ness

...

가상화(Virtualization)

5 분 소요

가상화(Virtualization) 란?

위키의 정의에서 가상화는 하드웨어 리소스를 추상화하여 가상버전을 만드는 행위라고 정의하고 있다.

좀 말이 어려운데, 소프트웨어를 사용해 물리적인 하드웨어를 추상화하여 가상머신(VM)이라고 하는 여러 가상 컴퓨터를 만드는 것이다.
가상화는 물리적 인프라에서 독립된 환경 만들 수 있도록 해준다.

가상화는 클라우드 컴퓨팅의 근간이 된 기술인데, 클라우드 컴퓨팅에서 가상화를 통해 물리적 하드웨어를 추상화한 리소스를 사용자에게 제공하며 사용자는 필요한 컴퓨팅 리소스만 구매하여 사용가능 하다.

가상화 동작 방식

가상화에서는 크게 3가지 요소로 나눌수 있는데 가상머신(VM), 하이퍼바이저(hypervisor), 하드웨어로 나누어진다.

No Image
출처: redhat virtualization

가상머신(VM)

  • 가상머신은 내부에 OS를 갖는 가상 컴퓨터 시스템(하나의 독립된 운영환경)
  • 하나의 물리적인 서버에 여러 VM 을 생성하여 여러 OS or 애플리케이션을 실행 가능
  • 여러 VM 은 하이퍼바이저에게 물리 리소스를 요청하고 하이퍼바이저는 해당 리소스를 할당하여 하드웨어 리소스를 공유함
  • 각 VM 은 완벽히 독립되어 하이퍼바이저에 의해서 실행됨
  • 가상머신은 하나의 데이터 파일로 한 컴퓨터에서 다른 컴퓨터로 이동하더라도 동일하게 동작

하드웨어

  • 하드웨어는 일반적으로 서버, 데스크탑과 같은 컴퓨터 자원을 말함
  • 하드웨어의 리소스는 하이퍼바이저에 의해서 특정 VM 할당되거나 해제된다

하이퍼바이저(Hypervisor)

  • VMMM(Virtual Machine Monitor or Virtual Machine Manager) 이라고도 함
  • 하이퍼바이저는 가상머신을 생성하고 실행하기 위한 소프트웨어로 하드웨어와 VM 중간 계층에 위치하여 중간 관리자 역할을 수행
  • 하이퍼바이저는 일반적으로 서버와 같은 하드웨어에 직접 설치되어 실행됨
  • 하이퍼 바이저는 2가지 유형으로 분류된다.

네이티브 하이퍼바이저(native or bare-metal hypervisor)

No Image
출처: 위키 Hypervisor

  • 하이퍼바이저가 하드웨어 바로 위에서 실행되는 방식으로 CPU, 메모리, 스토리지 등을 직접제어함
  • 하이퍼바이저가 호스트 OS를 대신함
  • 장점: 하드웨어를 직접 제어하기 때문에 매우 효율적이고 별도의 호스트 OS가 없으므로 보안이 향상됨
  • 단점: 하드웨어에 직접 설치하기 때문에 설치가 어렵고 상황에 따라 별도의 관리 시스템이 필요할 수도 있음
  • 대표적으로 Xen, 마이크로소프트 Hyper-V, KVM(Kernel-based Virtual Machine) 등이 있음

호스트된 하이퍼바이저(hosted hypervisor)

No Image
출처: 위키 Hypervisor

  • 하이퍼바이저가 호스트 OS 위에 애플리케이션으로 설치되는 방식
  • 게스트 OS(VM)는 하드웨어 자원을 하이퍼바이저를 통해서 호스트 OS에서 할당받음
  • 일반적으로 서버기반 환경이 아닌 개인 PC 나 노트북 환경에서 수행되는 방식
  • MAC OS 위에 VM Ware 를 설치하여 윈도우나 리눅스를 구동시키는 경우
  • 장점: 호스트 OS에서 게스트 OS에 빠르고 쉽게 접근이 가능
  • 단점
    • 호스트 OS를 통해 하드웨어 자원을 액세스하므로 네이티브 방식에 비해서 성능이 나쁨
    • 해커에 의해 호스트 OS가 손상된 경우 게스트 OS를 조작할 수 있어 보안 위험이 있음
  • 대표적으로 VMware server, VMware Workstation, Virtual box 등이 있음

가상화 방법

가상화 방법은 전 가상화(Full Virtualization)와 반 가상화(Para-Virtualization) 방법이 있다.

전 가상화(Full Virtualization)

  • 전 가상화는 하드웨어를 모두 가상화하는 방법
  • 게스트 OS(VM)는 하드웨어 자원을 사용하기 위해서 반드시 하이퍼바이저가 중재해야 됨

No Image
출처: 가비아 서버 가상화 기술의 진화

  • 게스트 OS는 ‘DOM 0’ 이라는 관리 머신을 거쳐서 하이퍼바이저와 통신
  • ‘DOM 0’ 는 여러 게스트 OS의 요청을 모두 받아서 처리함으로 CPU, RAM, I/O 처리가 잦으면 성능이 저하됨

반 가상화(Para-Virtualization)

  • 반 가상화는 하드웨어를 완전히 가상화하지 않음
  • 게스트 OS(VM)의 커널을 일부 수정하여 ‘DOM 0’ 없이 하이퍼바이저를 통해서 하드웨어와 직접 통신
  • 게스트 OS를 수정해야 하므로 윈도우 같은 경우 별도의 Tool 이 필요할 수 있음

No Image
출처: 가비아 서버 가상화 기술의 진화

  • 수정된 게스트 OS는 Hyper Call 이라는 명령어로 하이퍼바이저를 호출
  • 하이퍼바이저는 하드웨어 자원을 수정된 게스트 OS에 할당

가상화 사용 사례

서버 가상화

  • 단일 물리적인 서버를 여러 개의 가상 서버로 분리하여 사용하는 기술로 일반적으로 가상화라고 하면 서버 가상화를 말함
  • 서버 가상화의 가장 큰 목적은 서버 리소스 사용률을 극대화 하기 위해서 사용함
  • 물리적인 서버를 확장하는 것보다 VM 을 이용하여 확장하는 것이 훨씬 효율적임
    • 물리 서버의 환경을 설정하는 것 보다 VM 실행환경만 구축하고 이미지를 이용한 확장이 훨씬 쉬움

예를들어 메일, 웹, 사내용 레거시 앱 3개의 서비스가 각각 물리 서버에 배포되어 있다고 가정해보자.
No Image
출처: redhat what-is-virtualization
위 그림에서처럼 각 서비스는 서버의 30% 용량만을 사용하고 있다면 각 서버는 70% 용량이 낭비되고 있는 것이다. 이런 문제를 해결하기 위해 서버 가상화를 이용하여 1번 서버에 메일을 위한 가상환경과 레거시 앱의 가상환경을 구축하여 낭비를 줄일 수 있다. No Image
출처: redhat what-is-virtualization

사실 1개의 서버에 여러 작업을 수행하게 할 수 있지만, 그런경우 메일 서비스에 문제가 생겨 서버에 영향을 주는 경우 모든 서비스를 사용할 수 없는 문제가 발생할 수 있다. 하지만 VM을 이용하여 가상 메일 서버와 가상 레거시 앱 서버를 구축한다면 서로가 완벽히 격리되어 안전성을 보장된다.

데스크탑 가상화

  • 데스크탑 가상화는 데스크탑 환경과 실제 클라이언트 장치를 분리하는 기술
  • 데스크탑 환경이 데이터 센터에 저장되고 사용자는 로그인을 통해 데스크탑 환경을 이용하는 것
  • 일반적으로 회사에서 많이 사용하는 방법으로 직원들은 원격 데스크탑에 접속하여 독립된 PC를 사용하는 것 처럼 사용함
  • 즉, 사용자의 클라이언트에 관련없이 원격 서버에 성능으로 가상 PC를 이용할 수 있음
  • 대표적으로 VDI(Virtual Desktop Infrastructure), DaaS 가 있음
  • VDI: 사용자는 VDI 접속 프로그램에 로그인하여 원격 서버의 데스크탑 환경을 이용하는 방법
    • 중앙 집중식 데스크탑 관리가 가능함으로써 보안이 향상되어 많은 기업에서 사용하고 있는 솔루션

서버 가상화와 데스크탑 가상화의 차이점
서버 가상화는 서버의 사용률을 극대화 하기 위해서 사용하며 매일 같은 기능을 수행하기 때문에 예측하기 쉽다. 하지만 데스크탑 가상화는 원격환경에서 가상 PC환경을 제공함으로써 더 유연한 환경을 제공한다. 사용자의 행위를 예측할 수 없기 때문에 가상 데스크탑 호스팅을 제공하는 서버는 사용자의 비정상적인 행위에 대응할 수 있어야 한다.

네트워크 가상화

  • 네트워크 가상화는 물리적인 네트워크를 논리적인 단위의 네트워크로 나누어 사용하는 기술
  • 네트워크 가상화는 네크워크에 있는 두 도메인을 물리적으로 연결하지 않고 터널을 만들어 두 도메인을 연결
  • 네트워크 관리자는 물리적인 요소(스위치, 라우터, 링크 등)들을 건드리지 않고 요소들을 수정하고 제어할 수 있음
  • 대표적으로 SDN(Software Define Network), NFV(Network Functional Virtualization) 가 있음
  • NFV: 네트워크 가상화로 만들어진 터널에 서비스를 배치하는 것으로 방화벽, IDS, IPS 와 같은 4~7 계층의 로드밸런싱을 가상화 하는 것
  • SDN: 제어 플레인을 데이터 플레인과 분리하는 방법으로 네트워크를 프로그래밍 가능하도록 함
    • 제어 플레인: 네트워크에 무엇이 어디에 이동할지 알려주는 역할
    • 데이터 플레인: 특정 목적지로 패킷을 보내는 역할

스토리지 가상화

  • 네트워크 상에 있는 모든 스토리지를 단일 스토리지 처럼 액세스하고 관리할 수 있도록 함
  • 모든 스토리지 블록을 단일 공유 풀로 통합하여 네트워크의 모든 VM에 할당할 수 있음
  • 스토리지 가상화를 통해서 네트워크 안에 스토리지를 최대한 활용 가능

데이터 가상화

  • 데이터 가상화는 데이터 소스, 형식, 위치에 관계없이 모든 애플리케이션들이 데이터에 접근가능 하도록 함

애플리케이션 가상화

  • 애플리케이션을 사용자의 OS에 직접 설치하지 않고 가상환경의 애플리케이션을 실행
  • 가상환경에는 오직 애플리케이션만을 설치하므로 위의 데스크탑 가상화와는 다름
  • 애플리케이션 가상화의 3가지 유형
    • 로컬 애플리케이션 가상화
    • 애플리케이션 스트리밍
    • 서버기반 애플리케이션 가상화

CPU 가상화

  • CPU 가상화는 하이퍼바이저, virtual system, OS를 가능하게 하는 기본 기술
  • 단일 VM 을 여러 VM 에서 사용할 수 있도록 여러 가상 CPU 로 나눌수 있음
  • 최근 프로세서들은 CPU 가상화를 지원하는 명령어 세트들이 포함되어 있음

리눅스 가상화

  • 리눅스에는 Intel 및 AMD의 가상화 프로세서 확장을 지원하는 KVM(Kernel Virtualization Machine)이 자체적으로 포함되어 있음
  • 리눅스는 호스트 OS 내에서 x86기반 VM을 생성가능

컨테이너형 가상화

  • 최근 가상화 기술은 하이퍼바이저 기반 가상화 방식에서 컨테이너 기반 가상화로 변하고 있음 (도커)
  • 기존의 하이퍼바이저 기반의 가상화 방식에서는 VM 에 추가적으로 게스트 OS를 설치하기 때문에 성능 이슈가 존재했음
  • 이를 개선하기 위해 LXC(Linux Container) 에서 컨테이너라는 개념을 처음 도입
  • LXC 에서는 게스트 OS를 설치하지 않고 프로세스를 격리 하여 VM과 유사한 독립적인 공간을 컨테이너라고 표현함
  • LXC는 호스트 OS(리눅스 커널) 위에서 네임 스페이스와 cgroup 을 이용하여 구현됨
    • 네임 스페이스: 리눅스 시스템 자원을 묶어 프로세스를 할당하는 방식
    • cgroup: 프로세스 그룹의 시스템 자원을 사용량을 관리하여 특정 애플리케이션이 자원을 과다 사용하는 것을 제한

No Image
출처: 가비아 서버 가상화 기술의 진화

  • 컨테이너 엔진에는 실행에 필요한 환경이 모두 갖춰져 있으므로 어떤 환경에서도 실행이 가능
  • 컨테이너에는 게스트 OS는 존재하지 않아서 VM 보다 가볍고 OS를 부팅하는 과정이 없어서 빠르게 시작이 가능

Reference

참고