仮想化: QEMU x KVM = Arch on Arch

仮想化技術とは様々な計算リソース(cpuやメモリ)を抽象化させることで拡張性や柔軟性を向上させることを目的とした技術です。

CPUやメモリなどの計算資源を抽象化するためにハイパーバイザーと呼ばれるソフトウェア・ファームウェアが利用されることがあり余す。通常、ハードウェアの上にOSがあり、OSの上にミドルウェアがあり、ミドルウェアの上にアプリケーションが動作しています。

しかし、ハイパーバイザーはCPUやメモリなどの計算資源を抽象化し、仮想マシンと呼ばれるハードウェアのエミュレータを作成し、起動させます。

また、仮想マシン上でOSを動作させることができ、これにより単一のハードウェア上で複数の異なるOSを動作させることが可能となります。

ハイパーバイザーのタイプ

さて、上のようにハイパーバイザーを導入しましたが、ハイパーバイザーには2種類のタイプがあります。

直感的にわかるとおもいますが、タイプ1のほうが効率的に動作します。また、構成もシンプルであり、セキュリティリスクも低く、安定的に動作し、拡張も容易です。
タイプ2のハイパーバイザーにはOracle VirtualBox, VMWare Workstationなどが挙げられます。

完全仮想化

ハイバーバイザー上にハードウェアを再現する際に、より効率的で完全なハードウェアシミュレーションを再現する技術を完全仮想化(full virtualization)と言います。

タイプ1であれタイプ2であれ、ハイパーバイザーはその上で仮想マシンの作成・管理を行います。ですが、当たり前ですが、ハイパーバイザー上でハードウェアをエミュレーションするのではなく、実際のハードウェアの機能を用いたほうが効率的に動作します。

完全仮想化を実現する手段の一つとしてHAV(hardware-assited virtualization)があります。これは実際のハードウェアを利用して完全仮想化を達成しようとする方法です。

KVM

KVMとはLinuxカーネルに組み込まれているタイプ1のハイパーバイザー(機能)です。ハードウェア上の計算資源を直接仮想マシンに提供できるという点でタイプ1のハイパーバイザーの機能を担いますが、動作にはホストOSが必要です。

KVMの役割はLinuxカーネルと通して、CPUとメモリの計算資源を仮想化し、仮想マシンが実際のハードウェにアクセスすることを可能にします。つまり、仮想マシンが完全仮想化を達成するための仮想化を提供します。 KVM自体はハードウェアのエミュレーション自体を行わないためにKVM単体で仮想マシンを作成し、起動することはできません。

KVMを利用するためにはハードウェア自体が仮想化をサポートしているかを確認する必要があります。

LC_ALL=C lscpu | grep Virtualization

これでプロセッサが仮想化をサポートしていれば仮想化をすることができます。

次にカーネルモジュールが使用できるかを確認します。なければインストールしてください。

zgrep CONFIG_KVM /proc/config.gz

仮想マシン QEMU

QEMUはハードウェアエミュレータです。特にKVMから提供される仮想化されたCPUやメモリを利用することで完全仮想化を実現した仮想マシンを作成することができます。

sudo pacman -S qemu-full

どれを利用するかはエミュレートしたいシステムがどのアーキテクチャを採用しているか、実行サイズを小さくしたいかなどの観点から決定してください。

x	full system emulation	user mode emulation
動的リンク	qemu-system-{archtechture}	qemu-x86_64, qemu-arm
静的リンク	non	qemu-user-static

Arch linuxではqemu-desktop(qemu-system-x86_64)が利用できるのでこれを利用します。(もしくはqemu-fullに入っています。)

sudo pacman -S qemu-full
or
sudo pacman -S qemu-desktop

仮想マシンのGUI管理ソフトであるlibvirtをインストールします。 (いらないかも)

sudo pacman -S libvirt

エミュレートするハードディスクの内容を保存するためにハードディスクイメージを作成します。 (Btfsを使用している場合はcopy on writeを無効にしてください。自分はext4なのでこのまま。)

qemu-img create -f raw hard_disk_img 4G

OSをインストールします。なお、適当なvmというファイルを作成し、その中で作業している。

➜  vm > file archlinux-2024.03.01-x86_64.iso
archlinux-2024.03.01-x86_64.iso: ISO 9660 CD-ROM filesystem data (DOS/MBR boot sector) 'ARCH_202403' (bootable)
➜  vm > fdisk -lu archlinux-2024.03.01-x86_64.iso
Disk archlinux-2024.03.01-x86_64.iso: 942.32 MiB, 988098560 bytes, 1929880 sectors
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0x8cc6f18c

Device                           Boot   Start     End Sectors  Size Id Type
archlinux-2024.03.01-x86_64.iso1 *         64 1898495 1898432  927M  0 Empty
archlinux-2024.03.01-x86_64.iso2      1898496 1929215   30720   15M ef EFI (FAT-12/16/32)

qemu-system-x86_64 -cdrom archlinux_2024.iso -accel kvm -boot order=d -drive file=hard_disk_img,format=raw

ちなみにこのあと、自分の環境ではBIOSの画面からbootできずに一歩も動か得なくなってしまった。試行錯誤

トラブルシューティングを見てみると仮想マシンがArchISOで起動しないがある。これによると、-m 1024というオプションをつけて、RAMを増やしてやると起動するらしい。ただし、これが必要なのはインストールメディアのサイズが原因らしく、インストール後は容量を小さくしても問題ないらしい。というわけで、

qemu-system-x86_64 -cdrom archlinux_2024.iso -accel kvm -m 1024 -boot order=d -drive file=hard_disk_img,format=raw

Arch linuxのインストール

try-and-error

以下は試したがうまく行かなかった。これはおそらくarch linuxのisoがUEFIブートをサポートしているからだろう。

QEMUはデフォルトでseabiosを使用しているためにUEFIを使用するには少し手続きが必要となる。仮想環境におけるUEFI)を使用するためにはOVMF(Open Virtual Machine Fairmware)が必要となりこれはedk2-ovmfパッケージをインストールすることにで利用できる。

いくつか方法があるが、ここではその一つを紹介する。まず、/usr/share/edk2/x64/OVMF.4m.fdをコピーしてくる。

➜  vm > cp /usr/share/edk2/x64/OVMF.4m.fd .

➜  vm > qemu-system-x86_64 -cdrom archlinux-2024.03.01-x86_64.iso -accel kvm -boot order=d -drive file=hard_disk_img,format=raw -drive if=pflash,format=raw,readonly=on,file=/usr/share/edk2/x64/OVMF_CODE.4m.fd \
-drive if=pflash,format=raw,file=./OVMF.4m.fd

すると Gesture has not initialized the display (yet) と表示されます。

文字通りディスプレイが初期化されていないことによるエラーと推測します。

余談

いろいろエラー解消している間にこんなものを見つけた。機械語見てエラーの原因突き止めてるのすさまじいよなホント。 archiso使ってみたい

仮想化

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完全仮想化

KVM

仮想マシン QEMU

Arch linuxのインストール

try-and-error

余談

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