가상화

JIWON·2025년 6월 10일

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1. 가상화(Virtualization)

1) 가상화의 기본 개념

💠 가상화

컴퓨터에서 컴퓨터 리소스의 추상화를 일컫는 광범위한 용어

물리적인 컴퓨터 리소스의 특징을 다른 시스템, 응용 프로그램, 최종 사용자들이 리소스와 상호작용하는 방식으로부터 감추는 기술
가상화의 핵심은 실제 존재하지 않는 하드웨어 플랫폼, 운영체제, 스토리지나 네트워크 리소스들을 가상적으로 제공한다는 것
가상 시스템에서 일어나는 동작을 호스트 시스템으로 매핑시켜주는 함수

💠 핵심 개념

개념	설명
호스트(Host)	가상화를 실행하는 실제 물리 서버
게스트(Guest)	호스트에서 실행되는 가상 머신(운영체제)
하이퍼바이저(Hypervisor)	호스트와 게스트 사이에서 가상화를 관리하는 소프트웨어

💠 가상화 대상 시스템

게스트 시스템을 호스트 시스템으로 매핑시켜주는 함수를 구현하는 방식에 따라 다양한 형태의 가상화를 정의할 수 있다
ABI(Application Binary Interface)와 ISA(Instruction Set Architecture) 로 구분

ABI 레벨 가상화

ABI 레벨 가상화는 소프트웨어 애플리케이션 관점에서 시스템이 가상화된 것으로 이를 프로세스 가상머신이라고 부르는데 이 형태로 만들어진 유명한 가상머신이 JVM(Java Virtual Machine)
- 자바 애플리케이션은 JVM 만 있으면 시스템이 무엇이든 간에 동작할 수 있다
- 특히 이런 형태의 가상화를 Runtime 이라고도 한다
- JVM 대신 JRE(Java Runtime Environment)라는 표현을 사용하는 경우가 많음
- 운영체제 위에 가상화 소프트웨어가 배치되는 구조

ISA 레벨 가상화

ISA 레벨 가상화는 명령어 집합에 대해 가상화를 한 것으로 시스템 가상 머신이라고 한다
- 시스템 가상머신은 하드웨어 시스템과 일반적인 소프트웨어 사이에 놓이게 된다

💠 프로세스가상머신

Multiprogramed System

단일 프로세스가 마치 전체 시스템을 독점하여 쓰고 있는 것처럼 보이게 하는 방식

Emulator

프로세스 가상 머신에서의 Emulator 는 USER ISA
인터프리터 방식과 바이너리 트랜스레이터 방식으로 구분
- 인터프리터 방식 : 바이너리 인스트럭션을 하나하나 해석해서 수행하고 바이너리 트랜스레이터 방식은 소스 인스트럭션을 블록 단위로 타깃 인스트럭션으로 변환해서 수행시간을 단축시키는 방법
  - 스크립트 언어 실행하는 것과 유사한 방식으로 스타트업 시간에 대한 오버헤드는 없지만 전체적인 속도면에서 느리다
- 바이너리 트랜스레이터 방식: C/C++ 언어로 만들어진 애플리케이션처럼 스타트업에 대한 오버헤드는 존재하지만 시스템 전체적으로 시간을 단축시킬 수 있는 방식

Same ISA Binary Optimizer

바이너리 트랜스레이터가 게스트와 호스트가 동일한 ISA 를 사용하는 경우 최적화하여 사용하는 형태

High Level Language Virtual Machine

하드웨어와 운영체제와의 의존 관계를 최소한 하는 방식으로 JVM이 대표적

💠 Hypervisor

가상화 소프트웨어로 가상머신 모니터라고 한다.

호스트머신으로 불리는 물리적인 컴퓨터에 설치되어 가상머신을 생성하고 관리할 수 있다.
하이퍼바이저는 타입 1 과 타입 2 로 구분
- 차이점은 중간에 운영체제가 있느냐 없느냐는 차이.
- 하이퍼바이저가 물리시스템에 직접 설치되느냐 물리시스템의 운영체제 위에 설치되느냐 하는 차이

📌 Type 1 Hypervisor

물리시스템 하드웨어에 직접 설치되는 가상머신
베어메탈 하이퍼바이저 라고도 한다
KVM , Xen
대규모의 클라우드 컴퓨팅 서비스를 도입할 때 사용
클라우드 서비스를 제공하는 데이터 센터에서 구축되는 시스템에 도입
클라우드 서비스를 제공하는 곳에서는 신속한 확장과 축소가 가능해야 하기 때문에 확장성이 충분히 기술적으로 보장되어야 한다
불필요한 오버헤드를 최소화해서 가상머신에서 동작하는 애플리케이션의 실행 속도가 호스트머신에 직접 설치되어 운영되는 성능과 근접한 결과를 만들어낸다.
물리 시스템이 하드웨어적으로 가상화를 지원해야 한다.
- 윈도우즈에서는 CTRL + SHIFT + ESC를 눌러서 작업관리자를 열고 CPU 탭에서 가상화 사용 여부 확인 가능
- 리눅스에서는 lscpu | grep Virtualization 명령어
📌 Type 2 Hypervisor
호스트머신의 운영체제 위에 마치 애플리케이션처럼 설치
가상머신을 단일 물리시스템에 설치하고 운영하는데 있어 편리성을 제공
중간에 호스트머신의 운영체제가 동작하고 있기 때문에 호스트머신의 하드웨어를 직접 접근할 수 없음
간편한 하이퍼바이저이기는 하지만 타입 1 하이퍼바이저에 비해서 오버헤드가 더 많이 발생
VMWare Workstation, VMWare Player, Virtual Box, Parallels Desktop for MAC, QEMU, KVM, UTM 등이 있다
KVM은 타입 1이면 타입 2인데 KVM은 리눅스 커널의 모듈로 동작하기 때문에 운영체제가 설치되고 사용응 해야 하기 때문에 타입 2인데 KVM이 설치된 리눅스 운영체제가 타입 1 하이퍼바이저가 된다고 할 수 있음

대표적인 하이퍼바이저

2) 가상화의 장점

적은 컴퓨팅 리소스 하드웨어 구매로 비용 절감
쉬운 백업과 복구
중단없는 비즈니스
효율적인 IT 운영

3) 가상화의 단점

가상화 소프트웨어 및 가상화 지원 하드웨어 구매로 초기 투자 비용 발생
소프트웨어 라이선스 비용 발생
초기 교육 필요

4) 가상화 방식

💠 전가상화

게스트 운영체제를 수정하지 않는 애뮬레이터 방식
하드웨어적 지원을 받는 전가상화와 소프트웨어로만 구분되는 전가상화 2가지로 구분

📌 소프트웨어적 전가상화

바이너리 트랜스레이션 이진 변환 기법을 통해 소프트웨어적으로 명령어를 처리하는 방식
호스티드 방식만 가능
전가상화에서는 게스트 OS가 요청을 하면 이에 맞는 바이너리 트랜스레이션을 수행해야 한다
구조

사용자애플리케이션
게스트운영체제
VMM(운영체제 요청 바이너리 트랜스레이션)
하드웨어

사용자애플리케이션
게스트운영체제
VMM(운영체제 요청 바이너리 트랜스레이션)
하드웨어

호스트운영체제가 일을하고 있는 경우 사용자 애플리케이션에 작업이 발생하면 아래 3가지 방법으로 일을 처리한다.

1. 트랩 방식:

사용자 프로그램에서 printf("%s\n",str) 명령을 내리면 운영체제의 쓰기 함수를 호출하고 표준 출력인 모니터로 출력을 하게된다
printf는 하드웨어인 모니터에게 직접 쓸 수 없기 때문에 Trap Handler를 호출한다
사용자 모드에서 커널모드로 전환이 되고 이 때 운영체제의 쓰기 함수를 호출해서 문자열을 출력하고 커널 모드에서 사용자 모드로 전환

2. 인터럽트 방식:

하드웨어에서 발생하는 이벤트로 USB를 시스템에 꽂을 때 NIC를 통해 패킷을 받아들일 때 또는 키보드를 이용해서 문자를 입력할 때 등의 경우에 하드웨어 장치가 인터럽트를 발생 시킴
Interrupt Handler 가 처리
인터럽트는 우선순위가 있음

3. 예외(Exception) 방식

cpu에서 자동으로 발생하는 이벤트로 처리할 수 없는 명령을 만났을 때 발생하는 것으로 다시 fault와 abort로 구분하는데 fault는 복구 가능한 에러이고 abort는 복구 불가능한 에러

소프트웨어적인 전가상화 방식은 VMWare가 개발한 방법인데 중간에 위치한 하이퍼바이저가 CPU가 인식할 수 있는 명령으로 변경해서 처리하기 때문에 오버헤드가 발생하고 구현이 까다로움

Xen이 단점을 극복하고자 Guest OS를 수정한 Hyper Call 방식을 제안하게 됨

📌 하드웨어 지원 기반 전가상화

네이티브 방식과 호스티드 방식 둘 다 가능
하이퍼바이저가 소프트웨어적으로 Guest OS가 요청한 명령을 현재 CPU에 수행할 수 있는 명령으로 변환해야 해서 오버헤드가 불가피하고 성능에 대한 문제가 발생할 수 밖에 없음
CPU 벤더들은 가상화를 지원하기 위한 새로운 기능이 탑재된 하드웨어를 출시
처음부터 CPU에 가상화 기술을 탑재해서 하드웨어가 직접 수행하도록 해주는 것
Intel 의 VT -x 기술 또는 AMD 의 AMD-V 기술이 탑재된 CPU에서만 가능
사용자 프로그램이 하드웨어의 가상화 기술을 통해 직접 요청이 가능한 방식
게스트 OS가 트랩을 발생시킬 때 하이퍼바이저는 바이너리 트랜스레이션 없이 가상화 기술을 통해 하드웨어를 직접 제어 가능

💠 반가상화(Paravirtualization)

소프트웨어적 전가상화의 단점을 보완하고자 등장
반가상화 OS는 게스트 OS가 자신이 가상화 환경에서 동작하고 있다는 것을 인지
게스트 OS가 하이퍼 바이저와 직접 통신을 수행해서 명령을 전달
이 경우에는 게스트 OS의 소스코드를 수정해서 하이퍼바이저와 통신이 가능하도록 만들어 주어야 한다
이 방식은 오픈 소스운영체제에서만 가능
소프트웨어적 전가상화보다는 성능이 우수하고 특정 API(I/O나 메모리 집약형 작업 등)에 한해서는 하드웨어적 전가상화보다 성능이 우수

💠 하이브리드 가상화

반가상화와 하드웨어 기반 가상화를 조합한 방식
하드웨어 기반의 가상화는 하이퍼바이저를 단순하게 하고 운영체제의 수정이 필요하지 않는 전가상화로 성능을 향상시키는데 하드웨어 기반의 가상화는 반가상화보다 성능이 안좋은 경우가 있는데 I/O 작업이나 메모리 집약형 작업을 처리할 때
대규모 데이터 분석을 처리하는 대형 데이터 센터 환경에서는 하드웨어 기반의 전가상화를 사용하기가 어려움
하드웨어 기반의 가상화 환경에 반가상화의 네트워크와 디스크 드라이버를 사용하게 함으로써 I/O 작업이나 메모리 집약형 작업은 반가상화가 처리하도록 해서 성능을 향상 시킴

💠 운영체제 가상화

컨테이너화
물리 시스템에 설치된 운영체제 위에 컨테이너를 구동할 수 있는 컨테이너 엔진을 설치해서 컨테이너를 가상머신처럼 관리하는 방식
하이퍼바이저에서는 가상머신의 운영체제는 서로 다를 수 있지만 컨테이너 기반의 가상화에서는 물리시스템에서 동작하는 운영체제를 모든 컨테이너가 공유하는 방식
컨테이너가 서로 다른 운영체제를 사용하면 동작할 수 없음

📌 가상머신 vs 컨테이너 구조

┌────────────┐
│   App     │
├────────────┤
│  Binary   │
├────────────┤ ┌────────────┐ ┌────────────┐
│ Guest OS1 │ │ Guest OS2 │ │ Guest OS3 │ 
├──────────────────────────────────────────┤
│ Hypervisor                            │ ← (Host OS 위에 설치되거나, Bare-metal)
├──────────────────────────────────────────┤
│ Infra structure                       │ ← Physical Hardware
└──────────────────────────────────────────┘

※ 각 VM은 서로 다른 Guest OS 사용 가능 (≠)

┌────────────┐
│   App     │
├────────────┤
│  Binary   │
├────────────────────────────┤
│ 컨테이너 엔진             │ ← Docker, container.d
├────────────────────────────┤
│  Host OS                 │ ← 컨테이너가 공유하는 커널
├────────────────────────────┤
│ Infrastructure           │ ← Physical Hardware
└────────────────────────────┘

※ 게스트 OS 없음 → 모두 같은 커널 공유 (≠ 불가)

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