Day 2 - 가상화

가상화란

• 하이퍼바이저(hypervisor) 가 하드웨어를 나눠 각 가상 머신에 배분한다.
• 물리 컴퓨터를 호스트, 그 위의 가상 컴퓨터를 게스트라 한다.
• 하이퍼바이저는 VMM(Virtual Machine Monitor, 가상 머신 모니터)이라고도 부른다. 같은 것의 다른 이름이다.

• 게스트의 디스크는 결국 호스트에 있는 파일이다. 그래서 가상 머신은 복사·백업·이동이 쉽고, 이 파일의 형식(VDI·VMDK·VHD) 이 제품마다 달라 시험에 나온다.

• 2주차에 "학습용이라면 가상 머신에 설치하라"고 권한 이유가 이 스냅샷이다. 파티션을 잘못 나눠도 되돌리면 그만이다.

하이퍼바이저의 두 종류

• Type 1은 그 자체가 운영체제 역할을 한다. 그래서 빠르다.
• Type 2는 이미 깔린 운영체제 위에 프로그램처럼 설치한다. 설치가 간단해 개인용으로 쓴다.

      Type 1 (네이티브)                 Type 2 (호스트형)
 
   게스트 OS   게스트 OS             게스트 OS   게스트 OS
   ─────────────────────             ─────────────────────
       하이퍼바이저                      하이퍼바이저      ← 프로그램의 하나
   ─────────────────────             ─────────────────────
         하드웨어                          호스트 OS       ← 한 층이 더 있다
                                     ─────────────────────
                                           하드웨어

• 가르는 질문은 "하이퍼바이저 밑에 무엇이 있나" 다. 하드웨어면 Type 1, 운영체제면 Type 2 다.
• Type 2가 느린 이유는 그림의 한 층이다. 게스트의 요청이 하이퍼바이저를 거친 뒤 호스트 OS를 한 번 더 거쳐야 하드웨어에 닿는다.
• KVM이 헷갈리는 지점이다. 리눅스를 먼저 설치하고 쓰니 Type 2처럼 보이지만, 모듈이 올라가면 리눅스 커널 자체가 하이퍼바이저로 동작하므로 Type 1로 분류한다. 시험도 이 분류를 따른다.
• 같은 회사 제품이 양쪽에 다 있다 — VMware ESXi는 Type 1, VMware Workstation은 Type 2. "VMware"라는 이름만으로 고르면 틀린다.

전가상화와 반가상화

가르는 기준은 "게스트 OS를 고쳐야 하는가" 다. 전가상화는 수정 없이 그대로, 반가상화는 수정이 필요하다. 대신 반가상화가 더 빠르다.

• Intel VT-x와 AMD-V는 CPU가 가상화를 도와주는 기능이다. 이 덕분에 전가상화도 성능이 크게 좋아졌고, 지금은 전가상화가 주류다.
• Xen은 반가상화로 시작했지만 지금은 전가상화도 지원한다.

왜 게스트를 고쳐야 하나

운영체제는 하드웨어를 자기 혼자 독점한다고 믿고 만들어졌다. 한 컴퓨터에 그런 운영체제가 여럿 올라가면 누군가 교통정리를 해야 한다.

   전가상화                              반가상화
 
   게스트 OS : "디스크에 직접 쓴다"       게스트 OS : "하이퍼바이저야, 써 줘"
        │  (자기가 가상 머신인 줄 모른다)       │  (자기가 가상 머신인 줄 안다)
        ▼                                    ▼
   하이퍼바이저가 그 명령을 가로채         하이퍼콜(hypercall)로 바로 요청
   진짜 하드웨어 대신 흉내 내어 처리        → 가로채고 흉내 내는 과정이 없다

• 반가상화가 빠른데도 주류가 되지 못한 이유가 셋째 줄이다. 소스를 고칠 수 없는 운영체제는 올릴 수 없다.
• CPU가 가로채는 일을 직접 도와주면서(Intel VT-x, AMD-V) 전가상화의 약점이 줄었다. 이렇게 CPU의 도움을 받는 방식을 하드웨어 지원 가상화라 한다.

리눅스에서는 CPU가 이 기능을 갖췄는지 /proc/cpuinfo 로 확인한다.

grep -E -c 'vmx|svm' /proc/cpuinfo
# 4

• 출력된 숫자는 플래그가 보이는 논리 CPU의 개수다. 위 예는 코어 4개 모두 지원한다는 뜻이고, 0이면 그 환경에서는 하드웨어 지원 가상화를 쓸 수 없다.
• 플래그 이름과 회사를 바꿔 묻는다. vmx가 인텔, svm이 AMD 다.

제품별 특징

VirtualBox

시험에 제품 스펙 그대로 나오는 항목이다.

⚠️ "VirtualBox는 반가상화를 지원한다"는 설명은 틀린 것으로 출제된다. VirtualBox는 Intel VT-x·AMD-V를 이용한 전가상화 제품이다. 반면 VMDK와 VHD 이미지를 지원한다는 설명은 맞다.

• 보기에 "VirtualBox 전체가 GPL" 이 아니라 "기본 패키지가 GPL" 이라고 적히는 이유가 확장 팩이다.
• 실제 VirtualBox 설정 창에는 "반가상화 인터페이스"라는 항목이 있어 혼란스러울 수 있다. 이것은 게스트에 시각 정보 등을 알려 주는 보조 기능이고, 제품의 가상화 방식 분류는 전가상화다. 시험에서는 분류대로 답한다.

가상 디스크 이미지 형식

제품과 형식을 짝짓는 문제의 재료다.

• VirtualBox는 자기 형식(VDI)만 쓰는 것이 아니라 남의 형식(VMDK·VHD)도 읽는다. "다른 회사의 이미지는 지원하지 않는다"는 보기는 틀린 설명이다.
• VDI는 뜻이 둘이다. VirtualBox 맥락에서는 디스크 이미지 형식이고, 기술 동향 맥락에서는 데스크톱 가상화(Virtual Desktop Infrastructure — 서버에 둔 데스크톱 화면을 원격으로 받아 쓰는 방식)다. 지문의 앞뒤로 가린다.

VMware

• VMware는 상용 제품이라는 점이 오픈소스인 VirtualBox(기본 패키지)·KVM·Xen과 갈린다.

Xen

• Xen은 가상 머신을 도메인(domain) 이라 부른다. Dom0이 관리용, DomU가 일반 게스트다.
• "반가상화의 대표"로 묻지만 "전가상화를 전혀 못 한다"는 설명은 틀리다.

KVM

• 별도 하이퍼바이저를 설치하는 것이 아니라 커널 모듈을 올리면 리눅스가 곧 하이퍼바이저가 된다. 이 점이 KVM의 정의다.

lsmod | grep kvm
# kvm_intel             368640  0
# kvm                  1028096  1 kvm_intel
virsh list --all
#  Id   Name    State
# ------------------------
#  1    web01   running
#  -    db01    shut off

• kvm 이 공통 모듈이고 kvm_intel(인텔) 또는 kvm_amd(AMD) 가 CPU에 맞춰 함께 올라간다. kvm 줄 끝의 1 kvm_intel 은 "이 모듈을 kvm_intel 하나가 쓰고 있다"는 뜻이다.
• virsh list --all 은 꺼진 가상 머신까지 보여 준다. 실행 중인 것만 Id 번호를 받고 꺼진 것은 - 다.
• KVM은 CPU의 VT-x / AMD-V가 있어야 동작하는 전가상화 방식이다. 리눅스 커널 2.6.20부터 커널에 포함되었다.

• QEMU만 쓰면 다른 CPU 구조까지 흉내 내는 에뮬레이터라 느리다. KVM과 함께 쓰면 CPU 명령을 진짜 CPU가 직접 처리해 빨라진다. 그래서 둘은 늘 붙어 다닌다.

컨테이너 — 가상화와 다르다

• 컨테이너는 운영체제를 따로 올리지 않는다. 커널을 공유하고 프로세스만 격리한다. 그래서 가볍고 빠르다.
• Docker는 가상 머신이 아니다. 이 구분을 묻는 문제가 나온다.

      가상 머신                          컨테이너
 
   앱        앱                       앱        앱
   게스트 OS  게스트 OS                 ─────────────────
   ─────────────────                   컨테이너 엔진(Docker)
     하이퍼바이저                       ─────────────────
   ─────────────────                    호스트 OS (커널 하나를 함께 쓴다)
       하드웨어                         ─────────────────
                                           하드웨어

• 그림에서 게스트 OS 층이 통째로 없다. 컨테이너가 가볍고 빨리 뜨는 이유의 전부다.
• 컨테이너는 리눅스 커널의 두 기능으로 만든다 — 프로세스가 볼 수 있는 범위를 가르는 네임스페이스(namespace)와 쓸 수 있는 자원을 제한하는 cgroups다.
• 커널을 공유하므로 호스트와 다른 커널의 운영체제는 올릴 수 없다. 리눅스 호스트의 컨테이너 안은 언제나 리눅스다. 윈도를 올리려면 가상 머신이 필요하다.

지문으로 가려내기

자주 틀리는 지점

1. 반가상화가 게스트를 고치지 않는 쪽이다 → 반대다. 고치지 않는 쪽이 전가상화다. "전(全)"은 하드웨어를 전부 흉내 낸다는 뜻으로 기억한다.
2. 전가상화가 언제나 더 빠르다 → 원리상으로는 반가상화가 빠르다. 전가상화는 CPU 지원으로 그 차이를 줄였을 뿐이다.
3. VirtualBox는 Type 1이다 → 운영체제 위에 설치하는 Type 2 다.
4. KVM은 Type 2다 → 커널 자체가 하이퍼바이저가 되므로 Type 1 이다.
5. VMware 제품은 모두 Type 2다 → ESXi는 Type 1 이다.
6. VirtualBox는 VDI 형식만 쓴다 → VMDK·VHD도 지원한다.
7. VHD는 VMware의 형식이다 → VHD는 마이크로소프트, VMware는 VMDK 다.
8. vmx가 AMD의 플래그다 → vmx는 인텔, svm이 AMD 다.
9. Docker는 Type 2 하이퍼바이저다 → 하이퍼바이저가 아니라 컨테이너 기술이다.
10. 컨테이너마다 커널이 따로 있다 → 호스트 커널 하나를 공유한다. 따로 있는 쪽이 가상 머신이다.

내일은 임베디드 시스템과 기술 동향을 다룬다.

📖 용어

• 가상화 : 한 대의 물리 컴퓨터에서 여러 운영체제를 동시에 실행하는 기술.
• 하이퍼바이저 : 가상 머신에 하드웨어 자원을 나누어 주는 소프트웨어.
• Type 1 / Type 2 : 하드웨어 위에서 바로 동작하는 방식 / 운영체제 위에 설치하는 방식.
• 전가상화 : 게스트 OS를 수정하지 않고 하드웨어를 흉내 내는 방식.
• 반가상화 : 게스트 OS를 수정해 하이퍼바이저에 직접 요청하는 방식.
• VirtualBox : 오라클의 Type 2 가상화 제품. GPL로 공개되어 있고 전가상화를 사용한다.
• KVM : 리눅스 커널 자체를 하이퍼바이저로 만드는 가상화 기술.
• 컨테이너 : 호스트 커널을 공유하며 프로세스만 격리하는 경량 방식. Docker가 대표적이다.