Virtual Machine과 하이퍼바이저: VM은 무엇을 가상화하나 - 가상화의 역사 2

VM은 OS가 보는 컴퓨터를 만듭니다.
하이퍼 바이저가 매핑, 정책으로 운영합니다.
그 결과, OS 단위 격리가 만들어집니다.

1. 하드웨어 가상화라는 말은 어디까지를 포함할까?

하드웨어 가상화라는 표현을 들으면, 흔히 CPU나 메모리 같은 부품을 소프트웨어로 그대로 재현하는 기술을 떠올리게 됩니다. 하지만 Virtual Machine(VM)을 정리하다 보니 제가 처음에 잘못된 질문을 하고 있었다는 걸 깨달았습니다. “VM은 도대체 하드웨어의 무엇을 가상화했는가?”입니다.

정리를 해보면 다음 문장에 닿게 됩니다. VM이 가상화한 대상은 CPU나 메모리 자체가 아니라, 운영체제가 하드웨어라고 전제하고 기대하는 인터페이스 전체입니다. 정확히 말하면 VM은 OS가 보게 되는 한 대의 컴퓨터를 가상화합니다.

이 구조 덕분에 게스트 OS는 가상 환경임을 전제로 하지 않아도, 지금 물리 머신 위에 있다는 규약 하에 부팅하고, 드라이버를 로드하며, 스케줄링과 메모리 관리를 수행합니다.

2. 운영체제가 말하는 하드웨어는 부품이 아니라 규약입니다

여기서 중요한 전제를 하나 고정하고 가야 합니다. 운영체제 입장에서 하드웨어는 손에 잡히는 부품 목록이 아니라, 약속된 규약(인터페이스)들의 집합입니다.

• CPU 인터페이스: 특권 명령 실행, 인터럽트 처리, 유저/커널 모드 전환 규칙
• 메모리 인터페이스: 주소 공간 접근 방식, 페이지 폴트 같은 이벤트 처리
• I/O 인터페이스: 디스크·네트워크 장치에 데이터를 쓰고 읽는 방식(DMA 등)
• 부팅 인터페이스: 전원이 켜진 뒤 어느 지점에서 실행을 시작할지에 대한 약속

VM은 이 규약 묶음을 게스트 OS마다 한 세트씩 제공해, OS가 독립된 머신을 가진 것처럼 동작하게 만듭니다.

3. 그렇다면 현실 자원(CPU/메모리/디스크)은 어떻게 공유될까?

게스트 OS마다 “내가 주인인 머신”이 존재한다면, 그 규약을 현실의 물리 자원과 연결해 줄 구성 요소가 필요합니다. 여기서 하이퍼바이저(Hypervisor)가 등장합니다.

0편에서 정의했던 가상화의 3요소를 대입하면 VM의 구조는 이렇게 압축됩니다.

VM = OS 단위의 추상화 경계 + 현실 자원을 연결하는 매핑 + 충돌을 조정하는 정책

이 프레임을 잡고 나서야 VM이 왜 그렇게 설계됐는지가 비로소 납득됐습니다

4. VM이 세운 경계: 프로세스가 아니라 OS

VM이 제공하는 격리는 프롤로그에서 본 가상 메모리와 격리 단위가 다릅니다.

가상 메모리가 프로세스 단위의 경계를 만들었다면, VM은 OS 단위의 경계를 세웁니다. 커널 자체가 분리되기에, 한 VM에서 발생한 커널 패닉이나 보안 사고가 다른 VM으로 번질 가능성이 크게 줄어듭니다.

즉, VM의 운영 단위는 개별 프로그램이 아니라 머신(OS 포함) 전체가 됩니다. 이 경계 덕분에 서로 다른 OS를 한 서버에서 동시에 운영할 수 있게 되었습니다.

5. 경계가 생기면, 현실과 연결하는 매핑이 필요합니다

게스트 OS가 보는 세계가 실제 자원을 쓰려면 연결 표(매핑 테이블)가 작동해야 합니다. VM의 핵심 동작은 게스트의 관점을 현실의 물리 자원에 맞춰 지속적으로 매핑하는 일입니다.

• 게스트가 보는 4개의 CPU 코어는 실제 CPU의 시간 조각(Time Slice)에 매핑됩니다.
• 게스트가 물리 메모리라고 믿는 주소는 호스트 메모리의 특정 영역으로 재매핑됩니다.
• 게스트의 디스크 쓰기 요청은 물리 장치 자체가 아니라, 호스트의 파일 또는 가상 장치 모델로 연결될 수 있습니다.

여기서 핵심은 자원의 복제가 아니라 연결입니다. 현실 자원은 하나지만, 매핑을 통해 여러 게스트에게 각자의 자원처럼 보이게 만드는 구조입니다.

6. 여러 VM이 동시에 돌면, 정책이 필요합니다

매핑이 가능해졌다고 해서 끝나지는 않습니다. 여러 VM이 동시에 자원을 사용하면 충돌은 피할 수 없습니다. 그래서 하이퍼바이저는 정책(Policy)을 집행합니다.

• 어떤 VM에게 CPU 시간을 우선적으로 배분할 것인가(스케줄링)
• 특정 VM이 메모리를 어디까지 점유할 수 있게 할 것인가(제한 및 회수)
• 네트워크 대역폭을 어떻게 나눌 것인가(QoS 등)

이 구조를 따라가다 보니, 0편에서 세운 공식이 VM에서도 똑같이 나타났습니다.

7. “하드웨어를 속인다”보다 정확한 표현은 “규약을 만족시킨다”입니다

저도 처음엔 하드웨어를 속이는 기술이라고 생각했는데, 직접 파고들어 보니 더 정확한 표현이 따로 있었습니다. OS의 기대를 만족시키는기술이라고 쓰는 편이 더 정확해보입니다.

게스트 OS는 특정 명령을 실행하면 하드웨어가 정해진 방식으로 응답할 것이라는 규약을 전제로 설계되어 있습니다. 하이퍼바이저는 그 규약이 안전하게 성립하도록, 필요할 때 실행을 트랩(Trap)으로 전환해 처리하거나, 하드웨어 지원(VT-x 등)을 통해 가능한 범위에서 직접 실행되도록 구성합니다.

OS가 믿는 머신의 규약을 재현하고, 현실 자원으로 매핑하며, 정책으로 조정한다.
이것이 VM의 핵심입니다.

8. 다음 편으로 넘어가는 질문

VM은 OS라는 큰 경계를 세움으로써 강한 격리를 얻었습니다. 다만 운영 단위가 OS인 만큼, 상황에 따라 오버헤드가 생깁니다. 그렇다면 이런 질문이 가능합니다.

“격리는 유지하면서, OS까지 통째로 포함하지 않고 더 가볍게 만들 순 없을까?”

이 고민이 바로 컨테이너(Container)의 시작점입니다. 경계가 바뀌면, 매핑과 정책도 바뀝니다. 다음 편에서는 경계가 머신에서 프로세스 쪽으로 이동했을 때 무엇이 달라지는지 살펴보겠습니다.

9. 요약 (5줄)

• VM은 물리 부품이 아니라 하드웨어 인터페이스 규약을 가상화합니다.
• 운영 단위(경계)를 OS 전체로 잡기 때문에 강한 격리 능력을 갖습니다.
• 게스트의 자원 요청은 하이퍼바이저의 매핑을 거쳐 물리 자원으로 연결됩니다.
• 자원 공유의 질서는 하이퍼바이저가 집행하는 정책에 의해 유지됩니다.
• VM은 OS의 기대를 만족시키는 인터페이스 재현 레이어입니다.

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