KVM仮想化入門から実戦まで：デプロイ、管理とネットワーク構成

本記事ではKVM仮想化技術を体系的に紹介し、発展の歴史、デプロイ方法、仮想マシン管理、ネットワークモードの構成、コマンドラインによる自動インストールをカバーします。すべてのコマンドはCentOS/RHEL環境で検証済みです。

I. KVMの発展の歴史

KVM（Kernel-based Virtual Machine）は、今日のクラウドコンピューティング分野における主流の仮想化技術です。その発展の脈絡を理解することで、業界がなぜ最終的にKVMを選択したのかを理解できます。

仮想化技術は大きく二つのカテゴリに分けられます：クローズドソース仮想化（例：VMware、Microsoft Hyper-V）とオープンソース仮想化（例：Xen、KVM）。

初期のオープンソース仮想化の代表はXenでした。AWSとAlibaba Cloudは初期にどちらもXen方式を採用していました。CitrixのXenServerおよびデスクトップクラウド製品FusionAccess（Citrix XenDesktopに対応）もXenをベースにしていました。HuaweiのFusionComputeも6.3バージョン以前はXenを使用していました。

主なマイルストーンは以下の通りです：

2008年：Red HatがKVMを買収し、RHEL 5.4で正式にKVMをリリースしました（RHEL 5.0にはXenが搭載されていました）。
2010年：OpenStackプロジェクトが誕生しました。Red HatはIBM、Dell、VMware、Cisco、HPなどと共にKVMオープンソースコミュニティを支援し、オープンソースソフトウェア財団の下でエコシステムを構築しました。同時期にCitrixはCloudStackコミュニティを推進していました。
2014年：RHEL 5.11がリリースされました（RHEL 5.xシリーズのライフサイクル終了、7年間の技術サポート提供、KVMへの無料アップグレードが可能）。
2017年前後：AWSがKVMベースのNitroプラットフォームインスタンスを発表し、Alibaba Cloudおよび世界中の多くのベンダーがKVMを全面的に採用しました。

今日、主要なクラウドサービスプロバイダーの仮想化基盤は基本的にKVMです。HuaweiのFusionCompute 6.3もXenからKVMに切り替えました。2019年にIBMが約340億ドルでRed Hatを買収し、Ansible、GlusterFS、CephなどのRed Hatエコシステムプロジェクトがその傘下に入りました。これはこの技術路線の価値をさらに裏付けるものです。

II. KVMとは

KVMはKernel-based Virtual Machineの略です。その核心的な特徴は以下の通りです：

カーネルのアップグレードが不要：システム自体のカーネルを直接再利用し、各仮想マシンは一つのプロセスとして実行されます。
軽量な仮想化プラットフォーム：従来の方式に比べてより軽量で効率的です。
統合管理：Xen/KVM仮想化プラットフォームはどちらも統合管理プラットフォームとコマンドラインツールを提供しています。

III. KVMのデプロイ

1. KVM必要パッケージのインストール

前提条件：物理マシンのBIOSで仮想化サポートVT-xを有効にします（ほとんどのコンピュータではデフォルトで有効）。VMware内でネストしてインストールする場合は、VMwareの設定でもVT-xサポートを有効にする必要があります。

推奨リソース構成：CPU 4コア、メモリ4GB。

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[root@cloud ~]# yum -y groupinstall "Virtualization*"
[root@cloud ~]# systemctl restart libvirtd.service

2. グラフィカルな仮想マシンインストール

本実習ではグラフィカルツールvirt-managerを使用して仮想マシンを作成・インストールします。

注意：グラフィカルウィザードの操作手順は本記事ではスクリーンショットで示しません。本文はコマンドライン操作を主とし、グラフィカルインターフェースは指示に従ってクリックすれば完了します。また、「ホストマシン」とはKVM仮想マシンを実行するマシンを指します。本実習はVMware内でネスト仮想化を行うため、ここでのホストマシンは物理マシンではなくVMware仮想マシンです。

まずシステムインストールイメージを準備します：/isosディレクトリを作成し、CentOS 8.4のISOファイルをコピーします。

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[root@cloud ~]# mkdir /isos

グラフィカル管理インターフェースを起動します：

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[root@cloud ~]# virt-manager

インターフェースで新規仮想マシンの作成をクリックし、/isosに配置したISOをインストールソースとして選択し、ウィザードに従ってCPU、メモリ、ディスクを構成すればインストールが完了します。インストールされた仮想マシンのディスクファイルはデフォルトで/var/lib/libvirt/images/ディレクトリにserver1.qcow2のような名前で保存されます：

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[root@cloud ~]# cd /var/lib/libvirt/images/
[root@cloud images]# ls
server1.qcow2

3. ディスクの作成

前のステップのグラフィカルインストール時にvirt-managerが自動的にディスクを作成します。ここでは手動作成の方法を紹介します。これは後でクラウドイメージの作成や仮想マシンへのディスク追加で使用します。qemu-imgを使用してqcow2形式のディスクを作成します：

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[root@cloud ~]# qemu-img create -f qcow2 -o preallocation=metadata /var/lib/libvirt/images/server1.qcow2 10g

ヒント：この方法でクラウドイメージを作成する場合、容量が小さいほど作成速度が速くなります。イメージを最小化する方法を研究することをお勧めします。通常、システムディスクは高い性能を要求しません。本当の性能のボトルネックはデータディスクにあります。

4. ブリッジモードの作成（アップリンク付き仮想スイッチ）

ネットワーク構成ディレクトリに移動し、既存のネットワークインターフェースをベースにブリッジ構成をコピーします：

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[root@cloud ~]# cd /etc/sysconfig/network-scripts/
[root@cloud network-scripts]# cp ifcfg-ens33 ifcfg-br0

ブリッジインターフェースifcfg-br0の編集：

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[root@cloud network-scripts]# cat ifcfg-br0

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TYPE=Bridge
NAME=br0
DEVICE=br0
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.8.99
PREFIX=24
GATEWAY=192.168.8.254
DNS1=192.168.8.254

物理インターフェースifcfg-ens33をbr0にブリッジするよう編集：

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[root@cloud network-scripts]# cat ifcfg-ens33

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TYPE=Ethernet
NAME=ens33
DEVICE=ens33
ONBOOT=yes
BRIDGE=br0

ネットワーク構成を再読み込みし、接続を再起動します：

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[root@cloud ~]# nmcli connection reload
[root@cloud ~]# nmcli connection down ens33 ; nmcli connection up ens33
[root@cloud ~]# nmcli connection down br0 ; nmcli connection up br0

ブリッジネットワーク構成

5. クラウドイメージの作成

要件：カスタムクラウドマシンイメージを作成します。

KVM仮想マシンのデプロイ完了後、仮想マシンに入って必要なソフトウェアをインストールします：

ローカルyumリポジトリの構成
必要なパッケージのインストール：

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# yum -y install net-tools vim-enhanced bash-completion cloud-init

/etc/cloud/cloud.cfg構成ファイルを編集し、実際の要件に応じてパラメータを調整
/etc/ssh/ssh_host*を削除
init 0でシャットダウン

最後にイメージを圧縮します：

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[root@cloud images]# qemu-img convert -c -O qcow2 /var/lib/libvirt/images/server1.qcow2 /isos/server1.qcow2

IV. KVMの管理

virsh対話型インターフェースに入ります：

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[root@cloud ~]# virsh

主な仮想マシン管理コマンドは以下の通りです。

すべての仮想マシンの一覧表示：

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[root@cloud ~]# virsh list --all
  Id   Name      State
-------------------------
  -    server1   shut off

仮想マシンの起動 / シャットダウン / 強制終了 / 再起動：

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[root@cloud ~]# virsh start server1
[root@cloud ~]# virsh shutdown server1
[root@cloud ~]# virsh destroy server1
[root@cloud ~]# virsh reboot server1

6. 仮想マシンコンソールインターフェースへのアクセス

KVM仮想マシンに入り、仮想マシンに仮想コンソールを追加することで、ホストマシンからコンソール方式で仮想マシンにアクセスできます。

仮想マシン内でgrub構成を編集：

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[root@VM1 ~]# vim /etc/default/grub

GRUB_CMDLINE_LINUXの末尾にconsole=ttyS0を追加：

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GRUB_CMDLINE_LINUX="crashkernel=auto resume=UUID=94e88e69-fad6-4d1f-99cf-0ba83cc793b5 rhgb quiet console=ttyS0"

grub構成を再生成し再起動：

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[root@VM1 ~]# grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg
[root@VM1 ~]# reboot

ホストマシンからコンソールに接続：

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[root@cloud ~]# virsh console server1

コンソールを終了するショートカットキーはCtrl + ]です。

7. 構成による仮想マシンへのディスク追加

(1) ディスクファイルの作成：

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[root@cloud images]# qemu-img create -f qcow2 -o preallocation=metadata /var/lib/libvirt/images/disk2.qcow2 5g

(2) 構成ファイルでディスクを追加：

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[root@cloud ~]# vim /etc/libvirt/qemu/server1.xml

構成に以下のdiskセクションを追加：

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<disk type='file' device='disk'>
  <driver name='qemu' type='qcow2'/>
  <source file='/var/lib/libvirt/images/disk2.qcow2'/>
  <target dev='vdb' bus='virtio'/>
  <address type='pci' domain='0x0000' bus='0x07' slot='0x00' function='0x0'/>
</disk>

サービスを再起動し仮想マシンを起動：

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[root@cloud ~]# systemctl restart libvirtd.service
[root@cloud ~]# virsh start server1
[root@cloud ~]# virsh console server1

KVM仮想マシン内でディスクを確認：

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[root@localhost ~]# fdisk -l
/dev/vda
/dev/vdb

比較：Xen仮想化ではディスクデバイス名は/dev/xvda、/dev/xvdbです。

8. KVM仮想マシンの迅速な作成

既存の仮想マシンのXML構成をコピーして迅速に作成：

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[root@cloud qemu]# cp server1.xml server2.xml
[root@cloud qemu]# uuidgen
f3ccabc3-ca4c-41f2-8d6f-e99077c24eeb
[root@cloud qemu]# vim server2.xml

name、uuid、ディスクパス、MACアドレスなどの主要パラメータを変更：

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<domain type='kvm'>
  <name>server2</name>
  <uuid>f3ccabc3-ca4c-41f2-8d6f-e99077c24eeb</uuid>
  <metadata>
  <disk type='file' device='disk'>
    <driver name='qemu' type='qcow2'/>
    <source file='/isos/server1.qcow2'/>
    <target dev='vda' bus='virtio'/>
    <address type='pci' domain='0x0000' bus='0x04' slot='0x00' function='0x0'/>
  </disk>
  <interface type='bridge'>
    <mac address='52:54:00:96:f6:a2'/>
    <source bridge='br0'/>
    <model type='virtio'/>
    <address type='pci' domain='0x0000' bus='0x01' slot='0x00' function='0x0'/>
  </interface>

サービスを再起動し新しい仮想マシンを起動：

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[root@cloud ~]# systemctl restart libvirtd.service
[root@cloud ~]# virsh start server2
[root@cloud ~]# virsh list --all

V. KVMネットワーク構成

KVMには一般的に3つのネットワークモードがあります：NATモード、ホストオンリーモード（Host-Only）、ブリッジモード。

1. NATモード

iptablesのアドレスマスカレードでNATを実現します：

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# iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.122.0/24 ! -d 192.168.122.0/24 -j MASQUERADE

またはSNATでソースアドレスを指定：

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# iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.122.0/24 ! -d 192.168.122.0/24 -j SNAT --to-source 192.168.8.99

NATモードのネットワークトポロジー

NATルールの確認：

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[root@cloud ~]# iptables -t nat -nL

デフォルトのネットワーク構成ファイルは/etc/libvirt/qemu/networksにあります：

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[root@cloud networks]# pwd
/etc/libvirt/qemu/networks
[root@cloud networks]# vim default.xml

2. ホストオンリーモード

ホストオンリーモードでは、仮想マシンはホストマシンとのみ通信でき、外部ネットワークにはアクセスできません。

ホストオンリーモードのネットワークトポロジー

3. KVM仮想マシンからのインターネットアクセスの有効化

(1) VMwareホストマシンにインターネットアクセス可能なネットワークインターフェースを追加します。

(2) ホストマシンのOSに入り、デュアルブリッジを構成します。

ifcfg-br0（内部ネットワークブリッジ）：

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TYPE=Bridge
NAME=br0
DEVICE=br0
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.8.99
PREFIX=24

ifcfg-br1（外部ネットワークブリッジ、DHCP）：

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TYPE=Bridge
NAME=br1
DEVICE=br1
ONBOOT=yes
BOOTPROTO=dhcp

ifcfg-ens33をbr0にブリッジ：

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TYPE=Ethernet
NAME=ens33
DEVICE=ens33
ONBOOT=yes
BRIDGE=br0

ifcfg-ens37をbr1にブリッジ：

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TYPE=Ethernet
NAME=ens37
DEVICE=ens37
ONBOOT=yes
BRIDGE=br1

サービスを再起動し仮想マシンをシャットダウン：

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[root@cloud ~]# systemctl restart libvirtd.service
[root@cloud ~]# virsh shutdown server1
Domain server1 is being shutdown
[root@cloud ~]# virsh shutdown server2
Domain server2 is being shutdown

KVM内のserver1仮想マシンのネットワークインターフェースをbr1にブリッジするよう変更し、VM1内でIP取得方式をDHCPに変更：

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[root@VM1 ~]# nmcli connection modify enp1s0 ipv4.method auto autoconnect yes
[root@VM1 ~]# nmcli connection down enp1s0 ; nmcli connection up enp1s0
[root@VM1 ~]# ifconfig
enp1s0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.31.158  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.31.255
        inet6 fe80::5054:ff:fe96:f6a1  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 52:54:00:96:f6:a1  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 1253  bytes 279527 (272.9 KiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 119  bytes 17932 (17.5 KiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

外部ネットワーク接続のテスト：

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[root@VM1 ~]# ping www.baidu.com
PING www.a.shifen.com (183.2.172.17) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 183.2.172.17 (183.2.172.17): icmp_seq=1 ttl=52 time=23.6 ms
64 bytes from 183.2.172.17 (183.2.172.17): icmp_seq=2 ttl=52 time=24.3 ms
64 bytes from 183.2.172.17 (183.2.172.17): icmp_seq=3 ttl=52 time=23.5 ms

VI. コマンドラインによるKVM仮想マシンのインストール

kickstart自動インストールスクリプトを活用することで、無人での仮想マシンの一括インストールが可能です。

1. ディスクの作成

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[root@cloud images]# qemu-img create -f qcow2 -o preallocation=metadata /var/lib/libvirt/images/server3.qcow2 10g

2. 自動インストール

virt-installでインストールソースとkickstartファイルを指定：

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[root@cloud ~]# virt-install -n server3 --memory 2048 --vcpu 2 \
  --disk /var/lib/libvirt/images/server3.qcow2 \
  --network bridge=br1 \
  -l http://192.168.31.96/pub \
  -x inst.ks=http://192.168.31.96/ks/ks01.cfg --vnc

kickstart構成ファイルks01.cfgの例：

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# vim /var/www/html/ks/ks01.cfg

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#version=RHEL8
# Use text install for fully unattended
text

repo --name="AppStream" --baseurl=http://192.168.0.107/pub/AppStream
repo --name="BaseOS" --baseurl=http://192.168.0.107/pub/BaseOS
reboot

%packages
@^minimal-environment
kexec-tools

%end

# Keyboard layouts
keyboard --xlayouts='us'
# System language
lang en_US.UTF-8

# Network information
network --bootproto=dhcp --activate --hostname=server3 --onboot=yes

# Use network installation media
url --url=http://192.168.0.107/pub/BaseOS

# Run the Setup Agent on first boot
firstboot --disable

ignoredisk --only-use=vda
clearpart --all --initlabel
autopart
# System timezone
timezone Asia/Shanghai --utc

# Root password
rootpw --iscrypted $6$c31XqEglO8ECIli0$enF8T.LW3OknT.178Vb9m2HHYD6dqRdKF2QZia5.G5Tv/zMD//04S2h61oBOKihJZwPIUmWxLc7oXuWtkHQy10
user --name=admin --password=$6$Ey847S5bcqYg8ktk$sd4BJeFF01IFsGOaFwRoqXoYuZ5H1RV3bLC6n6gQGa1tNAjplFDhTnm3Cjw2pgwltIE.xr27X7E/ro4gF2JSG1 --iscrypted --gecos="admin"

%addon com_redhat_kdump --enable --reserve-mb='auto'

%end

%anaconda
pwpolicy root --minlen=6 --minquality=1 --notstrict --nochanges --notempty
pwpolicy user --minlen=6 --minquality=1 --notstrict --nochanges --emptyok
pwpolicy luks --minlen=6 --minquality=1 --notstrict --nochanges --notempty
%end

注意：上記のインストールソースアドレス（192.168.0.107）、ホスト名（server3）、およびrootpw、userの後のパスワードハッシュは例です。実際の使用時はご自身の環境のアドレスと生成したパスワード暗号文に置き換えてください。

I. KVMの発展の歴史#

II. KVMとは#

III. KVMのデプロイ#

1. KVM必要パッケージのインストール#

2. グラフィカルな仮想マシンインストール#

3. ディスクの作成#

4. ブリッジモードの作成（アップリンク付き仮想スイッチ）#

5. クラウドイメージの作成#

IV. KVMの管理#

6. 仮想マシンコンソールインターフェースへのアクセス#

7. 構成による仮想マシンへのディスク追加#

8. KVM仮想マシンの迅速な作成#

V. KVMネットワーク構成#

1. NATモード#

2. ホストオンリーモード#

3. KVM仮想マシンからのインターネットアクセスの有効化#

VI. コマンドラインによるKVM仮想マシンのインストール#

1. ディスクの作成#

2. 自動インストール#