NIC         VirtIO-netドライバ
  |                                   |
  v                                   v
QEMUが全レジスタ                  共有メモリリングバッファ
アクセスを処理（多数のVM Exit）     （最小限のVM Exit）
  |                                   |
  v                                   v
Host NIC                            Host NIC

+--------+    +--------+    +--------+
| VM 1   |    | VM 2   |    | VM 3   |
| virtio |    | virtio |    | virtio |
+---+----+    +---+----+    +---+----+
    |             |             |
+---+-------------+-------------+---+
|          Linux Bridge              |
|          (virbr0)                  |
+----------------+-------------------+
                 |
            Physical NIC
              (eth0)

# TAP + Bridgeネットワーク設定
sudo ip link add br0 type bridge
sudo ip link set eth0 master br0
sudo ip link set br0 up

# QEMUでTAPネットワークを使用
qemu-system-x86_64 \
  -netdev tap,id=net0,ifname=tap0,script=no \
  -device virtio-net-pci,netdev=net0

QEMU Process (User Space)
    |
    | ioctl(KVM_RUN)
    v
KVM Module (Kernel Space)
    |
    | VMLAUNCH / VMRESUME
    v
Guest Mode (VMX non-root)
    |
    | VM Exit発生
    v
KVM Module (Kernel Space)
    |
    | KVMが処理可能 -> 直接処理
    | 不可能 -> QEMUに返却
    v
QEMU Process (User Space)
    |
    | デバイスエミュレーション等を処理
    | 再度 ioctl(KVM_RUN)
    v
    ... (繰り返し)

[パフォーマンス比較 (相対値, ネイティブ = 100)]

CPU演算 (整数/浮動小数点):
  Native:    ████████████████████████████████████████ 100%
  QEMU+KVM:  ███████████████████████████████████████  98%
  QEMU(TCG): ██████████                               25%

ディスクI/O (VirtIO):
  Native:    ████████████████████████████████████████ 100%
  QEMU+KVM:  ████████████████████████████████████     90%
  QEMU(TCG): ████████████                             30%

ネットワーク (vhost-net):
  Native:    ████████████████████████████████████████ 100%
  QEMU+KVM:  ██████████████████████████████████████   95%
  QEMU(TCG): ██████████                               25%

# 1. IOMMUの有効化（GRUBで）
# Intel: intel_iommu=on iommu=pt
# AMD: amd_iommu=on iommu=pt

# 2. IOMMUグループの確認
for d in /sys/kernel/iommu_groups/*/devices/*; do
  n=$(basename "$d")
  echo "IOMMU Group $(basename $(dirname $(dirname "$d"))): $n $(lspci -nns "$n")"
done

# 3. GPUをvfio-pciにバインド
# GPUのベンダー:デバイスIDを確認
lspci -nn | grep -i nvidia
# 出力例: 01:00.0 VGA ... [10de:2484]
# 出力例: 01:00.1 Audio ... [10de:228b]

# vfio-pciにバインド
echo "10de 2484" > /sys/bus/pci/drivers/vfio-pci/new_id
echo "10de 228b" > /sys/bus/pci/drivers/vfio-pci/new_id

# 4. QEMUでGPUパススルーを実行
qemu-system-x86_64 \
  -enable-kvm \
  -m 16G \
  -cpu host \
  -smp 8 \
  -device vfio-pci,host=01:00.0,multifunction=on \
  -device vfio-pci,host=01:00.1 \
  -drive if=pflash,format=raw,readonly=on,file=OVMF_CODE.fd \
  -drive if=pflash,format=raw,file=OVMF_VARS.fd \
  -drive file=vm-disk.qcow2,format=qcow2,if=virtio

+-------------------+
|    Guest VM       |
|  (GPUドライバ)    |
+-------------------+
|   VFIO-PCI        |
|  (パススルー層)   |
+-------------------+
|    IOMMU           |
|  (DMAリマッピング) |
+-------------------+
|  Physical GPU      |
|  (NVIDIA/AMD)     |
+-------------------+

# 基本的なVMの作成と実行
qemu-system-x86_64 \
  -enable-kvm \
  -name "ubuntu-server" \
  -m 4G \
  -smp cores=4 \
  -cpu host \
  -drive file=ubuntu.qcow2,format=qcow2,if=virtio \
  -cdrom ubuntu-22.04-server.iso \
  -boot d \
  -device virtio-net-pci,netdev=net0 \
  -netdev user,id=net0,hostfwd=tcp::2222-:22 \
  -vnc :1 \
  -monitor stdio

# SSH接続（ホストから）
ssh -p 2222 user@localhost

# ライブマイグレーション（ソースから）
# 宛先ホストで同じVM設定に -incoming tcp:0:4444 オプションを追加して起動後
# ソースで実行（QEMUモニター）:
# migrate tcp:dest-host:4444