hypervisor-internals

ハイパーバイザーの内部構造

目的

エージェント向けにハードウェア仮想化の内部構造を説明します。Intel VT-x（VMXON、VMCS、VMLAUNCH/VMRESUME、VMEXIT の理由）、AMD SVM（VMCB、#VMEXIT）、拡張／ネストされたページテーブル（EPT/NPT）、APIC 仮想化、MSR ビットマップ、仮想割り込みの注入、および最小限のタイプ 1 ハイパーバイザーを構築するための参考資料を扱います。

使用する場面

• KVM、Hyper-V、VMware がハードウェア機能にどう対応するかを理解するとき
• VMEXIT ストームや EPT 違反のデバッグ
• ハイパーバイザーのセキュリティ研究（CVE のトリアージ）
• 教育用ハイパーバイザー（SimpleVisor、hvpp）の構築
• ネストされた仮想化のパフォーマンス調整
• VM エスケープやサイドチャネル対策の分析

ワークフロー

1. 仮想化の種類

Type 1 (bare metal)     Type 2 (hosted)
├── Hyper-V             ├── KVM + QEMU
├── Xen                 ├── VirtualBox
├── VMware ESXi         └── Parallels
└── Runs directly on HW     Runs on host OS

2. Intel VT-x の概要

VMX operation
├── VMXON — enter VMX root mode
├── VMCS setup — guest/host state fields
├── VMLAUNCH / VMRESUME — enter guest
├── Guest runs until VMEXIT
└── VMXOFF — exit VMX operation

主要な構造体：

• VMCS（仮想マシン制御構造体）— ゲスト／ホストの状態、制御フィールド
• VMEXIT — ハイパーバイザーへの強制終了（I/O、MSR、EPT フォールト、割り込み）

// Simplified VMX enable check (kernel/driver context)
#include <linux/cpufeature.h>
if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_VMX))
    // VT-x supported

3. VMCS フィールド（概念）

カテゴリー	例
ゲストの状態	GPR、CR0/3/4、セグメントセレクター、RIP、RSP
ホストの状態	ホスト RIP（VMEXIT ハンドラー）、ホスト CR3
制御	ピンベース、プロセッサーベース、VMEXIT／エントリー制御
終了情報	終了理由、修飾情報、ゲスト線形アドレス

よくある VMEXIT の理由：

Exit reason codes (Intel)
├── 10 — CPUID
├── 28 — CR access
├── 30 — I/O instruction
├── 48 — EPT violation
├── 0  — External interrupt
└── 1  — Triple fault

4. AMD SVM（AMD-V）

SVM operation
├── EFER.SVME = 1
├── VMCB setup — guest save area + control area
├── VMRUN — enter guest
├── #VMEXIT — exit to host handler
└── Guest state in VMCB

VMCB 制御領域：インターセプトするベクター（CPUID、MSR、IO）、ネストされたページングの有効化、ASID。

Intel	AMD
VMCS	VMCB
VMXON/VMXOFF	EFER.SVME
VMLAUNCH/VMRESUME	VMRUN
EPT	NPT（ネストされたページテーブル）

5. EPT / NPT — 第 2 レベルのページング

Guest virtual (GVA) → Guest physical (GPA) [guest page tables]
GPA → Host physical (HPA) [EPT/NPT, managed by hypervisor]

EPT 違反による VMEXIT：ゲストがマップされていない GPA にアクセスしたか、権限に違反しました。

# KVM EPT stats (if available)
# Nested virtualization adds second EPT walk — perf cost

サイドチャネル対策：VMEXIT 時に L1D をフラッシュする（MDS）、キャッシュをパーティション分割する。

6. MSR および I/O ビットマップ

MSR bitmap (4KB)
├── Per-MSR read/write intercept control
└── Avoid VMEXIT on common MSRs for performance

I/O bitmap
├── Intercept specific port I/O
└── Pass-through unlisted ports

ハイパーバイザーは MSR_IA32_FEATURE_CONTROL、MSR_IA32_EFER などをインターセプトします。

7. APIC 仮想化

APIC virtualization
├── Virtual interrupt delivery — reduce VMEXIT on EOI
├── Posted interrupts — hardware-assisted injection
└── TPR shadowing — avoid exit on priority changes

割り込みの多いゲスト（ネットワーク I/O など）のオーバーヘッドを低減します。

8. 仮想割り込みの注入

Intel：VM-entry 割り込み情報フィールドを介して注入します。 AMD：VMCB の V_IRQ、V_INTR_PRIO を使用します。

Device interrupt → host IRQ handler → hypervisor
    → inject virtual IRQ to guest IDT
    → guest ISR runs

9. 最小限のハイパーバイザーの参考資料

プロジェクト	プラットフォーム	備考
SimpleVisor	Windows	教育用、数千行程度
hvpp	Windows	C++ ハイパーバイザーライブラリ
kvmm	Linux	KVM の最小構成での学習用
barevisor	x86_64	Rust/ASM の教育用

学習手順：

1. CPUID の検出と VMX の有効化
2. VMCS を割り当て、ホスト／ゲストの状態を設定
3. CPUID と HLT の VMEXIT を処理
4. アイデンティティーマップを使用する EPT を追加
5. 割り込みを注入

10. KVM ioctl インターフェース（実践）

// Userspace KVM (how QEMU talks to KVM)
int kvm = open("/dev/kvm", O_RDWR);
int vm = ioctl(kvm, KVM_CREATE_VM, 0);
int vcpu = ioctl(vm, KVM_CREATE_VCPU, 0);
ioctl(vcpu, KVM_RUN, 0);  // runs until VMEXIT

よくある問題

症状	原因	対処方法
MSR による VMEXIT ストーム	MSR ビットマップがすべてをインターセプトしている	ビットマップを細かく調整し、安全な MSR はパススルーする
EPT の設定ミス	GPA→HPA の不一致	EPT PTE の権限を確認する
ネストされた仮想化が遅い	ページウォークが二重に発生する	ハードウェア支援を利用し、ネストの深さを制限する
VMXON が失敗する	CR0/CR4 の固定ビット	Intel SDM に従って必要な CR ビットを設定する
ゲストでトリプルフォールトが発生する	IDT の不備、または未処理の例外	ゲストの割り込み設定を確認する
I/O インターセプトのオーバーヘッド	すべてのポートをトラップしている	I/O ビットマップの範囲を縮小する

関連スキル

• skills/virtualization/qemu-kvm — KVM/QEMU の実践的な使い方
• skills/virtualization/containers-internals — VM 全体を使わない、より軽量な分離
• skills/kernel/kernel-internals — ホストカーネルのスケジューラー／メモリ
• skills/kernel/os-dev-scratch — ゲスト OS 開発の背景知識
• skills/security/kernel-security — ハイパーバイザーの CVE 対策
• skills/platform/riscv-privileged — RISC-V H 拡張による仮想化