I/Oバーチャライゼーション - 百科事典

仮想化において、入出力仮想化（I/O仮想化）は、企業環境におけるサーバーの管理を簡素化し、コストを削減し、パフォーマンスを向上させる方法論です。I/O仮想化環境は、物理接続から上位層プロトコルを抽象化することで作成されます。

この技術により、1つの物理アダプターカードが複数の仮想ネットワークインターフェースカード（vNICs）や仮想ホストバスアダプター（vHBAs）として見えるようになります。仮想NICsとHBAsは従来のNICsとHBAsと同様に機能し、現存するオペレーティングシステム、ハイパーバイザー、およびアプリケーションと互換性を持たせられています。ネットワークリソース（LANおよびSAN）に対しては、通常のカードとして見えます。

物理的な観点から見ると、仮想I/Oはサーバーの複数のI/Oケーブルを1本のケーブルで置き換え、すべてのネットワークおよびストレージ接続に対して共有のトランスポルトを提供します。そのケーブル（または一般的には冗長性のための2本のケーブル）は外部デバイスに接続され、そのデバイスがデータセンターのネットワークに接続を提供します。

背景
サーバーI/Oは、特に仮想化サーバーにおいて、成功と効果的なサーバー展開の重要な構成要素です。複数のアプリケーションをサポートするために、仮想化サーバーはより多くのネットワークバンド幅とネットワークおよびストレージへの接続が必要です。調査によると、75％の仮想化サーバーはデバイスごとに7本以上のI/O接続が必要であり、より頻繁なI/O再構成が必要です。

仮想化されたデータセンターでは、1つのサーバーに多くの仮想マシン（VMs）を動作させているため、I/Oパフォーマンス問題が発生します。初期のサーバー仮想化実装では、サーバーごとに通常6本以下の仮想マシンの数に制限されていましたが、1つのサーバーに7本以上のアプリケーションを安全に実行できることが判明しました。これは、非仮想化サーバーにおける平均5～15％の利用率を超える80％のサーバー容量を使用することで達成されました。

しかし、仮想化によって生じた利用率の向上は、サーバーのI/O容量に大きな負荷をかけました。ネットワークトラフィック、ストレージトラフィック、サーバー間通信が組み合わさり、サーバーのチャンネルをオーバーウェイトし、データ待ち込み中のバックログとアイドルCPUを引き起こします。

仮想I/Oは、I/Oを1本の接続に統合することで、パフォーマンスのボトルネックを解消し、理想的にはサーバー自体のI/O容量を超えるバンド幅を提供することで、I/Oリンク自体がボトルネックにならないようにします。そのバンド幅は、リアルタイムで複数の仮想接続に動的に割り当てられ、ストレージとネットワークリソースの両方に割り当てられます。I/O集中型アプリケーションでは、このアプローチにより、VMのパフォーマンスとサーバーごとのVMの潜在数を増加させることができます。

品質サービス（QoS）制御を含む仮想I/Oシステムは、特定の仮想マシンに対してI/Oバンド幅を調整することで、重要なアプリケーションに対する予測可能なパフォーマンスを保証し、プロダクションサーバーおよびエンドユーザーアプリケーション向けのサーバー仮想化の適用性を向上させます。

機能
管理の柔軟性：物理接続から上位層プロトコルを抽象化することで、I/O仮想化は従来のNICおよびHBAカードアーキテクチャに比べてより高い柔軟性、利用率、迅速なプロビジョニングを提供します。仮想I/O技術は動的に拡張および縮小（従来の物理I/Oチャンネルは固定および静的）ができ、通常、各サーバーに対して複数のネットワークおよびストレージ接続を1本のケーブルで複数のトラフィック種別を持ちます。構成変更はハードウェアではなくソフトウェアで実行されるため、データセンターの一般的なタスク（サーバーの追加、ストレージやネットワーク接続の追加など）を実行する時間を数日から数分に短縮できます。

コスト削減：仮想I/Oは、カード、ケーブル、スイッチポートを少なく使用しながらも、完全なネットワークI/Oパフォーマンスを達成することで、コストを削減し、サーバーの管理を簡素化します。また、LANおよびSANネットワークスイッチの統合とより良い利用を通じてデータセンターのネットワーク設計を簡素化します。

ケーブル削減：仮想化されたI/O環境では、サーバーをストレージおよびネットワークトラフィックに接続するために、1本のケーブルのみが必要です。これにより、データセンター内のサーバーからネットワーク、サーバーからストレージのケーブルを1つのサーバーラック内で70％以上削減できます。これにより、コスト、複雑さ、電力要件が削減され、高速なインターコネクトがさまざまな要件間で動的に共有されるため、性能が向上します。

密度の向上：I/O仮想化は、ある空間内で多くの接続が存在できるようにすることで、実際のI/O密度を向上させます。これにより、I/O制約のある密集型1U高サーバーやブレードサーバーの利用が可能になります。

ブレードサーバーチャスは、多くのサーバー（および多くのI/O接続）を小さな物理空間にパッケージ化することで密度を向上させます。仮想I/Oはすべてのストレージおよびネットワーク接続を1つの物理インターコネクトに統合し、ポート数に対する物理的な制約を排除します。仮想I/Oはまた、ソフトウェアベースの構成管理を可能にし、I/Oデバイスの管理を簡素化します。この組み合わせにより、ある空間内で多くのI/Oポートを展開することができ、結果として生じる環境の実際の管理を促進します。

参考情報
Intel VT-dとAMD-Vi
Intel VT-x
PCI-SIG I/O仮想化
x86仮想化