[가상화] 03. 전가상화와 반가상화

[가상화] 03. 전가상화와 반가상화

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🔔 전가상화 (Full Virtualization)

전가상화란 호스트 CPU의 가상화 기술을 통해 하드웨어를 완전히 가상화한다는 의미로, 여기서 하드웨어를 완전히 가상화한다는 것은 게스트OS가 자신이 가상 환경인지 모르는 상태를 의미하며, 그에 따라 실제 하드웨어에 명령을 직접 요청하는 것처럼 동작한다.

전가상화는 하드웨어를 에뮬레이팅하기 위해 “이진 변환(Binary Translation)” 방식을 사용한다.

가상머신이 하드웨어를 제어하기 위해 하이퍼바이저에 바이너리 형태로 명령을 전달하게 되는데, 커널에서 하드웨어를 제어하는 과정에서 가상머신이 보낸 바이너리 형태의 명령을 바로 인식할 수 없기 때문에 해석하는 과정을 거치고 해석된 결과를 토대로 하드웨어를 제어하게 하는 과정이 “이진 변환(Binary Translation)”이다.

하이퍼바이저를 실행하면 DOM0라는 관리용 가상머신이 실행되며, 전가상화는 모든 가상머신들의 하드웨어 접근 요청이 DOM0를 통해 이루어진다.

즉, 각 운영체제마다 다른 명령의 표현 방식을 DOM0가 핸들링하여, 하드웨어가 이해할 수 있는 언어로 번역하고 최종적으로 하드웨어에 접근하는 이진 변환 과정을 거치게 된다.

하드웨어를 완전히 가상화하기 때문에 게스트 OS와 커널을 수정할 필요 없이 바로 사용이 가능하다는 장점이 있으나, 모든 명령이 DOM0를 거치기 때문에 반가상화 방식에 비해 비교적 느리다.

🔔 반가상화 (Para Virtualization)

반가상화는 전가상화와 달리 하드웨어를 완전히 가상화하지 않기 때문에 게스트 OS는 스스로 가상화된 환경임을 인지하고 있으며, 하이퍼바이저가 하드웨어를 제어하기 때문에 성능의 불이익이 없이 가상화를 할 수 있다.

반가상화의 경우, 하이퍼바이저가 하드웨어를 직접 제어할 수 있는 API를 제공하고, 게스트 OS의 수정된 커널이 하이퍼바어저의 API를 통해 하드웨어 자원에 접근하는 특권 명령/작업을 수행하며, 이렇게 수정된 게스트 OS 커널이 직접 시스템 콜을 하는 방식을 “하이퍼 콜(Hyper Call)”이라고 부른다.

반가상화 하이퍼바이저의 경우 게스트 OS가 수정된 커널을 사용해야 한다는 단점이 있으나, 전가상화에 비해 중간에 이진 변환하는 에뮬레이트 절차가 없기 때문에 상대적으로 성능 오버헤드가 적다.

🔔 하드웨어 자원 가상화

인텔과 AMD CPU에서는 하드웨어 단에서 가상화 기능을 제공하는데 이러한 가상화 기능을 각각 VT-x(인텔)과 AMD-V(AMD)라고 부른다.

둘 다 x86 기반 아키텍처에서 동작하며, 해당 아키텍처에서 동작하는 가상머신이 하드웨어를 직접 제어할 수 있는 인스트럭션을 제공하고 이에 따라 전가상화 하이퍼바이저 기반의 VM도 Ring 0에서 동작하는 효과를 볼 수 있다.

이러한 하드웨어 가상화 지원 방식을 사용하는 소프트웨어로 KVM을 예로 들 수 있으며, 하드웨어가 자체적으로 가상화를 지원하지 않는다면 KVM과 같은 모듈을 사용할 수 없다.

🔔 전가상화와 반가상화 하드웨어 제어 방식

운영체제에서 구동되는 소프트웨어는 보안을 위해 권한과 보호 수준에 따른 링(Ring) 등급으로 나누어진다.

구분	설명
Ring 0	“특권 모드”라고 하며 시스템 자원을 관리하느 OS 커널이 동작
Ring 1, 2	장치 드라이버 또는 예약된 상태로, 평상시에는 사용 안함
Ring 3	우리가 일반적으로 사용하는 응용프로그램들이 동작

(1) Trap & Emulate

전가상화를 하면 “Root 모드”, “Non-root 모드”가 생기게 되는데, 이때 하이퍼바이저가 “Root 모드”, 운영체제 및 애플리케이션이 “Non-root 모드”에 해당한다.

이러한 구조에서 만약 게스트 OS가 하드웨어에 접근하기 위해 특권 명령을 처리해야 하는 상황이 오면 전가상화는 “Trap & Emulate 방식”으로 처리한다.

Trap이란 특권 명령을 실행할 권한이 없는 비특권 모드(게스트 OS)에서 특권 명령을 실행할 시스템에 발생하는 예외 또는 결함을 말한다.

예를 들어 0으로 나누기나 디버깅을 위한 중단점과 같은 처리를 하면 프로그램의 제어권이 Trap 사건을 처리하는 트랩 핸들러로 넘어가게 된다.

동작 순서	내용
(1)	비특권 모드인 게스트 OS에서 특권 명령을 수행하려고 한다.
(2)	게스트 OS는 트랩 상태로 바뀌고, 트랩 핸들러는 VM exit을 통해 제어권을 하이퍼바이저로 넘겨준다.
(3)	하이퍼바이저는 해당 명령을 처리한다. (Emulate)
(4)	해당 명령의 처리가 끝나면 VM Enter를 통해 실행결과와 함께 제어권을 운영체제로 넘겨준다.

하지만 “Trap & Emulate 방식”은 호환성을 확실하게 보장할 수 있는 방법이지만 트랩이라는 이벤트가 발생하여 게스트 OS의 실행이 중단되는 등 그 자체로 시스템 오버헤드가 상당히 크며, “Trap & Emulate 방식”만으로 하이퍼바이저를 구현하는 것은 어렵다고 한다.

이러한 문제를 극복하고자 VMware에서는 “이진 변환(Binary Translation)” 이란 기술을 선보였다.

(2) 이진 변환 (Binary Translation)

이진 변환이란 게스트 OS에서 특권 명령을 수행하려고 할 때 하이퍼바이저가 바이너리 연산을 통해 하드웨어가 인식할 수 있는 명령어로 변환하여 전달하는 기법이다.

CPU에서 직접 실행하는 방식이지만 중간에 하이퍼바이저가 번역하는 과정이 추가되었고 이러한 방법은 개발하기 상당히 까다롭다는 단점이 있었다.

(3) Hyper Call

Xen에서는 전가상화의 성능적인 문제점을 해결하기 위해 고안된 기술로, “하이퍼 콜(Hyper Call)”이라는 방법을 제안하였는데, 반가상화라는 대비되는 명칭을 갖게 되었다.

OS의 커널을 일부 수정하고 하이퍼 콜이라는 인터페이스를 통해 OS 자체에서 명령을 번역해서 보내는 방식으로 하이퍼바이저가 모든 게스트 OS의 명령을 해석하는 과정을 거치지 않아 성능적으로 좋다.

하지만 OS에서는 기본적으로 하이퍼 콜에 대한 기능이 없기 때문에 커널을 직접 수정해야 했지만 최근에는 OS에서 내장된 상태로 존재하여 번거로움이 없다고 한다.

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