KVM 가상화 시스템 탐방 [1]
KVM 아키텍처와 장점 익히기
발췌 : http://community.365managed.com
리눅스(Linux®)와 유연성은 손에 손을 잡고 함께 하는데, 가상화에 대한 옵션도 예외는 아닙니다. 하지만 최근에, KVM(Kernel Virtual Machine)이 등장하면서 리눅스 가상화 지형에 변화가 일어나기 시작했습니다. KVM은 리눅스 주류 커널(2.6.20)의 일부로 등장한 첫 번째 가상화 해법입니다. KVM은 리눅스 게스트 운영체제 가상화를 지원하며, 가상화를 지원하는 하드웨어에서 심지어 윈도우까지도 돌릴 수 있습니다. 리눅스 KVM 아키텍처와 KVM을 커널과 통합할 경우에 리눅스 활용 방법이 바뀔지도 모르는 이유에 대해 살펴보겠습니다.
소개
가상화(Virtualization)는 상당히 오랜 시간에 걸쳐 우리에게 낯익은 개념이다. 간략하게 설명하면, 가상화는 뭔가를 집어내어 다른 뭔가처럼 보이도록 만드는 과정이다. 이런 개념을 컴퓨터 시스템에 적용하면, 단일 시스템을 여러 사용자가 여러 각도로 바라보게 만든다(예를 들어, 단일 컴퓨터에서 리눅스와 마이크로소프트 윈도우를 동시에 돌리는 경우를 생각해보자). 이는 일반적으로 완벽한 가상화라고 부른다.
KVM과 kvm
이 기사에서 커널 가상 기계(Kernel Virtual Machine)에 대해 이야기할 때는 KVM을 쓰고, (새로운 가상 기계를 생성할 때 사용되는) 하이퍼바이저 유틸리티를 논할 때는 kvm을 쓴다.
가상화는 또한 단일 컴퓨터가 여러 아키텍처로 나타나는 곳에서(어떤 사용자에게는 표준 x86 플랫폼으로 보이고, 어떤 사용자에게는 IBM PowerPC® 플랫폼으로 보인다) 형태가 좀 더 복잡하게 보일지도 모른다. 이런 가상화 형태는 흔히 하드웨어 에뮬레이션이라고 알려져 있다.
마지막으로 좀 더 단순한 가상화 형태는 운영체제 가상화다. 단일 컴퓨터에서 동일한 유형의 여러 운영체제를 돌린다. 이런 가상화 유형은 단순히 단일 운영체제에서 여러 서버를 격리한다(따라서 운영체제 유형과 버전이 모두 같아야 함을 의미한다). 가상화 메서드에 대한 정보는 참고자료를 참조한다.
가상화와 의사 가상화
가장 일반적인 가상화 접근 방식에는 완벽한 가상화(full virtualization)와 의사 가상화(para-virtualization)가 있다. 완벽한 가상화에서는 가상화된 운영체제와 하드웨어 사이에 층이 있어서 접근을 중재한다. 이런 층을 하이퍼바이저(hypervisor)나 가상 기계 모니터(VMM)라고 부른다. 의사 가상화도 이와 비슷하긴 하지만, 하이퍼바이저는 좀 더 협력적인 방식으로 움직인다. 이렇게 협력적으로 동작하는 이유는 각자 가상화되어 있다고 인식하는 각 게스트 운영체제가 하이퍼바이저와 협력해 기반 하드웨어를 가상화하기 때문이다.
완벽한 가상화 예는 상용으로 판매 중인 IBM zSeries 컴퓨터를 위한 IBM 시스템 z9 가상 기계(z/VM) 운영체제를 비롯하여 상용 가상화 해법인 VMWare 등이 있다. 의사 가상화는 Xen과 UML(User-Mode-Linux)이 제공한다. KVM은 완벽한 가상화 해법으로 볼 수 있는데, 잠시 후 설명을 진행하겠다.
가상화 동작 원리
가상화와 관련 구성 요소에 대해 잠깐 살펴보면서 시작하자. 가상화 해법 아래쪽에는 가상화될 기계가 있다. 이 기계는 하이퍼바이저라는 다음 층이 요구하는 직접 가상화를 지원할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 하이퍼바이저나 VMM은 플랫폼 하드웨어와 운영체제 사이에 추상화로 서비스를 제공한다. 몇몇 경우에는 하이퍼바이저가 운영체제다. 이 경우에는 그림 1에 나타나듯이 호스트 운영체제로 불린다.
그림 1. 가상화의 계층적인 추상화 구조
하이퍼바이저 위에는 게스트 운영체제가 있는데, VM(가상 기계)이라 한다. 이 VM은 격리된 운영체제로 기반 하드웨어를 독점한다고 생각한다. 하지만 현실에서는 하이퍼바이저가 이런 착각을 불러일으킨다.
가상화를 위한 프로세서 지원
플랫폼 가상화의 장점은 너무나 현실적이므로, 프로세서 제조사는 실리콘 칩을 변경해 이런 메서드를 직접 지원한다. 이렇게 하면 프로세서가 게스트 운영체제와 다르게 하이퍼바이저를 직접 지원할 수 있게 된다. VMM과 VM이 제각기 관리하는 프로세서 상태(레지스터 등)와 더불어, 프로세서는 I/O와 인터럽트 가상화도 지원한다. 좀 더 많은 정보가 필요하면 참고자료를 참조한다.
오늘날 가상화 해법에 나타나는 문제점은 모든 하드웨어가 깨끗하게 가상화를 지원하는 상황이 아니라는 데 있다. 오래된 x86 프로세서는 실행 도메인에 따라 특정 명령어에 대한 결과가 다른 식으로 나타난다. 이렇게 할 경우 문제가 생기는 이유는 하이퍼바이저는 단지 가장 보호받는 도메인에서만 동작해야 하기 때문이다. 이런 이유 때문에 VMware와 같은 가상화 해법은 실행 대상 코드를 미리 검색해 트랩 명령으로 문제가 되는 명령을 대체하는 방법으로 하이퍼바이저가 적절히 처리하도록 만든다. 가상화 중에서도 협력적인 메서드를 지원하는 Xen에서 변경이 필요하지 않는 이유는 게스트는 자신이 가상화되었음을 알고 자신을 변경하기 때문이다. KVM은 단순히 이런 문제를 무시하며 가상화를 원할 때 새로운 하드웨어에서 돌려야 한다고 못을 박는다.
처음 보기에는 이런 정책이 다소 고압적으로 보일지 모르겠지만, (인텔 VT와 AMD SVM 같은) 오늘날 가상화를 지원하는 새로운 기계를 고려해볼 때, 오래 지나지 않아 가상화 지원은 예외가 아니라 일반적인 조류가 될 것이다. 가상화를 지원하는 프로세서에 대한 정보가 필요하다면 참고자료와 “가상화를 위한 프로세서 지원” 보충 설명을 읽어본다.
KVM 하이퍼바이저
가상화 기술 연표를 바라보면 KVM은 상대적으로 신참이다. 두각을 나타내는 Xen, Bochs, UML, 리눅스-V서버, co리눅스와 같은 여러 오픈 소스 메서드가 오늘날 존재하지만, KVM은 언론에 놀랍도록 많이 노출되었다. 또한 KVM은 실제로는 자체로 완벽한 가상 기법이 아니라 더 큰 해법의 일부다.
KVM이 사용하는 접근 방식을 보면, 커널 모듈을 메모리에 올리는 방법으로 리눅스 커널을 간단히 하이퍼바이저로 탈바꿈하게 만든다. 커널 모듈은 (전통적인 커널과 사용자 모드 이외에 새롭게 추가된) 커널의 게스트 모드를 활성화하는 /dev/kvm이라는 디바이스를 외부에 공개한다. /dev/kvm을 사용해, VM은 커널이나 동작 중인 다른 VM에서 분리된 독자적인 주소 공간을 확보한다. 디바이스 트리(/dev)에 있는 디바이스는 모든 사용자 영역 프로세스에게 공통으로 보인다. 하지만 /dev/kvm은 이 디바이스를 여는 각 프로세스마다 (VM 격리를 지원하기 위해) 다른 내용을 보여준다는 점에서 차이가 있다.
리눅스 커널에서 KVM 원시 코드
KVM 원시 코드를 ./linux/drivers/kvm(2.6.20 이상)에서 찾을 수 있다. 이 디렉터리는 인텔과 AMD 확장을 위한 프로세서 지원 파일과 함께 KVM을 위한 원시 파일을 담고 있다.
그리고 나서 (kvm 커널 모듈을 설치할 때) KVM은 리눅스 커널을 하이퍼바이저로 바꾼다. 표준 리눅스 커널이 하이퍼바이저이므로 (메모리 지원, 스케줄러 등) 표준 커널에 일어나는 변경이 그대로 반영된다. 이런 리눅스 구성 요소에 대한 최적화(예를 들어 2.6 커널에 탑재된 신형 O(1) 스케줄러와 같은)는 (호스트 운영체제인) 하이퍼바이저와 리눅스 게스트 운영체제 모두에게 이익을 준다. 하지만 KVM이 1번 타자는 아니다. UML은 리눅스 커널을 하이퍼바이저로 변환하는 작업을 상당히 오래 전부터 진행했다. 커널이 하이퍼바이저로 동작하면, 또 다른 리눅스 커널이나 윈도우와 같은 다른 운영체제를 시작할 수 있게 된다.
KVM
KVM이 설치되면 사용자 영역에서 게스트 운영체제를 시작할 수 있다. 각 게스트 운영체제는 호스트 운영체제(또는 하이퍼바이저) 입장에서 단일 프로세스다. 그림 2는 KVM으로 가상화를 한 모습을 보여준다. 하단에는 (현재 인텔 VT나 AMD-SVM 프로세서가 지원하는) 가상화 기능을 제공하는 하드웨어 플랫폼이 있다. 이런 하드웨어 위에서 동작하는 구성요소는 하이퍼바이저다(KVM 모듈로 동작하는 리눅스 커널). 이 하이퍼바이저는 다른 응용 프로그램을 돌릴 수 있는 평범한 리눅스 커널처럼 보인다. 하지만 이 커널은 추가로 kvm 유틸리티를 통해 메모리에 올리는 게스트 운영체제를 지원한다. 마지막으로 게스트 운영체제는 호스트 운영체제가 지원하는 동일한 응용 프로그램을 지원할 수 있다.
그림 2. KVM에서 가상화 구성 요소
KVM은 가상화 해법의 일부임을 기억하자. 프로세서는 가상화 기능을 직접 지원한다(다중 운영체제 시스템을 위해 프로세서를 가상화하는 기능). kvm을 통해 메모리를 가상화한다(다음 절에서 다룰 내용이다). 마지막으로 조금 변경된 (각 게스트 운영체제 프로세스로 실행하는 복사본인) QEMU 프로세스를 통해 I/O를 가상화한다.
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