핵심 용어 해설: 가상화와 운영 체제

핵심 용어 해설: 가상화와 운영 체제

소개

가상화와 운영 체제의 세계에 오신 것을 환영합니다. 이 기술들은 현대 컴퓨팅의 거의 모든 측면을 뒷받침하고 있습니다. 이 문서는 클라우드 서버부터 개인용 컴퓨터의 안드로이드 에뮬레이터에 이르기까지, 복잡한 시스템이 어떻게 작동하는지 이해하고자 하는 초보 학습자를 위해 작성되었습니다. 가상화 및 운영 체제 기술의 기반이 되는 필수 용어들을 명확하고 이해하기 쉽게 정의하여 여러분이 더 깊은 지식을 쌓아갈 수 있는 탄탄한 기초를 제공하는 것을 목표로 합니다.

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1. 가상화의 핵심 개념

가상화는 하나의 물리적 컴퓨터에서 여러 개의 독립된 가상 컴퓨터를 실행할 수 있게 하는 기술입니다. 이 섹션에서는 가상화를 가능하게 하는 핵심 구성 요소들을 살펴봅니다.

1.1. 하이퍼바이저 (Hypervisor)

핵심 정의 하이퍼바이저는 물리적 하드웨어와 가상 머신(VM) 사이에서 작동하는 소프트웨어 계층으로, 가상 머신을 생성하고 실행하는 역할을 합니다. 가상 머신 모니터(Virtual Machine Monitor - VMM) 라고도 불립니다.

주요 역할 하이퍼바이저는 가상화 기술의 '두뇌'와 같습니다. 주요 역할은 다음과 같습니다.

• 물리적 하드웨어, 특히 가상화 확장 기능이 내장된 최신 프로세서 위에서 직접 실행됩니다.
• '파티션(Partition)' 이라는 논리적이고 격리된 공간을 생성하고 관리하여, 각 파티션이 독립적인 게스트 운영 체제(Guest OS)를 실행할 수 있도록 합니다.
• 실생활 예시로, PC에서 안드로이드 게임을 즐기기 위해 사용하는 안드로이드 에뮬레이터는 종종 Windows의 Hyper-V와 같은 하이퍼바이저 위에서 효율적으로 실행됩니다.

학습 연결 이처럼 하이퍼바이저는 가상 환경의 총괄 관리자로서, 아래에서 설명할 가상 머신(VM)과 파티션을 만들고 감독하는 핵심적인 역할을 수행합니다.

1.2. 가상 머신 (Virtual Machine - VM)

핵심 정의 가상 머신(VM)은 물리적 컴퓨터를 소프트웨어로 완벽하게 흉내 낸 소프트웨어 기반 컴퓨터입니다. 사용자는 마치 실제 컴퓨터 한 대를 더 사용하는 것처럼 VM을 다룰 수 있습니다.

구성 요소 각 VM은 독립된 컴퓨터처럼 자체적인 가상 하드웨어 리소스를 할당받습니다.

• 가상 CPU (vCPU)
• 메모리
• 가상 디스크
• 가상 네트워크 어댑터 (예: VMXNET과 같은 반가상화 어댑터)

활용 사례 VM의 가장 중요한 가치 중 하나는 격리된 테스트 환경을 제공하는 것입니다. 예를 들어, 시스템의 안정성에 직접적인 영향을 미칠 수 있는 커널 드라이버를 개발하고 디버깅할 때, VMware와 같은 VM 환경을 사용하면 실제 물리적 시스템에 손상을 주지 않고 안전하게 테스트를 진행할 수 있습니다.

학습 연결 가상 머신은 하이퍼바이저가 관리하는 독립된 실행 단위입니다. 이제 하이퍼바이저의 관점에서 VM을 지칭하는 또 다른 용어인 '파티션'에 대해 더 자세히 알아보며 개념을 확장해 보겠습니다.

1.3. 파티션 (Partition)

핵심 정의 하이퍼바이저의 관점에서 '파티션'은 하이퍼바이저에 의해 관리되는 격리된 실행 환경을 의미합니다. 각 파티션은 하이퍼바이저가 할당한 고유한 64비트 파티션 ID로 식별되어 서로를 침범할 수 없습니다.

주요 특징 파티션은 하이퍼바이저로부터 다음과 같은 방식으로 관리됩니다.

• CPU 자원 할당: 하이퍼바이저는 각 파티션이 사용할 수 있는 CPU 자원의 상한선, 즉 'CPU 상한(Cap)' 을 설정할 수 있습니다. 예를 들어, 특정 파티션이 물리적 프로세서의 50% 이상을 사용하지 못하도록 제한할 수 있습니다.
• 계층 구조: 파티션 간에는 '부모-자식' 관계가 형성될 수 있습니다. 이를 통해 부모 파티션은 자식 파티션에서 발생하는 특정 하드웨어 접근이나 예외 상황 같은 이벤트를 감시하고 제어(intercept)할 수 있습니다.

학습 연결 지금까지 가상화를 구성하는 기본 개념인 하이퍼바이저, 가상 머신, 파티션에 대해 알아보았습니다. 이제 가상 머신 내부에서 실행되는 운영 체제의 가장 핵심적인 요소로 시선을 옮겨보겠습니다.

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2. 운영 체제의 심장

운영 체제(OS)는 컴퓨터 하드웨어를 관리하고 응용 프로그램에 서비스를 제공하는 시스템 소프트웨어입니다. 그 중심에는 '커널'이 있습니다.

2.1. 커널 (Kernel)

핵심 정의 커널은 운영 체제의 가장 핵심적인 부분으로, 시스템의 모든 것을 완전히 제어합니다. 비유하자면, 커널은 하드웨어(CPU, 메모리 등)와 응용 프로그램(웹 브라우저, 게임 등) 사이를 연결하는 다리 역할을 수행합니다.

주요 기능 Linux 커널은 다음과 같은 핵심적인 관리 기능을 담당합니다.

• 프로세스 관리 (Process Management): 프로그램의 실행 단위인 프로세스를 생성, 스케줄링하고 종료합니다.
• 커널 관리 (Kernel Management): 커널 자체의 작동을 관리하고, 모듈 로딩이나 커널 데이터 구조 유지와 같은 내부적인 작업을 처리합니다.
• 메모리 관리 (Memory Management): 각 프로세스가 사용할 메모리 공간을 할당하고 관리합니다.
• 통신 관리 (Communication Management): 네트워크를 통한 데이터 송수신과 같은 통신 기능을 담당합니다.
• 파일 시스템 (Virtual Filesystem): 디스크에 저장된 파일과 디렉터리를 체계적으로 관리하고 접근을 제어합니다.
• 하드웨어 관리 (Hardware-specific Management): CPU, 디스크 드라이버, 네트워크 카드(NIC) 등 구체적인 하드웨어 장치를 제어합니다.

학습 연결 커널은 이처럼 중요한 기능들을 독점적으로 관리합니다. 응용 프로그램이 이러한 커널의 기능이 필요할 때, 공식적인 통로를 통해 요청해야 하는데, 이것이 바로 '시스템 호출'입니다.

2.2. 시스템 호출 (System Call)

핵심 정의 시스템 호출은 응용 프로그램이 운영 체제 커널이 제공하는 서비스를 이용하기 위해 사용하는 공식적인 프로그래밍 인터페이스입니다. 파일 열기, 메모리 할당, 프로세스 생성과 같은 모든 핵심 작업은 시스템 호출을 통해 이루어집니다.

작동 방식 시스템 호출은 응용 프로그램/라이브러리 계층에서 커널 계층으로 서비스를 요청하는 유일한 통로입니다. 이 메커니즘은 시스템의 안정성과 보안을 보장하는 핵심적인 역할을 합니다.

하드웨어 지원 효율성을 높이기 위해, 최신 프로세서 아키텍처(x86_64)는 SYSCALL과 같은 전용 명령어를 제공합니다. 이를 통해 응용 프로그램은 매우 빠르고 안전하게 커널 모드로 전환하여 필요한 서비스를 요청할 수 있습니다.

학습 연결 시스템 호출이 응용 프로그램과 커널 사이의 통신 방식인 것처럼, 가상화 환경에서도 게스트 운영 체제와 하이퍼바이저 간의 소통을 위한 유사한 메커니즘이 존재합니다. 이를 '하이퍼콜'이라고 합니다.

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3. 가상 환경에서의 특별한 통신

3.1. 하이퍼콜 (Hypercall)

핵심 정의 하이퍼콜은 '가상화 환경의 시스템 호출' 이라고 할 수 있습니다. 즉, 게스트 운영 체제(가상 머신 안의 OS)가 자신을 관리하는 하이퍼바이저에게 특별한 서비스(예: 시간 동기화, 가상 장치 제어 등)를 요청할 때 사용하는 메커니즘입니다.

중요한 제약 조건 하이퍼콜은 시스템의 안정성과 직결되므로 아무나 호출할 수 없습니다. x64 아키텍처의 보호 모드(protected mode) 환경에서는 현재 권한 수준(Current Privilege Level - CPL)이 0인 코드, 즉 게스트 운영 체제 내에서 가장 높은 권한을 가진 커널 코드만이 하이퍼콜을 호출할 수 있도록 엄격히 제한됩니다.

최종 요약 이 문서에서 다룬 하이퍼바이저, 가상 머신, 커널, 시스템 호출, 그리고 하이퍼콜이라는 핵심 용어들은 서로 긴밀하게 연결되어 있습니다. 물리적 하드웨어 위에 하이퍼바이저가 파티션을 만들고, 그 안에서 가상 머신이 실행됩니다. 가상 머신 내의 운영 체제 커널은 시스템 호출을 통해 응용 프로그램을 관리하며, 필요시 하이퍼콜을 통해 하이퍼바이저와 통신하며 현대의 복잡하고 유연한 컴퓨팅 환경을 구성합니다.