하이퍼바이저

1. 개요2. 분류

2.1. Type 1

2.1.1. Type 1 하이퍼바이저를 채용한 가상화 소프트웨어

2.2. Type 2

2.2.1. Type 2 하이퍼바이저를 채용한 가상화 소프트웨어

2.3. 차이점

2.3.1. 성능 비교

3. 하이퍼바이저 백업 및 모니터링

1. 개요

Hypervisor

하이퍼바이저는 호스트 컴퓨터로 다수의 운영체제를 동시에 실행하기 위한 논리적 플랫폼으로서 게스트 운영체제와 그 운영체제에서 구동되는 프로그램을 실제 물리적 장치에서 분리하는 프로세스를 가리킨다.

주로 소프트웨어 형태로 구현되지만, 임베디드된 하드웨어의 형태로 제작되기도 한다. 하이퍼바이저는 '가상화 머신 모니터(virtual machine monitor)' 또는 '가상화 머신 매니저(virtual machine manager)'로 불리기도 하며, 준말인 'VMM'로도 불린다. 하이퍼바이저는 프로세서가 가상화 확장을 지원해야 사용 가능하다. [1]

하이퍼바이저를 사용하기 위해서는 인텔 메인보드 기준 Intel VT-x[2] 활성화와 Intel VT-d[3] 활성화가 필요하며, AMD 메인보드 기준 SVM Mode[4] 활성화랑 IOMMU[5] 활성화가 필요하다.

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2. 분류

2.1. Type 1

Type 1 하이퍼바이저는 하드웨어에서 직접 하이퍼바이저가 실행되고 게스트 운영체제는 그 위에서 돌아가는 형태로, 게스트 운영체제가 하드웨어에서 두 번째 수준으로 실행된다.

이 분류에서는 하이퍼바이저는 하드웨어 위에서 동작하고 하드웨어를 직접 관리하므로 하이퍼바이저 위의 운영체제들은 모두 게스트로 취급되며 게스트는 하이퍼콜(Hypercall)이라는 시스템 콜과 유사한 인터페이스를 통해 하이퍼바이저에 요청하는 방식으로 하드웨어에 접근하게 된다.

||<-2>Type 1 형태||

⇧	게스트 운영체제
	하이퍼바이저[6]
	하드웨어

2.1.1. Type 1 하이퍼바이저를 채용한 가상화 소프트웨어

Xen
VMware ESXi
Hyper-V - (Root Partition Guest OS)[7] Windows 전용[8]
KVM - (Host OS) 리눅스 전용[9]

QEMU: KVM 사용 가능하다.
Proxmox: KVM 기반 OS이다.

2.2. Type 2

Type 2 하이퍼바이저는 운영체제 위에 하이퍼바이저가 있고, 그 위에 게스트 운영체제가 돌아가는 형태이다. 따라서 게스트 운영체제는 하드웨어에서 세 번째 수준으로 실행된다.

||<-2>Type 2 형태||

⇧	게스트 운영체제
	하이퍼바이저
	호스트 운영체제
	하드웨어

2.2.1. Type 2 하이퍼바이저를 채용한 가상화 소프트웨어

2.3. 차이점

|| ||Type 1 Hypervisor||Type 2 Hypervisor||

⇧	게스트 운영체제	게스트 운영체제
	하이퍼바이저	하이퍼바이저
		호스트 운영체제
	하드웨어	하드웨어

Type 1은 호스트 운영체제를 통하지 않지만, Type 2는 호스트 운영체제를 통하는 차이점이 있다. 이 때문에 Type 1에서 지원되는 'GPU 패스스루', 'SR-IOV', 'PCIe 패스스루' 등 일부 기능이 Type 2에선 지원되지 않는다.

또한 Type 1이 Type 2 대비 가상화 OS 성능이 더 잘 나온다.[11] 이는 구조적 차이가 있다 보니 당연히 Type 1이 성능이 좋을 수밖에 없다. 그나마 CPU 연산이나 RAM 관리는 Type 1이랑 Type 2랑 크게 체감할 정도로 차이 나지는 않지만[12], 디스크 I/O나 네트워크 I/O 성능에서 차이가 최소 10%에서 많게는 30%까지 차이 난다.[13] GPU 성능의 경우에는 Type 1 하이퍼바이저가 압도적으로 성능이 좋다.[14][15]

그러다 보니 기업이나 데이터센터에서는 무조건적으로 Type 1 하이퍼바이저를 사용한다. Type 2 하이퍼바이저는 성능 효율이 떨어지는 것도 있지만, 기능도 부족할뿐더러 Host OS에 종속되다 보니 안정성 역시 불안정하다.

다만 개인 사용자가 Type 1 하이퍼바이저를 사용하기에는 진입 장벽이 높아, 기업이나 데이터센터가 아니면 Type 2 하이퍼바이저를 이용하는 게 사용하는 데 있어서 훨씬 수월하다.[16]

그 외, 비용을 고려하면 개인사용자가 사용하기에는 Type 2 하이퍼바이저가 적합한 편이다. 특히나 일반인들이 많이 사용하는 VMware Workstation이나 VirtualBox는 상업적 용도가 아니면 무료로 사용이 가능하다.[17]

2.3.1. 성능 비교

|| ||Native OS||Type 1 Hypervisor||Type 2 Hypervisor||

CPU 성능	100%	98~99%	90~95%
RAM 성능	100%	98~99%	90~95%
GPU 성능	100%	95~98%[18]	50~60%[19]
Disk 성능	100%	95~99%	70~80%
네트워크 성능	100%	95~98%	75~85%

3. 하이퍼바이저 백업 및 모니터링

하이퍼바이저 백업은 일반적으로는 상당히 까다로운 편이다. 때문에 아래와 같은 유틸리티가 하이퍼바이저 백업에 이용되고 있다. 이 외에도 하이퍼바이저 모니터링 프로그램도 있다.

veeam software의 소프트웨어 - 가상 시스템 보호에 관련된 소프트웨어를 전문적으로 개발하는 회사다. 주력 제품은 하이퍼바이저 가상 시스템 백업 프로그램 'Veeam Backup & Replication'과 하이퍼바이저 서버 모니터링 프로그램 'veeam one' 등이며, 개인 사용자를 위한 'Community Edition'[20]도 준비되어 있다. ESXi와 연동할 때에는 반드시 ESXi에 유료 라이선스를 적용해야 한다. ESXi 무료 라이선스로는 연동이 안 되기 때문이다.
시놀로지 NAS - 전용 패키지인 'Active Backup for Business'가 대표적이다. 상기의 veeam와는 달리 무료[21]인 데다 인스턴스가 무제한이라는 게 장점이다. VM 백업은 Hyper-V와 유료 라이선스가 적용된 ESXi만 지원된다. iSCSI/SAN 서버 기능으로 시놀로지 NAS를 ESXi 데이터스토어(하이퍼바이저의 저장소)로 활용하는 것도 가능하다.
에이수스 아수스토어 NAS - 전용 패키지 'NAKIVO Backup & Replication'가 대표적이며, 기능은 상기와 거의 같다.
Proxmox Backup Server - Proxmox VE 전용 백업 솔루션이다. 타사 솔루션과의 차이점이자 특장점으로는 무려 Proxmox VE의 무료(커뮤니티) 버전을 지원한다는 점이다. 다만, 말 그대로 Proxmox VE 전용이니만큼 타사 하이퍼바이저 백업은 지원되지 않는다.

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[1] 하드웨어 가속이라고도 부름[2] Intel Virtualization Technology. 하이퍼바이저에서 CPU 가상화에 필요한 기능이며, AMD 메인보드에서 SVM Mode랑 동일한 개념이다.[3] Intel Virtualization Technology for Directed I/O. PCIe 장치 패스스루, NIC/GPU 직접 할당 같은 I/O 가상화에 필요한 기능이며, AMD 메인보드 기준 IOMMU랑 동일한 개념이다. Type 1 하이퍼바이저 전용 기능이므로, Type 2 하이퍼바이저를 사용하면 굳이 활성화해 줄 필요는 없다.[4] Secure Virtual Machine Mode. 하이퍼바이저에서 CPU 가상화에 필요한 기능이며, Intel 메인보드에서 Intel VT-x랑 동일한 개념이다.[5] Input-Output Memory Management Unit. PCIe 장치 패스스루, NIC/GPU 직접 할당 같은 I/O 가상화에 필요한 기능이며, Intel 메인보드에서 Intel VT-d랑 동일한 개념이다. Type 1 하이퍼바이저 전용 기능이므로, Type 2 하이퍼바이저를 사용하면 굳이 활성화해 줄 필요는 없다.[6] KVM 한정 Linux Kernel. 리눅스 커널이 Type 1 하이퍼바이저 역할도 수행[7] 일명 Host OS[8] Windows OS에서 메모리 무결성 활성화 또는 Hyper-V 및 가상화 솔루션을 활성화하면 부팅 시 Hyper-V가 먼저 실행되고, 실행된 Hyper-V에 Windows OS가 가상 OS로 돌아가는 구조이므로, Type 1이 맞다.[9] Type 1.5 하이퍼바이저로 분류하는 경우도 있다. 보통 KVM을 구동하려면 OS의 구성요소가 있어야지만 KVM을 설치할 수 있기 때문이다. 그럼에도 KVM이 Type 2보다는 Type 1로 분류되는 이유로는 커널 위에서 하이퍼바이저가 작동하는 게 아니라, KVM 커널 모듈이 켜지면 리눅스 커널 자체가 아예 Type 1 하이퍼바이저 역할도 하는 하이브리드 형태로 기능하기에 Guest OS가 Hardware에 직접 접근이 가능해지기 때문이다.[macOS] macOS 전용 가상 머신 프로그램.[11] Native OS가 100%라 치면, Type 1은 아무리 못해도 95%, 평균적으로 약 98~99%의 성능을 낸다. 반면에 Type 2는 90% 정도의 성능을 내면 굉장히 성능이 좋다고 할 정도로 성능 효율이 많이 떨어진다.[12] 사실 이는 일반소비자용 CPU 성능이 상향평준화된 것도 있고, Type 2 하이퍼바이저의 최적화가 많이 개선된 것도 있다. Type 1이 98~99%면, Type 2는 90~95% 정도의 성능이 나온다. 이 정도면 크게 체감될 정도의 수치까지는 아니다.[13] 특히 Type 2 하이퍼바이저에 NAT되는 내부용 vSwitch를 사용하면, 외부 인터넷 사용 시 네트워크 I/O 성능이 매우 떨어진다.[14] 어느 정도의 격차인지 궁금하다면, Type 1 하이퍼바이저에 vGPU나 GPU-P 등의 GPU 가상화 기술을 이용해 GPU 전체 성능의 약 10% 정도만 할당해 줘도 Type 1 하이퍼바이저의 성능이 더 좋게 나온다. 그 정도로 Type 2 하이퍼바이저는 GPU 성능이 매우 안 좋다. 다만, Type 1 하이퍼바이저는 Type 2 하이퍼바이저와는 달리, 기본적으로 Hardware와 직접 연결되다 보니 호스트 OS의 드라이버와 통신하는 "3D 가속 중계 레이어(DirectX/OpenGL API Pass-through)"가 활성화가 될 수 없는 구조라, 만일 별도로 GPU 패스스루나 vGPU/GPU-P 등의 GPU 가상화 기능을 사용하지 않으면 오히려 Type 1 하이퍼바이저는 GPU 성능 자체가 아예 안 나온다. 즉, Type 1은 GPU 성능을 제대로 활용하기 위해서는 복잡한 설정이 필요하다.[15] 참고로 Type 2 하이퍼바이저는 호스트 OS의 GPU 드라이버에 그래픽 명령을 전달하는 방식을 써서, 기본적으로 GPU 성능이 아무리 잘 나와야 50~60% 정도밖에 안 나며, CUDA 연산이나 AI 연산 등 GPGPU 쪽은 아예 구동 자체가 불가능하다. 즉, Type 2 하이퍼바이저는 별도의 GPU 성능을 건드릴 필요는 없으나, 태생 문제로 성능 자체가 매우 떨어진다.[16] 애초에 Type 1 하이퍼바이저는 개인사용자용보다는 기업이나 데이터센터에 특화된 하이퍼바이저이다. 특히 GPU 가상화 기술 쪽으로 가면, 일반인들이 설정하기에 Type 1 하이퍼바이저로는 골 때리는 요소가 굉장히 많다. Type 2 하이퍼바이저는 주로 개인사용자용에 맞춰서 개발되어, GUI나 기타 사용 방법들이 훨씬 직관적이고 편리하다. 다만, Type 2는 근본적으로 Hardware에 직접 접근을 할 수 없어, Hardware에 직접 접근이 필요한 기능들은 사용할 수 없다.[17] 물론 Linux를 이용하면 개인사용자 역시 Type 1 하이퍼바이저인 KVM을 무료로 사용할 수 있으며, Windows OS 기준 Pro 이상의 라인업을 사용하면 Type 1 하이퍼바이저인 Hyper-V를 공식적으로 사용할 수 있다. 다만, KVM을 사용하기 위해서는 리눅스 OS를 활용하는 방법부터 먼저 익혀야 KVM을 사용할 수 있다 보니 진입 장벽이 많이 높은 편이며, Hyper-V는 Windows 계열이다 보니 KVM보다는 진입 장벽이 훨씬 낮지만, 기본적으로 홈 버전 에디션에서는 관리자 앱 지원이 안 되다 보니 엄밀히 따지면 OS 구매 비용이 적지않게 들며, 무엇보다 VMware Workstation Pro나 VirtualBox보다는 사용 방법이 훨씬 어렵다.[18] GPU 패스쓰루나 vGPU/GPU-P 등의 기술을 적용했을 때 얘기이며, 아무런 설정도 안 할 경우에는 오직 CPU에서 그래픽 연산을 처리해 GPU 성능이 1~5%밖에 안 나온다. 아무런 설정 없이 그냥 구동할 경우, 단순 GUI 화면 띄우기 및 웹서핑 정도만 가능한 수준이다. 다만, GPU 성능을 많이 안 쓰는 GUI 조작이나 웹서핑에 한해, Type 2 Hypervisor보다 훨씬 더 쾌적하게 이용 가능하다.[19] DirectX 11 위주의 3D 프레임/렌더링 기준 평균 수치이며, CUDA/AI 연산 등 GPGPU 이상으로 가면 GPU 성능이 0%로 아예 작동이 불가능하다. 이는 Type 2 하이퍼바이저가 기본적으로 3D 가속이 활성화가 되어있기는 하나, 물리 GPU 드라이버에 직접 접근하지 못하고, 호스트 OS에 명령어를 대신 요청해야 하는 중간 징검다리 구조다 보니, Guest VM 내부의 게임/앱이 DirectX 12나 OpenGL 명령을 보내면 가상화 앱이 이를 중간에서 가로채 호스트 OS가 이해할 수 있는 명령어로 실시간 변환(Translation)해서 전달하는 실시간 API 번역 오버헤드가 생겨서 성능이 반토막나게 된다.[20] 사용 가능 인스턴스가 10개로 제한되고 일부 고급 기능이 빠진 무료 버전이다. 참고로 유료 에디션에는 더 많은 기능이 준비되어 있으며, 기업 한정으로 30일간의 평가용 라이선스도 준비되어 있다.[21] 시놀로지 제품 구매자 한정.