[펌] 가상화 방식, 아키텍처, 구현 개요

[쩡권]

가상화(Virtualization)는 사람들마다 그 의미도 다양합니다. 현재 가상화의 큰 초점은 서버 가상화 또는 단일 호스트 컴퓨터 상에 여러 개의 독립적인 OS를 호스팅하는 것에 맞춰져 있습니다. 이 글에서는 가상화 개념을 설명하고, 가상화를 실현하는 여러 가지 방법들을 논합니다. 또한, 리눅스 OS 가상화 같은 다양한 가상화 기술들을 살펴봅니다.

가상화는 특정한 형태로 있는 것을 또 다른 형태로 나타내는 것을 뜻한다. 컴퓨터를 가상화 한다는 뜻은 다중 컴퓨터 또는 완전히 다른 컴퓨터로 보이게 한다는 것을 의미한다.

또한, 가상화는 많은 컴퓨터들을 하나의 컴퓨터처럼 보이게 하는 것을 의미할 수도 있다.

이것은 일반적으로 server aggregation 또는 그리드 컴퓨팅(grid computing)이라고 한다.

그럼, 가상화의 기원부터 살펴보도록 하자.

가상화의 역사

가상화는 새로운 주제가 아니라 이미 40년 전부터 시작되었다. 최초의 가상화는 IBM? 7044, Massachusetts Institute of Technology (MIT)가 개발한 IBM 704상의 Compatible Time Sharing System (CTSS), 디맨드 페이징(demand paging)과 수퍼바이저 호출(supervisor calls)을 선도했던 Manchester University의 Atlas 프로젝트(최초의 수퍼컴퓨터 중 하나) 등이 있다.

하드웨어 가상화

IBM은 System/360™ Model 67 메인프레임을 개발하면서, 1960년대에 이미 가상화의 중요성을 인식했다. Model 67은 Virtual Machine Monitor(VMM)을 통해 모든 하드웨어 인터페이스들을 가상화 했다. 초기 컴퓨팅 시절에, 이 OS는 수퍼바이저(supervisor)로 불렸다. 다른 OS상에서 OS들을 실행할 수 있는 기능을 겸비하면서 하이퍼바이저(hypervisor)라는 이름도 얻게 되었다. (이 용어는 1970년대에 만들어졌다.)

VMM은 기반 하드웨어에서 직접 실행되기도 하고, 다중의 가상 머신(VM)들도 실행할 수 있다. 각각 VM은 고유의 OS 인스턴스를 실행할 수 있다. 초기에는 이것을 CMS(또는 Conversational Monitor System)라고 불렀다. VM은 계속 성장했으며, 요즘에는 System z9™ 메인프레임에서 실행된다. System/360 계열 제품들과도 백워드 호환이 된다.

프로세서 가상화

또 다른 초기 가상화에는 P-code (또는 가상 코드 pseudo-code) 머신도 있다. P-code는 물리적 하드웨어가 아닌 가상 머신에서 실행되는 머신 언어이다. P-code는 1970년대 초반, University of California, San Diego (UCSD) Pascal 시스템으로 유명해진 것으로서, Pascal 프로그램을 P-code로 컴파일 한 다음, P-code 가상 머신에서 실행한다. 따라서 P-code 프로그램은 뛰어난 이식성을 갖추게 되고, P-code 가상 머신을 사용할 수 있는 곳 어디에서나 실행된다.

Java Virtual Machine (JVM) 자바™ 언어는 가상 머신에 P-code 모델을 따랐다. 따라서, JVM으로 간단히 이식하기만 해도 무한한 아키텍처에 자바 프로그램들을 제공할 수 있었다.

C 언어의 조상 격인 1969년대의 Basic Combined Programming Language (BCPL)에도 같은 개념이 적용되었다. 이 때에는 컴파일러가 BCPL 코드를 O-code 라고 하는 중간 머신 코드로 컴파일 한다. 두 번째 단계로, O-code는 대상(target) 머신의 네이티브 언어로 컴파일 되었다. 이 모델은 현대적인 컴파일러에 의해 사용되어, 새로운 대상 아키텍처로 컴파일러를 이식할 때 유연하다. (중간 언어(intermediate language)에 의해 프론트엔드와 백엔드를 구별한다.)

명령어 가상화

최근의 가상화 추세는 명령어 가상화(instruction set virtualization) 또는 바이너리 변환이다. 이 모델에서, 가상(virtual) 명령어는 기반 하드웨어의 물리적 명령어로 동적으로 변환된다. 실행될 코드가 있을 경우 코드 세그먼트에 변환이 이루어진다. 분기(branch)가 발생하면, 새로운 코드 세트가 변환된다. 이것은 메모리에서 빠른 로컬 캐시 메모리로 명령어 블록을 이동하는 캐싱 연산과 매우 비슷하다.

이 모델은 최근 Transmeta에서 설계된 Crusoe CPU에서 사용되었다. 이 아키텍처는 Code Morphing 이라는 이름으로 바이너리 변환을 구현했다. 비슷한 예로 권한이 있는 명령어를 찾아서 리다이렉션 하는 전체 가상화(full virtualization) 솔루션에서 사용되는 런타임 코드 스캐닝이다. (특정 프로세스 명령어와 관련된 이슈를 해결한다.)

가상화와 게임 가상화를 다루는 글에서 Multiple-Arcade Machine Emulator (MAME)을 언급하지 않을 수 없다. MAME은 이름에서 함축하듯 과거의 많은 아케이드 게임의 머신 에뮬레이터이다. 그러한 게임에 사용되는 프로세서를 가상화 하는 것 외에도, 사운드와 그래픽 하드웨어와 컨트롤을 포함하여 전체 머신이 가상화 된다. MAME은 애플리케이션 규모가 크지만 소스를 정독해 보는 것도 유익하다.

가상화의 유형

가상화 같은 경우, 단 한 가지 방법만 있는 것은 아니다. 사실, 다양한 레벨의 추상화(abstraction)를 통해서 같은 결과를 얻을 수 있다. 이 섹션에서는 리눅스의 가장 일반적인 가상화 방식 세 가지를 소개하고, 이들의 장단점을 비교해 볼 것이다. 가끔씩 같은 가상화 방식을 설명하는 경우에도 다른 용어를 사용한다. 이 글에서는 가장 일반적인 용어를 사용하도록 하겠다.

하드웨어 에뮬레이션(emulation)

가장 복잡한 가상화는 그림 1처럼 하드웨어 에뮬레이션에 의해 제공된다. 이 방식에서, 하드웨어 VM은 호스트 시스템에서 생성되어 해당 하드웨어를 에뮬레이트 한다.

그림 1. 하드웨어 에뮬레이션은 VM을 사용하여 필요한 하드웨어를 시뮬레이트 한다.

에뮬레이션과 개발 하드웨어 에뮬레이션에서 가장 흥미로운 사용법 중 하나는 펌웨어와 하드웨어의 공동 개발(co-development)이다. 실제 하드웨어를 사용할 수 있을 때까지 기다리는 대신, 펌웨어 개발자들은 대상 하드웨어 VM을 사용하여 시뮬레이트 할 때 나타난 실제 코드에 대해 유효성 검사를 할 수 있다.

여러분도 잘 알겠지만, 하드웨어 에뮬레이션의 가장 큰 문제는 극도로 느려질 수 있다는 점이다. 모든 명령어들이 기반 하드웨어에 시뮬레이트 되어야 하기 때문에, 100배 정도 느려지는 것은 다반사이다. 사이클 정확성(cycle accuracy), 시뮬레이트 된 CPU 파이프라인, 캐싱 작동을 포함한 하이파이(high-fidelity) 에뮬레이션의 경우, 실제 속 차이는 1000배나 더 느려질 수도 있다.

하드웨어 에뮬레이션은 장점도 있다. 예를 들어, 하드웨어 에뮬레이션을 사용하면, PowerPC?용의 수정되지 않은 OS를 ARM 호스트에서 실행할 수 있다. 다른 프로세서를 시뮬레이트 하는 여러 개의 가상 머신들을 실행할 수도 있다.

전체 가상화(Full virtualization)

전체 가상화(네이티브 가상화) 또한 가상화 방식이다. 이 모델은 게스트(guest) OS들과 네이티브 하드웨어 사이를 중재(mediate)하는 가상 머신을 사용한다. (그림 2) "중재(Mediate)"는 핵심적인 단어이다. VMM이 게스트 OS와 베어 하드웨어 사이를 중재하기 때문이다. 보호를 받고 있는 특정 명령어들은 하이퍼바이저 내에서 트랩핑(trap) 및 핸들되어야 한다. 기반 하드웨어는 OS가 소유한 것이 아닌, 하이퍼바이저를 통해서 공유되기 때문이다.

그림 2. 전체 가상화는 하이퍼바이저를 사용하여 기반 하드웨어를 공유한다.

오래된 하드웨어의 하이퍼바이저 x86 같은 일부 구형 하드웨어는 가상화의 전체 메소드에 대한 문제들을 만든다. 예를 들어, VMM에 의해 핸들되어야 하는 특정 명령어들은 트래핑 하지 않는다. 따라서, 하이퍼바이저가 이러한 문제를 처리하려면 권한 모드(privileged-mode) 코드를 동적으로 스캐닝 및 트래핑 해야 한다.

전체 가상화는 하드웨어 에뮬레이션 보다는 빠르지만, 하이퍼바이저 중재 때문에 실제 하드웨어 보다는 성능이 낮다. 전체 가상화의 가장 큰 장점은 OS를 수정하지 않고 실행될 수 있다는 점이다. 유일한 제한 사항은 OS가 기반 하드웨어(예를 들어, PowerPC)를 지원해야 한다는 것이다.

Paravirtualization

Paravirtualization은 전체 가상화와 약간 유사한 대중적인 기술이다. 이 방식은 기반 하드웨어로의 공유 액세스에 하이퍼바이저를 사용하지만, 가상화 인식 코드를 OS로 통합한다. (그림 3) 이 방식은 재컴파일이나 트래핑(trapping)을 할 필요가 없다. OS 그 자체로 가상화 프로세스에 협력하기 때문이다.

그림 3. Paravirtualization은 프로세스를 게스트 OS와 공유한다.

앞서 언급했던 것처럼, Paravirtualization은 게스트 OS들이 하이퍼바이저에 맞게 수정되어야 한다. 이것이 단점이다. 하지만, Paravirtualization은 가상화 되지 않은 시스템 성능에 가까운 성능을 보인다. 전체 가상화와 마찬가지로, 여러 다른 OS들이 동시에 지원된다.

P.S =VMWARE 옵션에 가면 kernel paravirtualization 이라는 옵션을 볼수 있다.

OS 레벨 가상화

마지막 기술인 OS 레벨 가상화는 지금까지 다루어왔던 것과는 다른 기술을 사용한다. 이 기술은 그림 4처럼 OS에서 서버들을 가상화 한다. 이 방식은 하나의 OS를 지원하고, 서버들을 분리시킨다.

그림 4. OS 레벨의 가상화는 서버들을 분리시킨다.

OS 레벨 가상화는 OS 커널을 수정해야 하지만, 장점은 성능이 우수하다는 점이다.

왜 가상화가 중요한가?

리눅스에서 사용할 수 있는 가상화 옵션들을 보기 전에, 가상화의 장점부터 살펴보도록 하자.

비즈니스 관점에서 볼 때, 가상화를 사용해야 하는 이유는 많이 있다. 대게는 서버 통합(server consolidation)이 주요한 이유이다. 사용도가 낮은 많은 시스템들을 하나의 서버에 가상화 할 수 있다면, 파워, 공간, 냉각, 서버 관리 등에서 뚜렷한 절감 효과를 볼 수 있다. 서버 활용도를 결정하는 것은 어렵기 때문에, 가상화 기술은 라이브 마이그레이션(Live migration)이라는 것을 지원한다. 라이브 마이그레이션으로 OS와 애플리케이션들은 새로운 서버로 마이그레이션 되어 가용 하드웨어에 대해 로드를 조정할 수 있다.

가상화는 개발자에게도 중요하다. 리눅스 커널은 하나의 어드레스 공간을 차지하는데, 커널 또는 드라이버의 오류가 전체 OS 충돌이라는 결과를 가져올 수도 있다는 의미이다. 가상화를 통해서 여러 OS들을 실행할 수 있고, 버그로 인해서 한 OS가 고장이 나더라도, 하이퍼바이저와 다른 OS들은 계속해서 실행될 수 있다. 이로서 사용자 공간(user-space) 애플리케이션을 디버깅 하는 것과 비슷한 커널 디버깅이 가능해진다.

출처 : http://www.ibm.com/developerworks/kr/library/l-linuxvirt/

[솔라리스관리자]

요즘 정권이의 노력이 엄청난데.....

[솔라리스관리자]

더욱더 열공.... 힘내...쩡권....

[쩡권]

ㅎㅎ 감사합니다 ㅎ