Nested 仮想化

2025年10月16日

Nested 仮想化

英語表記: Nested Virtualization

概要

Nested 仮想化（入れ子構造の仮想化）とは、すでに仮想化された環境、すなわち仮想マシン（VM）上で、さらに別のハイパーバイザ（仮想化ソフトウェア）を実行し、そのハイパーバイザが新たな仮想マシンを動作させる技術のことです。これは「仮想化とハイパーバイザ」というミドルカテゴリの中で、特に「仮想マシン技術」の柔軟性を極限まで高めるアプローチと言えます。物理ハードウェア（L0）上に動作するハイパーバイザ（L1）が提供する仮想環境（L1 VM）の中で、さらにハイパーバイザ（L2）を起動し、その中にゲストOS（L2 VM）を構築する、二重または多重の仮想化レイヤーを指します。

詳細解説

階層構造と目的

Nested 仮想化は、私たちが普段利用している仮想化技術を一段深く掘り下げた、非常に高度な技術です。この技術が「ハードウェアとソフトウェアの関係」という大カテゴリの中で重要視されるのは、物理的なリソース（ハードウェア）と、それを抽象化するソフトウェア層（ハイパーバイザ）の間に、さらに別の抽象化層を挿入するからです。

主要な目的は以下の通りです。

ハイパーバイザ自体のテストと開発: 新しいハイパーバイザや仮想化技術を開発する際、物理環境を汚さずに、安定した仮想環境内で安全にテストを実行できます。これは、開発者にとって非常に大きなメリットです。
クラウド環境での柔軟な利用: 多くのIaaS（Infrastructure as a Service）クラウドは、ユーザーに仮想マシン（L1 VM）を提供します。ユーザーがそのVM内で、さらに独自の仮想化環境を構築したい場合に、Nested 仮想化が必須となります。例えば、クラウド上で提供されるVMを使って、別の仮想デスクトップインフラ（VDI）環境を構築するなどが該当します。
セキュリティサンドボックス: 仮想環境内に閉じ込めた状態で、さらに深い仮想環境を作ることで、マルウェア解析やセキュリティテストを極めて安全に行うことができます。

動作原理：仮想化の二重苦の克服

通常の仮想化環境では、ハイパーバイザ（L1）が物理CPUの特権命令を捕捉し、エミュレーション（またはハードウェア支援機能を利用した処理）を行います。しかし、Nested 仮想化の場合、L1 VM上で動作するL2ハイパーバイザもまた、ゲストOS（L2 VM）からの特権命令を捕捉しようとします。

ここで問題となるのが、特権命令の「二重トラップ」です。L2ハイパーバイザが特権命令を受け取った際、物理CPUにとっては単なる一般命令として扱われるため、L1ハイパーバイザに制御が渡らない可能性があります。

この問題を解決するために、最新のCPU（Intel VT-xやAMD-Vなど）には、ネスト化をサポートする拡張機能が組み込まれています。L1ハイパーバイザは、L2ハイパーバイザに対して、物理CPUの仮想化支援機能の一部を「パススルー」するように構成します。

具体的には、L1ハイパーバイザが、L2ハイパーバイザからの仮想化関連の操作（例えば、仮想化モードへの移行など）を検知した際、それを物理ハードウェアに直接トラップさせるのではなく、L1ハイパーバイザが介入し、L2ハイパーバイザが要求している操作を適切にエミュレートし、L2 VMに制御を戻します。この複雑な制御の受け渡しこそが、Nested 仮想化の核心であり、「仮想化とハイパーバイザ」の技術的な深さを物語っています。

パフォーマンスへの影響

Nested 仮想化は、複数の抽象化レイヤーを通過するため、当然ながら通常の仮想化に比べて性能オーバーヘッドが発生しやすいです。特にI/O処理（ディスクやネットワーク）においては、命令がL2、L1のハイパーバイザ、そして物理ハードウェアへと多段階に処理されるため、レイテンシが増大する傾向があります。

しかし、CPUのハードウェア支援機能の進化により、このオーバーヘッドは年々軽減されています。重要なのは、この技術が「仮想マシン技術」の応用範囲を広げるために、多少の性能犠牲を許容するケース（開発・テスト環境など）で主に利用される点です。

具体例・活用シーン

Nested 仮想化は、一見すると複雑で用途が限定的にも見えますが、実は現代のITインフラを支える重要な技術です。

マトリョーシカ人形のオフィスビル（アナロジー）

Nested 仮想化を理解するための最も分かりやすいメタファーは、「マトリョーシカ人形」や「入れ子構造のオフィスビル」です。

想像してみてください。あなたは巨大なデータセンター（物理ハードウェア）を所有しています。このデータセンターの管理者（L1ハイパーバイザ）は、その空間を区切り、テナントA（L1仮想マシン）に貸し出しました。テナントAは、その与えられた空間（L1 VM）の中で、自分専用の小さなオフィスビル（L2ハイパーバイザ）を建ててしまいました。そして、その小さなオフィスビルの中に、さらに個別の部署（L2仮想マシン）を設置し、それぞれに異なる業務（L2ゲストOS）を割り振っているのです。

L0 (物理ハードウェア): 巨大なデータセンター全体。
L1 VMM (L1ハイパーバイザ): データセンターの管理者。リソースを分割し、テナントAに空間を提供する。
L1 VM (L1仮想マシン): テナントAの占有スペース。
L2 VMM (L2ハイパーバイザ): テナントAが自分のスペース内で建てた小さなオフィスビル（仮想化基盤）。
L2 VM (L2仮想マシン): テナントAのオフィスビル内の個々の部署。

テナントA（L1 VMのユーザー）は、外部の管理者（L1ハイパーバイザ）に依存することなく、自分自身の仮想化環境を完全にコントロールできます。つまり、クラウドサービスから借りたVM上で、自宅のPCと同じように自由に仮想環境を構築できるわけです。この柔軟性こそが、「仮想マシン技術」の究極の形と言えるでしょう。

実際の活用例

クラウド上でのハイパーバイザ製品の学習: VMware ESXiやHyper-Vなどのハイパーバイザ製品を学びたい場合、自宅のPCやレンタルサーバー（L1 VM）上で、それらのハイパーバイザ（L2 VMM）を動かし、トレーニング環境を構築します。
コンテナ環境のテスト: Kubernetesなどのコンテナオーケストレーションシステムは、しばしば仮想マシン上で動作します。もしそのVM自体がクラウド上で提供されている場合、Nested 仮想化の技術がバックエンドで利用されている可能性があります。
VDI環境の多層化: L1の仮想デスクトップ環境内で、さらにテスト用の隔離されたVDI環境（L2）を構築し、本番環境に影響を与えずに検証を行うことができます。

これらの例を通じて、Nested 仮想化は単なる技術的な好奇心ではなく、「仮想化とハイパーバイザ」のカテゴリにおける実用的な解決策であることがお分かりいただけると思います。