개념정리

✅ Chapter 10 – 가상화 개념 정리 (1부)

📌 1. 가상화(Virtualization)의 개요

• 가상화는 컴퓨터 자원의 논리적 추상화이다.

• 사용자나 응용 프로그램이 실제 자원(HW, OS 등)의 세부를 모르게 하는 기술이다.

• Wikipedia 정의: "Virtualization is the act of creating a virtual (rather than actual) version of something..."

📌 2. 가상화 상태의 수학적 표현

• 시스템 상태 전이: Si → Sj

• 가상화된 상태 전이: S'i → S'j

• 전환 함수 V가 Si를 S'i로 매핑함.

• 이 전환은 ABI 또는 ISA 수준에서 적용될 수 있다.

📌 3. 가상화 계층 종류

1) ABI 레벨 (프로세스 가상 머신)

• 사용자 응용 관점의 가상화.

• 예시: Java Virtual Machine (JVM)

2) ISA 레벨 (시스템 가상 머신)

• HW 명령어 수준에서의 가상화.

• Guest OS가 하이퍼바이저 위에서 동작함.

📌 4. 프로세스 VM 유형

프로세스 가상머신 그룹핑

동일한 ISA

• Multiprogrammed System
• Same ISA Binary Optimizer

다른 ISA

• Emulator(Dynamic Translator)
• High-Level Language VM

📌 5. 하이퍼바이저

하이퍼바이저 용어

하이퍼바이저(hypervisor)

• 가상화 소프트웨어(virtualization software) = 가상머신 모니터(virtual machine monitor)

호스트 머신(host machine)

• 하이퍼바이저가 설치되는 물리시스템

게스트 머신(guest machine)

• 하이퍼바이저가 관리하는 가상머신

하이퍼바이저 타입

• 물리시스템에 직접설치 여부로 결정
• Type 1, Type2

Type 1(=bare metal)(=native) 하이퍼바이저

• 물리시스템 하드웨어에 직접 설치되어 가상머신 관리
• ex) KVM, Xen, Hyper-V
• 물리시스템의 운영체제 역할을 수행
• 대규모 클라우드 컴퓨팅 서비스를 위해 도입
• 클라우드 서비스의 신속한 확장과 축소가 가능하도록 확장성(Scalability)을 보장
• 가상머신과 호스트머신간 빠른 통신 가능
• 물리시스템의 하드웨어적 가상화 지원
  • Intel
    • VT-x
    • vmx flag, virtual machine extensions
  • AMD
    • AMD-V
    • svm flag, secure virtual machine

Type 2(=hosted) 하이퍼바이저

• 호스트머신의 운영체제 위에서 마치 어플리케이션처럼 설치
• 가상머신을 단일 물리시스템에 설치하고 운영하는데 편리함
• 호스트머신의 하드웨어에 직접접근이 어려움
• Type1 대비 오버헤드 발생

KVM

• Type1 이자 Type2 하이퍼바이저
• KVM은 리눅스 커널 모듈로 작동, 리눅스 운영체제가 설치된 후 KVM이 동작 -> Type 2에 가까움
• KVM 모듈이 설치된 리눅스 운영체제 자체가 Type1 하이퍼바이저
• FreeGSD의 bhybe도 마찬가지인듯

Xen

• 케임브리지 대학의 연구 프로젝트
• 반가상화 하이퍼바이저로 시작
• 전가상화 + Type1(하드웨어 지원)
• 도메인 개념 도입(특권레벨)
  • 특권 도메인(Dom 0): 물리시스템의 장치에 접근이 가능한 가상머신
  • 게스트 도메인(Dom U): 일반 가상머신
• CPU, 메모리, 인터럽트는 직접처리
• 디바이스에 대한 처리는 특권 도메인이 처리(하이퍼콜을 통해 장치에 접근)

하이퍼바이저의 라이프 사이클

VMX

• CPU에서 하드웨어 기반의 전가상화를 가능하게 하는 명령어 집합

인텔 VT-x 기준 VMM 라이프 사이클

• vmx 플래그 활성화(/proc/cpuinfo)
• VMM은 프로세서 자원, 물리메모리, 인터럽트 관리, I/O 제어
• VMM은 vmx의 루트모드(root)에서 동작
• 가상머신은 비루트(non-root) 모드에서 실행
• 루트모드와 비루트 모드 사이의 전환 빈번하게 발생
  • VMM 트랜지션(transition)
  • VM Entries(VMRESUEM, VMLAUNCH): 루트 -> 비루트 모드 전환, 가상머신 실행?
  • VM Exit: 루트모드로 전환

VMCS(Virtual Machine Control Structure)

• 여러 가상머신에 대한 상태 저장
• 메모리상에 존재, 가상머신별로 존재
• 컨텍스트 스위칭 시 VMCS에 정보저장
• 6개의 논리적 그룹
  • Guest State Area: VM Exit, VM Entires 때 프로세서의 상태 저장
  • Host State Area: VM Exit 때 프로세서의 상태를 로드
  • VM Execution Control Fields: vmx의 비특권 모드에서 실행되는 프로세서의 명령에 대해 컨트롤 하는 필드
  • VM Exit Control Fields: VM Exit을 제어하는 필드
  • VM Entry Control Fields: VM Entries를 제어하는 필드
  • VM Exit Information Fields: VM Exits의 원인에 대한 정보를 저장

하이퍼바이저의 라이프 사이클

• VMXON: VMX 명령을 실행할 수 있는 단계로 진입
• VM Entries: VMM은 한 번에 하나씩 가상머신을 실행
• VM Exit: VMX의 비특권 모드에서 특권 모드로 전환
• VM Exit가 수행되면 제어권을 갖고 VM Entries 명령을 통해 종료된 가상머신을 재실행
• VMXOFF: VMM 종료

가상화

가상화 개념

• 실체적인 컴퓨터 시스템의 가상 버전을 만드는 행위
• 컴퓨터 시스템의 가상버전 = 하드웨어, 스토리지 장치, 네트워크 등
• 컴퓨터의 가상 버전인 가상머신을 하이퍼바이저를 통해 생성

클라우드 서비스에서의 가상화

장점

• 적은 컴퓨팅 리소스 하드웨어 구매로 비용 절감
• 쉬운 백업과 재해복구
• 중단 없는 비즈니스
• 효율적인 IT 운영

단점

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

논리적 시스템 생성 관점에서 가상화 타입 4가지

가상화 타입 특징 요약

물리시스템에서 CPU가 동작하는 방식

• Ring 0 - Ring 3 특권레벨
• 하이퍼바이저는 가상머신에 설치된 OS보다 더 높은 특권레벨 필요

전가상화

• 게스트 OS 수정 없음

• 가상화 환경에서 동작하는 인지 못함

• 하드웨어 관련 명령어 직접 요청-> 하이퍼바이저가 가로채서 처리해야함 -> 오버헤드 발생

• SW 기반 전가상화와 HW 지원 기반 전가상화로 구분

SW 기반 전가상화

기본개념

• 게스트 OS로부터 요청이 오면 하이퍼바이저가 소프트웨어적으로 처리
• 바이너리 트랜슬레이션이라고 함

동작방식

• 게스트 OS가 Ring1으로 이동
• Ring 0에 하이퍼바이저 위치
• 게스트 OS가 가상화가 불가능한 명령 -> 새로운 명령셋으로 바이너리 트랜슬레이션
• 게스트 OS에서 특권 명령을 수행할 때 트랩 발생 -> 하이퍼바이저로 제어가 넘어감
• 하이퍼바이저가 CPU가 인식할 수 있는 명령으로 변경하여 하드웨어에 전달

특권 명령 실행을 위한 3가지 이벤트

트랩(trap)

• printf(“%s\n”, str); 호출 → 운영체제의 쓰기 함수(write function) 시스템 콜(system call) → 표준 출력(standard output) 모니터로 출력
• 사용자 프로그램은 모니터에 직접 쓸 수 없기 때문에 printf() 함수가 호출될 때 트랩이 발생 → 트랩 핸들러(trap handler)가 호출됨
• 사용자 모드(user mode) → 커널 모드(kernel mode)로 전환
• 운영체제가 쓰기 함수를 호출하여 모니터에 해당 문자열 출력
• 커널 모드 → 사용자 모드로 제어 이동

인터럽트(interrupt)

• 하드웨어에서 발생(트랩은 사용자 프로그램에서 발생)
  • USB를 시스템에 연결할 때, NIC를 통해 패킷을 받아 들일 때
  • 키보드를 통해 문자를 입력할 때
• 인터럽트는 비동기적하게 발생
• 인터럽트 핸들러를 통해 처리

익셉션(exception)

• CPU에서 발생
  • ex) divide by zero
• 익셉션은 폴트(fault)와 어보트(abort)로 구분
  • 폴트: 복구가 가능한 에러
  • 어보트: 복구가 불가능한 에러

반가상화 등장 배경

• 바이너리 트랜슬레이션은 VMWare에서 개발
• 하이퍼바이저가 CPU가 인식할 수 있는 명령으로 변경해야함 -> 오버헤드 발생 + 구현 까다로움
• Xen이 위 단점을 보완하기 위해 OS를 수정한 하이퍼콜 방식을 제안(반가상화)

하드웨어기반 전가상화

CPU에 가상화 기능 탑재

• VT-x(Intel), AMD-V(AMD)
• 바이너리 트랜슬레이션을 제거하고 가상화 기술이 구현된 하드웨어가 직접 수행

동작방식

• 게스트 OS가 트랩을 발생시킬 때 바이너리 트랜슬레이션 없이 가상화 기술을 통해 하드웨어를 직접 제어
• 비루트 모드: 게스트 OS가 Ring 0에서 동작
• 루트 모드: 하이퍼바이저가 Ring 0보다 높은 권한으로 실행
• 민감한 요청이 게스트 OS로부터 발생하면 하이퍼바이저로 트랩 발생

반가상화

Paravirtualization

• Para: 그리스 어원으롤 beside, with, alongside
• Alongside virtualization

특징

• 소프트웨어적 전가상화의 단점을 보완하기 위해 Xen에서 고안
• 게스트 OS는 자신이 가상화 환경에서 실행됨을 인지
• 게스트 OS를 수정하여 하이퍼바이저와 통신할 수 있는 API 추가
• 게스트 OS를 수정하기 위해서는 운영체제가 오픈소스여야함(리눅스)

전가상화 트랩 vs 반가상화 트랩

• SW적으로 구현한 반가상화
• 반가상화는 가상화를 지원하는 하드웨어에서도 동작 가능
  • 하드웨어 지원 가상화가 반드시 전가상화만을 의미하지 않음
  • 가상화를 전가상화, 반가상화, 하드웨어지원 가상화로 구분하기도 함

반가상화 장점

• 반가상화가 하드웨어 기반 전가상화보다 성능이 좋은 예
  • 가상머신에서는 가상시간(virtual time) 뿐만 아니라 시스템의 리얼타임 (real time) 정보가 필요
  • 운영체제에서는 타이머 인터럽트를 통해 최신 시간정보를 관리
  • 운영체제가 유휴상태(idle) 상태에서도 타이머 인터럽트를 처리
  • 만약 가상머신에서 타이머 인터럽트를 받지 못할 경우 시간관리에 장애
  • 전가상화의 경우
    • 하이퍼바이저가 타이머 인터럽트를 주기적으로 가상머신 발생시켜주거나,
    • 가상머신이 아이들 상태에서 러닝(running) 상태로 변경될 때 인터럽트 발생
    • 많은 오버헤드를 발생, 불안정성, 가상화의 확장성 제약
  • 반가상의 경우
    • 게스트 OS를 수정 → 아이들 코드 블록에 하이퍼바이저에게 특정시간 후에 타이머 인터럽트를 생성하도록 요청하는 코드 추가

반가상화 단점

• 가상 CPU 핸들링의 어려움
  가상 CPU는 물리 CPU와 동작방식이 다를 수 있음
  – 하이퍼바이저에서 정의 하는 방식에 따라 달라짐
  – 가상 CPU까지 리눅스 커널 내에서 핸들링하는 것은 어려움
  – 물리 CPU에서는 정상적으로 동작하는 커널이라 하더라도 가상 CPU에
  서는 다르게 동작할 수 있음
  – 모든 사항을 고려하여 커널을 개발하는 것은 비효율적
  – 예: x86 아키텍처 CPUID CPU 명령
  • 프로세서에 대한 정보를 얻기 위해 사용
  • 사용자 공간에서(user space)에서도 CPU 정보를 얻기 위해 호출
  • CPUID 명령을 사용하는 사용자 프로그램은 가상화 환경과 비가상화 환경에
  서 동작하는 방식이 같아야 하고 결과가 동일해야 함
  • CPUID를 처리하는 방식이 물리 CPU와 가상 CPU가 다르다면 문제가 발생

하이브리드 가상화

• 하이퍼바이저를 단순화하고 운영체제 변경 불필요
• 운영체제의 수정이 필요치 않는 전가상화 환경에서 성능 향상
• 소프트웨어 기반 반가상화보다 성능이 떨어지는 상황 존재
  • I/O나 메모리 집약형 작업 (memory intensive workload) 처리 시
  • 엔터프라이즈급 환경에서 메모리/IO 집약형 작업 성능 이슈

반가상화와 하드웨어 가상화의 조합 방식

• I/O 집약형 작업:
  하드웨어 기반 가상화 환경에 반가상화의 네트워크 및 디스크 드라이버 사용 → 성능 차이 해소
• 메모리 집약형 작업:
  작업 중인 프로세서에 대한 MMU를 하드웨어가 지원하지 못하는 경우 → 소프트웨어적으로 가상화
  (2007년도 기준)

결론

• 하드웨어 기반 가상화 성능에 제약이 있는 환경에서 반가상화를 적용하여 성능 개선
• 하드웨어 지원 가상화를 기본으로 사용
• I/O, 메모리 집약형 작업에 반가상화 디바이스 드라이버를 이용

📌 10. OS 레벨 가상화의 특징

• 커널을 공유하여 오버헤드가 거의 없음.

• 컨테이너 기반 가상화 (LXC, Docker 등)

• 이기종 OS 불가, 동일 커널 기반에서만 가능.

• 리눅스에서 namespace, cgroups로 구현됨.

✅ Chapter 11 – CPU 가상화

📌 1. CPU 가상화 개념

• 목적: 게스트 OS가 실제 HW를 사용하는 것처럼 속이되, 하이퍼바이저가 제어하는 방식.

• 하이퍼바이저는 guest 명령을 가로채어 처리하거나 변환한다.

📌 2. x86 특권 수준과 실행 모드

📌 3. 문제: 트랩이 발생하지 않는 명령어

• 일부 **비트 조작 명령어(예: POPF)**는 트랩이 발생하지 않음.

• 예: Interrupt Flag 변경 시 무시 → 하이퍼바이저가 상태 변화를 인식하지 못함 → 예측 불가능한 결과

📌 4. CPU 가상화 기법 요약

📌 5. Intel VT-x 구조

• CPU 상태 전환:

  • VMXON → VM Entry → VM Exit → VMXOFF

• VMCS(Virtual Machine Control Structure):

  • 게스트/호스트 상태, 제어, 입출력 정보 등을 저장

📌 6. 실행 흐름

text

복사편집

1. VMXON → VMM 활성화 2. VMLAUNCH or VMRESUME → 게스트 진입 3. VMEXIT → 하이퍼바이저로 제어 이동 4. VMXOFF → VMM 종료

📌 7. 라이프사이클 예시

✅ Chapter 11 – 메모리 가상화

📌 1. 기본 개념

• CPU는 **가상 주소(VA)**를 사용해 메모리를 접근하며, MMU가 이를 **물리 주소(PA)**로 변환한다.

• 가상화 환경에서는 **추가로 가상물리주소(GPA) → 머신주소(HPA)**로 변환 필요

📌 2. 변환 계층

css

복사편집

Guest Virtual Address (GVA) → Guest Physical Address (GPA) → Host Physical Address (HPA)

📌 3. 구현 방식 비교

📌 4. Nested Page Table 단점과 보완

• 최대 5단계 접근 오버헤드

  • GVA → GPA → HPA → Memory

• 보완 방법

  • TLB 캐시 활용

  • Large Pages (HugeTLB)

  • **ASID (Address Space ID)**로 VM 간 TLB 공유 가능

✅ Chapter 14 – 컨테이너 기본 개념

📌 1. 컨테이너란?

• 정의: 애플리케이션과 그 실행 환경(라이브러리, 설정 등)을 격리된 공간에 패키징한 실행 단위

• 동작 원리: 호스트 OS의 커널을 공유하며, 각 컨테이너는 namespace, cgroup 등을 통해 격리

📌 2. 컨테이너의 장점

📌 3. VM vs 컨테이너 비교

📌 4. 컨테이너 기술의 역사

📌 5. 컨테이너 구성 기술 핵심

📌 6. 컨테이너가 적합한 경우

• Dev → Prod 동일한 환경이 필요할 때

• 빠른 배포 및 복구가 중요한 경우

• 마이크로서비스 구조

• 애플리케이션 수명이 짧고 반복 배포가 필요한 경우