VM パフォーマンス設計ガイド

VM の性能は、vCPU を増やす、HugePages を有効にする、SR-IOV や DPDK を導入するといった個別設定だけでは判断できません。ホストの物理資源をどの VM と共有するのか、NUMA をまたぐのか、I/O がどの処理経路を通るのかを確認する必要があります。

このガイドは、VM パフォーマンス関連記事を、測定、CPU、メモリ、ストレージ I/O、ネットワーク I/O、仮想化レイヤの迂回という順序で読むための入口です。症状を測定せずに高度な機能へ進まず、ボトルネックと運用上の制約を確定してから設計を変更します。

測定してから変更する

領域	最初に見る指標	判断したいこと
CPU	使用率、run queue、steal、vCPU 待ち時間	CPU が不足しているか、スケジューリング待ちか
NUMA / メモリ	NUMA locality、page fault、swap、メモリ帯域	遠隔 NUMA アクセスやメモリ不足があるか
ストレージ	latency、IOPS、throughput、queue depth	媒体、キャッシュ、形式、キューのどこが詰まるか
ネットワーク	packet rate、drop、再送、queue、CPU 使用率	帯域不足か、パケット処理経路の限界か
アプリケーション	処理時間、tail latency、同時実行数	基盤変更で改善すべき症状か

• 変更前後で同じワークロードと測定時間を使う
• 平均値だけでなく p95 / p99、jitter、drop、再送を見る
• ホストとゲストの両方で測定する
• 複数項目を同時に変更せず、差分と効果を対応付ける
• 性能だけでなく、可搬性、冗長化、保守性、障害復旧への影響も記録する

全体像とボトルネックを確認する

• VM の性能ボトルネックを見分ける
  CPU、メモリ、ストレージ、ネットワークのどこが詰まるかを確認します。
• VM パフォーマンスを設計全体から見る
  NUMA、CPU、I/O、ネットワークを一つの設計として確認する解説記事です。

CPU / vCPU / NUMA

vCPU 数は、VM が使える処理能力だけでなく、ホストスケジューラが同時に実行すべき単位を増やします。物理コア数、SMT、NUMA、オーバーコミット、他 VM との競合を確認してから割り当てます。

• 単一 VM の vCPU はどこまで割り当てるべきか
  物理コア、NUMA、SMT、オーバーコミットから vCPU 数を判断します。
• CPU / NUMA / pinning で性能を安定させる
  vCPU とホスト CPU の配置、NUMA locality、CPU pinning を扱います。
• CPU ピニングを外すと何が変わるのか
  専有実行から共有実行へ戻す時の性能と運用の変化を確認します。

メモリ / HugePages / TLB

HugePages は TLB miss を減らす手段ですが、メモリ不足や不適切な NUMA 配置を解消する機能ではありません。予約量、ゲストメモリ、NUMA node、起動順序、他ワークロードへの影響を合わせて見ます。

• HugePages / TLB / NUMA でメモリ性能を確認する
  ページサイズ、TLB、NUMA 配置、予約メモリの関係を扱います。

ストレージ I/O

ストレージ性能は、raw / qcow2 の形式だけでは決まりません。virtio-blk / virtio-scsi、キャッシュ、discard、I/O engine、ホストファイルシステム、バックエンドストレージまで処理経路を確認します。

• VM ストレージ I/O の設計
  virtio、raw、qcow2、cache mode、discard、io_uring の判断基準を確認します。

ネットワーク I/O の処理経路

ネットワーク高速化は、virtio-net、vhost-net、vhost-user、SR-IOV、DPDK の順に置き換えればよい話ではありません。処理経路を短くするほど性能を得られる場合がある一方、ライブマイグレーション、可観測性、Firewall、QoS、HA、ハードウェア依存の制約が増えます。

方式	主な処理場所	向いている場面	主な制約
virtio-net	QEMU とホスト kernel	一般的な VM	標準経路の CPU 負荷と queue 設計
vhost-net	ホスト kernel	virtio の処理を効率化したい	kernel 内の処理とチューニング
vhost-user	userspace dataplane	OVS-DPDK などと連携する	構成、ソケット、NUMA、運用の複雑化
SR-IOV / Passthrough	物理 NIC または VF	低遅延と高 packet rate	物理 NIC、IOMMU、移行性、可観測性
DPDK	userspace dataplane	NFV や専用パケット処理	専有 CPU、HugePages、NUMA、運用設計

• VM ネットワーク I/O と virtio-net
  標準的な仮想 NIC の処理経路を確認します。
• vhost-net と vhost-user の違い
  kernel と userspace dataplane の境界を確認します。
• SR-IOV とは何か
  物理 NIC の制約、VF、IOMMU、運用上の境界を確認します。
• SR-IOV / PCI Passthrough の設計
  仮想化レイヤを迂回する実装とトレードオフを扱います。
• DPDK とは何か
  パケット処理を userspace へ移す意味と必要な資源を確認します。
• DPDK で VM ネットワークはなぜ速くなるのか
  kernel bypass、NFV、dataplane の処理経路を詳しく扱います。

Ubuntu / KVM で確認する

このカテゴリは判断基準と処理経路を中心に扱います。Ubuntu 26.04 / KVM で VM を作成し、HugePages、virtio、io_uring などを確認する手順は、次の記事へ接続します。

• Ubuntu 26.04 KVM VM の作成
  libvirt / KVM で VM を作成する手順です。
• Ubuntu 26.04 KVM VM パフォーマンス確認
  ゲスト定義と実行状態から性能関連の設定を確認します。
• Ubuntu 26.04 KVM HugePages の設定
  ホスト側の HugePages と VM への割り当てを確認します。

読む順序

段階	読むテーマ	判断すること
1	ボトルネック	症状と制約を測定できているか
2	vCPU / NUMA	実行待ち、配置、共有資源に問題があるか
3	メモリ / HugePages	TLB と NUMA locality を改善する必要があるか
4	ストレージ I/O	形式、キュー、キャッシュ、バックエンドのどこが詰まるか
5	virtio / vhost	標準的な仮想 I/O 経路で要件を満たせるか
6	SR-IOV / DPDK	可搬性と運用性を手放しても迂回が必要か
7	再測定	変更による改善と副作用を説明できるか

設計時に残す記録

• 変更前後のワークロード、測定条件、主要指標
• ホスト CPU topology、NUMA node、メモリ配置、VM の vCPU / memory 定義
• ストレージとネットワークの処理経路
• pinning、HugePages、IOMMU、VF、専有 CPU などの予約資源
• ライブマイグレーション、バックアップ、監視、障害復旧への影響
• 変更を戻す条件と設定バックアップ

まとめ

VM パフォーマンス設計では、最初に症状を測定し、CPU、NUMA、メモリ、ストレージ、ネットワークのどこが制約かを確定します。設定を増やすことではなく、物理資源の共有範囲と I/O の処理経路を説明できることが重要です。

一般的な VM は virtio と共有資源で要件を満たせる場合があります。pinning、HugePages、SR-IOV、DPDK は、測定結果と要件から必要性を説明できる時に導入し、性能と引き換えに増える可搬性・保守性・障害復旧の制約まで確認します。