가상 머신

tycode·2021년 4월 25일

C.S (Computer Science)

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Virtual Machine (가상 머신)

하나의 하드웨어(CPU, Memory등)에 다수의 운영체제를 설치하고, 개별 컴퓨터처럼 동작하도록 하는 프로그램

컴퓨터는 한대이지만 가상 머신이 마치 자신이 하드웨어 동작을 emulate(묘사)를 해서 가상 머신마다 운영체제를 설치할 수 있어서 마치 컴퓨터가 여러대인 것처럼 하는 것.

Virtual Machine Type1 (native 또는 bare metal)

가성머신을 초창기에 구현할 때 어떻게 구현하는게 좋을지 연구하면서 나온 각각의 구현방식을 구분하기 위해서 크게 두 타입으로 나누었다.

하이퍼 바이저(또는 VMM): 운영체제와 응용프로그램을 물리적 하드웨어에서 분리하는 프로세스
하이퍼바이저 또는 버추얼 머신 모니터 (VMM)라고 하는 소프트웨어가 Hardware에서 직접 구동함

Virtual Machine Type2

하이퍼바이저 또는 버추얼 머신 모니터 (VMM)라고 하는 소프트웨어가 Host OS 상위에 설치됨
ex) VMWare, Parallels Desktop(Mac)

Full Virtualiation(전가상화) VS Half Virtualization(반가상화)

전가상화: 각 머신이 하이퍼바이저를 통해서 하드웨어와 통신 (가상머신과 하드웨어의 통역사 역할)
- 하이퍼바이저가 마치 하드웨어인 것처럼 동작하므로, 가상머신의 OS는 자신이 가상 머신인 상태인지를 모름
반가상화: 각 가상머신에서 직접 하드웨어와 통신
- 각 가상머신에 설치되는 OS는 가상 머신인 경우, 이를 인지하고, 각 명령에 하이퍼바이저 명령을 추가해서 하드웨어와 통신

VMWARE

: 대중적인 가상머신 프로그램(Type2)

KVM

:AWS(아마존 클라우드 컴퓨팅 서비스)등에서 사용(Type1)
클라우드 서비스 100대의 컴퓨터를 설치해 놓고 1만명이 쓰게 하는 것. 각각의 만명이 100대의 컴퓨터를 볼 때 1만 대의 컴퓨터로 보이게 하기 위해 쓰는 것이 KVM.

KVM은 리눅스 커널의 기능을 사용하고 리눅스 커널에서 ioctl()이라는 시스템콜을 제공 (특징: 하드웨어의 직접 명령/제어가 가능하다). 이 명령을 사용해서 CPU에 가상 CPU를 만들 수 있다. CPU에서 이 기등을 제공해야 되기 때문에, 인텐 CPU에는 Intel-VT라는 명령세트가 있고 이걸로 가상 CPU만들 수 있다. 이 기능을 사용해서 KVM이라는 소프트웨어를 만들었다.

CPU에는 protection ring있다 0커널 3응용프로그램
CPU하나를 두고 가상머신 여러개를 사용하기 위해 VMX root/VMX non-root 모드를 만들었다.
각 모드별로 protection 0~3을 지원하고, 가상화 기능을 사용하지 않을 경우, VMX root모드 사용한다.
kVM은 각 가상 시스템에 대응하는 KVM 프로세스 실행, KVM모듈(/dev/kvm)을 통해 vCPU사용
KVM프로세스 기반 게스트 커널(VMX non-root/RING 0 사용), QEMU 장치 에뮬레이터(IO device 에뮬레이터)가 로드됨
게스트 커널 위에서 실행되는 응용 프로그램은 VMX non-root/Ring3을 virtual cpu상에서 사용
게스트 커널이 물리적 HW자원 필요시, VM exit가 발생 (일종의 인터럽트), KVM모듈에서 해당 요청 처리
일반 HW자원은 QEMU 장치 에뮬레이터에 하드웨어 자원 처리를 요청함
- QEMU장치 에뮬레이터가 IO device들을 에뮬레이터 하고 있기 때문에 해당 에뮬레이터 소프트웨어를 사용해서 해당 IO device로부터 데이터를 송신/수신할 수 있다. 그리고 그 장치를 게스트 커널에 엑세스 할 수 있기 때문에, 해당 데이터를 응용프로그램에 주게 된다.

KVM이라는 가상화 기술이 결과적으로 CPU에서도 지원이 되야 한다는 것.

KVM이라는 소프트웨어도 따지고 보면 LINUX 커널이다

CPU protection ring이 가상 머신에서도 영향을 미치기 때문에 protection ring은 VMX root/VMX non-root로 구분해서 제어를 한다.

Docker

가상 머신은 컴퓨터 하드웨어를 가상화(하드웨어 전체 추상화)
- 하이퍼바이저 사용, 추가 OS필요 등 성능 저하 이슈 존재
Docker는 운영체제 레벨에서 별도로 분리된 실행환경을 제공(커널 추상화)
- chroot라는 명령어를 취하면 컴퓨터에 분리된 공간을 만들어준다 (별도의 실행환경을 만들어 준다)
- 마치 리눅스 처음 설치했을 때와 유사한 실행환경을 만들어주는 리눅스 컨테이너 기술 기반
- 리눅스 컨테이너 기술이므로 macOS나 windows에 설치할 경우는 가상 머신 기반 제공

가상 머신 정리

Bare-Metal 방식이 가장 성능이 좋음 (type1)
- 하드웨어 직접 엑세스하기 때문이고
- AWS(클라우드 컴퓨팅) 완경도 Bare-Metal기반 가상 머신 기술을 사용하고 있다(KVM)
Docker는 경량 이미지로(리눅스가 밑에 있다는 전제하에, 별도로 리눅스 운영체제를 설치할 필요 없다) 실행환경을 통째로 백업, 실행 가능하다 (실무에 많이 사용됨)
- Data Engineering 에서 Docker로 시스템 환경 설정 + 프로그램을 한번에 배포
- 예) root 설립, ubuntu ID → 프로그램5개, 1개 데몬 프로그램 → 서버 24실행 가능하게 하는 것들을 통째로 백업, 실행 가능캐함
- 예) 프로그램 업데이트 → Docker 이미지 작성(실행환경 통째로 만들고) → Jenkins로 (하루에 한번씩 돌려서 해당 컴퓨터에 동작하는 프로그램을 만들어서 업데이트된 프로그램으로 서버에 동작하도록 하는 것) 배치잡 생성 및 실행(AWS EC2 재생성 및 Docker 이미지 설치, 실행)