作って理解する仮想化技術 ─⁠─ ハイパーバイザを実装しながら仕組みを学ぶ

著者: 森真誠（もりまなみ）　著
品川高廣（しながわたかひろ）　監修
定価: 3,520円（本体3,200円＋税10%）
発売日: 2025.9.19
判型: B5変形
頁数: 336ページ
ISBN: 978-4-297-15012-9 978-4-297-15013-6

サポート情報

概要

仮想化技術はいたるところで利用されています。クラウドサービスなどで、自由度の高いサーバ環境を即座に利用できるのは仮想化技術があってこそです。ソフトウェアで疑似的にマシンを再現したものを仮想マシンと呼び、仮想マシンを実現するソフトウェアをハイパーバイザと呼びます。

本書では、ハイパーバイザをステップアップ式に実装していくことで、ハイパーバイザによる仮想化技術がどのように実現されているのかを理解していきます。ハードウェアデバイスを操作する側、操作される側の両方の実装を行うことで、仮想化技術と密接に関係している低レイヤの技術を深く理解できます。

こんな方にオススメ

仮想化技術が何を行っているのかを理解したい方
ハイパーバイザの仕組みを理解したい方
マシンの仕組みを手を動かしながら理解したい方

ブートローダによる起動と文字の出力
仮想化支援機能の設定とページングの実装
割り込み処理の実装
割り込みコントローラとデバイスドライバの実装
仮想マシンを管理する枠組みの実装
仮想デバイスの実装
マルチコア対応の実装
複数の仮想マシンの起動
実装したハイパーバイザからの学び

1.6　開発環境の構築

Ubuntu 24.04 LTSの用意
MiniVisor公開リポジトリのクローン
必要なツールのインストール
QEMUのビルドとインストール

1.7　本書で使用する仕様書について

Arm社の仕様書
その他仕様書

第2章　起動してメッセージを出せるようにする

2.1　何もしないソフトウェアを起動しよう

最初に知っておいてほしいこと ── レジスタとスタック
メモリアドレスとは何か
OSの機能が使えないとは
ブートローダから起動する最低限のソフトウェア
リンカスクリプトの作成
U-Bootのビルド
ブートスクリプトの作成
実行

2.2　DTBを解析しよう

文字を出すデバイスと文字の送り方
デバイス情報の取得 ── Devicetree
- DTBとDTS
DTSの読み方
DTBをソフトウェアで処理する

2.3　文字を出そう

デバイスドライバの実装
SerialDeviceトレイトとprintlnマクロの定義
起動処理の追加
起動スクリプトの更新
実行

第3章　CPUの仮想化支援機能を使ってみる〜メモリを仮想化する

3.1　何もしない仮想化をしよう

最小限の仮想化処理をする意義
現在の例外レベルの確認
- システムレジスタにアクセスする方法 ── インラインアセンブリ
仮想化支援機能の有効化設定
例外レベルの変更
EL1で動作する何もしない関数
実行
QEMUモニタによる動作確認

3.2　メモリ管理をしよう

RAMのアドレスを取り出す
使用しているメモリ領域の予約
- DTB領域の予約
- ELFプログラムヘッダの解析
- ハイパーバイザ自体のメモリ領域の予約
- スタック領域の予約
ブートスクリプトの変更

3.3　メモリの仮想化をしよう

メモリの仮想化とは
仮想メモリの意義
- 複数のソフトウェアをメモリに配置する際の問題点
- 仮想メモリによる複数ソフトウェアの配置
- メモリアクセスを変換表を管理するソフトウェアに移行できる
ページングの概要
- 2段階ページングによるハイパーバイザでのページング
ページテーブルの構造
AArch64におけるページングの実装
- Translation tableとLevelについて
- Table descriptorの構造
- Page descriptorとBlock descriptorの構造
- ページの属性の設定
Descriptorの実装
Translation tableの初期化
- システムレジスタの設定 ── VTCR_EL2とVTTBR_EL2
アドレスのマップ処理の実装
- Page descriptorの処理
- Block descriptorとTable descriptorの処理
- Stage 2 Translationの初期化処理
実行

第4章　割り込みの仕組みと仮想デバイスを作る

4.1　割り込みのセットアップをしよう

割り込みの種類
本書における例外と割り込み
AArch64での例外処理の流れ
例外テーブルの作成
- ［column］br命令とret命令
例外ハンドラの作成

4.2　ページフォルトの原因を解析しよう

例外テーブルの登録
- ［column］スタックポインタとゼロレジスタ
EL1でのメモリアクセスの追加
実行

4.3　仮想PL011デバイスを実装しよう

仮想デバイスを実装するということ
仮想デバイスの実装
実行
仮想デバイスで実験

第5章　割り込みコントローラを制御し、デバイス割り込みを可能にする

5.1　割り込みを制御するデバイスを初期化しよう

デバイス割り込みとは
割り込みコントローラとは
使用する割り込みコントローラ
Distributorの初期化
割り込みのセットアップ
- 割り込み優先度の設定
- 割り込みグループの設定
- 割り込みのトリガモードの設定
- 割り込み先の設定
- 割り込みの有効化
Redistributorの初期化
割り込みハンドラの実装
割り込みコントローラの検出
割り込み先の設定
実行

5.2　PL011の割り込みを受け取ろう

デバイスからの割り込みの有効化
PL011の割り込みハンドラの実装
割り込み番号の取得
PL011の割り込みの有効化
実行

第6章　ファイルの読み書きをできるようにする

6.1　Virtio-Blkを制御しよう

ゲストOSの読み込み方
ブロックデバイスと通信規格
Virtioとは
Virtioの基本
Virtio Over MMIOの基本
VirtQueueの構造
Virtioドライバの実装
VirtQueueの初期化の実装
Virtio-Blkの読み書き
Virtio-Blkの検出
実行

6.2　ファイルシステムを実装しよう

ファイルシステムの意味
パーティションテーブルの構造
パーティションテーブルの解析
ファイルシステムの解析
ディレクトリエントリの解析
- ［column］ASCIIとShift_JIS
ファイルの読み出しの実装
ファイル読み込みのテスト
ディスクイメージの作成
実行

第7章　初めての仮想マシンを実装する

7.1　VM構造体を実装しよう

VM構造体の定義
仮想PL011デバイスの再実装
例外ハンドラの再実装
仮想マシンの起動処理の実装
メモリ管理機能の追加
実行

7.2　VMを起動してみよう

Linuxのブート処理
Linux Kernelの用意
仮想マシン用のDevicetreeの準備
Linux Kernel Imageの解析
実行
- ［column］Imageの先頭の8バイトの意味

第8章　Linuxが動作するようにする

8.1　GICv3の仮想化をしよう

仮想割り込みの仕組み
VGICの仕組みと実装
仮想割り込みコントローラのインタフェースの作成
仮想割り込みの挿入処理の実装
その他処理の実装
実行

8.2　仮想タイマを提供しよう

Generic Timerの概要
Generic Timerの初期化
Generic Timerの割り込み処理
実行

8.3　仮想PL011を改良しよう

レジスタの追加実装
入力と割り込みの実装
実行

8.4　Virtio-Blkデバイスを実装しよう

Virtio-Blkデバイスの実装
イメージファイルの操作処理の実装
イメージファイルの読み込みの実装
実行
ここまでを振り返って

第9章　複数のCPUコアを動作させる

9.1　コアの起動をしよう

PSCIのバージョン確認
PSCIによるCPUコアの起動
全CPUコアの起動
CPUコアの起動処理
実行

9.2　ロック機構を実装しよう

スピンロックの仕組み
Mutex構造体の実装
Compare And Swapの仕組み
- ［column］CASの実装について
メモリオーダの意味
ロックしたデータへのアクセス
グローバル変数へのMutexの適用
実行

第10章　コンソールとマルチ仮想マシンを実装する

10.1　コンソールとコマンドを実装しよう

コンソールへの入力の実装
コマンド実行部分の実装
echoコマンドの実装
poweroffコマンドの実装
入力の切り替えの実装
実行

10.2　マルチ仮想マシンを実現しよう

CPUコア起動処理の拡充
マルチ仮想マシンの管理の対応
仮想割り込みのマルチ仮想マシン対応
仮想マシン管理用コマンドの実装
実行
ここまでを振り返って

第11章　作成したハイパーバイザを発展させるには

11.1　対応デバイスの追加

11.2　独自の仮想デバイス

11.3　スナップショット機能

11.4　実機への移植

11.5　マイグレーション機能

11.6　デバイスパススルー機能

11.7　Type2ハイパーバイザの実装

11.8　Nested Virtualizationの実装

第12章　仮想化技術を使いこなす

12.1　ハイパーバイザの選び方

ハイパーバイザとエミュレータ
- ［column］エミュレータとしてのQEMU（難易度高め）
Type1ハイパーバイザとType2ハイパーバイザ
- ［column］AArch64でのType2ハイパーバイザ
完全仮想化デバイスと準仮想化デバイスの比較
コンテナとの比較

12.2　ハイパーバイザの便利な使い方

テストやデバッグ
マルウェアの解析
軽量ハイパーバイザ

12.3　これからのハイパーバイザ

クラウドと機密仮想マシン
組み込みシステムと仮想化技術

プロフィール

森真誠（もりまなみ）

小学生時代からプログラミングに興味を持ち、OSからデスクトップアプリなど幅広いレイヤのプログラミングを趣味で行う。

大学生のときにAArch64向けの軽量ハイパーバイザ「MilvusVisor」の実装に従事。

また、セキュリティ・キャンプ全国大会での講師や世界的に権威あるカンファレンスの一つであるBlack Hat Eurpose 2024で機密仮想マシンに関する講演などを経験。

品川高廣（しながわたかひろ）

東京大学大学院情報理工学系研究科教授。

オペレーティングシステムや仮想化技術、コンピュータセキュリティ等を専門とし、次世代の安全で高性能なシステム基盤の研究開発に取り組んでいる。

国産ハイパーバイザ「BitVisor」のチーフアーキテクトとして設計を主導し、その成果を応用した製品「vThrii Seamless Provisioning」の開発にも貢献している。

仮想化技術の研究成果により、令和2年度科学技術分野の文部科学大臣表彰「科学技術賞」を受賞した。

https://www.os.is.s.u-tokyo.ac.jp/shina/

作って理解する仮想化技術 ─⁠─ ハイパーバイザを実装しながら仕組みを学ぶ

サポート情報

概要

こんな方にオススメ

目次

第1章 仮想マシンとハイパーバイザ

1.1 仮想マシンとはなんだろう

1.2 ハイパーバイザの目的とメリット

1.3 Type1ハイパーバイザとType2ハイパーバイザ

1.4 仮想化支援機能とは

1.5 Type1ハイパーバイザを開発する流れ

1.6 開発環境の構築

1.7 本書で使用する仕様書について

第2章 起動してメッセージを出せるようにする

2.1 何もしないソフトウェアを起動しよう

2.2 DTBを解析しよう

2.3 文字を出そう

第3章 CPUの仮想化支援機能を使ってみる〜メモリを仮想化する

3.1 何もしない仮想化をしよう

3.2 メモリ管理をしよう

3.3 メモリの仮想化をしよう

第4章 割り込みの仕組みと仮想デバイスを作る

4.1 割り込みのセットアップをしよう

4.2 ページフォルトの原因を解析しよう

4.3 仮想PL011デバイスを実装しよう

第5章 割り込みコントローラを制御し、デバイス割り込みを可能にする

5.1 割り込みを制御するデバイスを初期化しよう

5.2 PL011の割り込みを受け取ろう

第6章 ファイルの読み書きをできるようにする

6.1 Virtio-Blkを制御しよう

6.2 ファイルシステムを実装しよう

第7章 初めての仮想マシンを実装する

7.1 VM構造体を実装しよう

7.2 VMを起動してみよう

第8章 Linuxが動作するようにする

8.1 GICv3の仮想化をしよう

8.2 仮想タイマを提供しよう

8.3 仮想PL011を改良しよう

8.4 Virtio-Blkデバイスを実装しよう

第9章 複数のCPUコアを動作させる

9.1 コアの起動をしよう

9.2 ロック機構を実装しよう

第10章 コンソールとマルチ仮想マシンを実装する

10.1 コンソールとコマンドを実装しよう

10.2 マルチ仮想マシンを実現しよう

第11章 作成したハイパーバイザを発展させるには

11.1 対応デバイスの追加

11.2 独自の仮想デバイス

11.3 スナップショット機能

11.4 実機への移植

11.5 マイグレーション機能

11.6 デバイスパススルー機能

11.7 Type2ハイパーバイザの実装

11.8 Nested Virtualizationの実装

第12章 仮想化技術を使いこなす

12.1 ハイパーバイザの選び方

12.2 ハイパーバイザの便利な使い方

12.3 これからのハイパーバイザ