01_가상화 기초와 하이퍼바이저 유형

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2022년에 작성했던 가상화 글을 바탕으로 개념을 다시 한번 환기하고 새롭게 글을 작성해보았습니다. 클라우드 인프라의 기본이 되는 가상화와, 이를 가능하게 하는 하이퍼바이저의 역할과 유형, 구현 방식에 대해 간략하게 짚어보는 글입니다.

1. 가상화(Virtualization)

가상화는 CPU, 메모리, 스토리지, 네트워크 등의 물리적 자원을 추상화하여 여러 개의 독립적인 가상환경(VM/컨테이너)을 동시에 실행할 수 있게 해주는 기술입니다. 이를 통해 하드웨어 리소스 활용률을 극대화하고, 환경을 격리하여 안전성과 유연성을 확보할 수 있습니다.

이러한 가상화를 구성하고 관리하는 핵심 소프트웨어를 하이퍼바이저 또는 VMM(Virtual Machine Manager)이라고 합니다.

2. 하이퍼바이저 타입

하이퍼바이저는 하드웨어와 운영체제 사이의 어느 위치에서 동작하는지에 따라 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다.

2.1 Type 1 (Bare Metal/Native Hypervisors)

Type 1 하이퍼바이저는 운영체제 없이 하이퍼바이저가 하드웨어 계층 위에서 직접 동작하며, 여러 게스트 운영체제와 그에 할당된 하드웨어 자원(가상 CPU, 가상 메모리, 가상 디스크, 가상 네트워크 등)을 관리합니다.
게스트 OS가 하드웨어 자원을 요청할 때, 하이퍼바이저가 직접적으로 하드웨어에 명령어를 직접 전달하여 오버헤드가 적습니다.
일반적으로 서버 가상화(데이터센터/클라우드)에서 표준적으로 사용됩니다.
대표 솔루션으로 VMWare ESXi, Microsoft Hyper-V, Liunx KVM, Citrix Hypervisor(구 XenServer, 젠서버) 등이 있습니다.

2.1.1 *KVM / Hyper-V는 왜 Type 1일까?

리눅스 기반의 KVM과 윈도우 기반의 Hyper-V는 하드웨어 위에서 하이퍼바이저가 직접 실행되는 Type 1에 속하지만 Host OS가 존재하여 각각 리눅스와 윈도우 위에 Guest OS가 동작하는 것처럼 보일 수 있습니다. 실제로는 하이퍼바이저가 하드웨어 자원을 직접 제어하는 구조이므로 Type 1으로 분류합니다.
KVM은 Linux 커널의 가상화 기능을 활용해 커널 자체가 하이퍼바이저 역할을 수행합니다.
Hyper-V는 기능 활성화 시 기존 Windows OS가 Parent Partition으로 동작하고, 다른 Guest OS들은 별도 Child Partition에서 실행되는 구조입니다.

2.2 Type 2 (Embedded/Hosted Hypervisors):

구조: Hardware → Host OS → Hypervisor → Guest OS
Windows/macOS/Linux 같은 일반 목적 Host OS 위에 애플리케이션 형태로 설치됩니다.
하드웨어 계층 위에 Host OS 계층이 있고, 그 위에 하이퍼바이저가 존재합니다. 하이퍼바이저 위에서 여러 Guest OS가 독립적으로 실행됩니다.
게스트 OS의 요청이 하이퍼바이저 → 호스트 OS 커널 → 하드웨어라는 복잡한 경로를 거쳐 오버헤드가 커질 수 있습니다.
개발/테스트/학습 용도에서 활용도가 높습니다.
Oracle VirtualBox, VMware Workstation, VMware Fusion 등의 솔루션이 있습니다.

3. 가상화 구현 방식

Guest OS를 어떻게 실행하고 I/O를 어떻게 최적화하는지 가상화 구현 방식에 따라 다릅니다. 실제 운영 환경에서는 이 방식들이 섞여 동작하는 경우가 많습니다.

3.1 호스트 가상화(Hosted Hypervisors)

구조: Hardware → Host OS → Hypervisor → Guest OS
일반 목적 OS 위에서 하이퍼바이저가 동작하는 방식으로, 위의 Type 2와 동일한 개념입니다. 개발용 VM이나 데스크톱 가상화에서 흔히 볼 수 있습니다.

3.2 전가상화 (Full Virtualization)

구조: Hardware → Hypervisor(Type 1) → Guest OS
하이퍼바이저가 하드웨어 전체를 완벽하게 추상화하여 Guest OS에 제공하는 방식입니다. Guest OS는 자신이 가상 환경에서 돌아가고 있다는 사실을 인지하지 못하며, 베어 메탈 서버에 설치되어있는 것처럼 동작합니다.
초기에는 하이퍼바이저가 Guest OS의 특권 명령을 처리하기 위해 이진 번역(Binary Translation)으로 처리해 성능 오버헤드가 발생할 수 있었습니다.
게스트 OS를 수정하지 않고도 실행 가능한 방식입니다.
현재는 하드웨어 지원 가상화(Intel VT-x/AMD-V)가 결합되어, 과거 대비 오버헤드가 크게 완화되었습니다.

3.3 반가상화 (Paravirtualization)

구조: Hardware → Hypervisor(Type 1) → Modified Guest OS
게스트 OS의 커널을 수정하여, 번역 과정 없이 '하이퍼콜(Hyper Call)'이라는 인터페이스를 통해 하이퍼바이저와 통신합니다. 게스트 OS는 자신이 가상환경에서 돌아가고 있다는 것을 인식하고 있으며, 하이퍼바이저와 소통하기 위한 수단인 하이퍼콜을 사용합니다.
전가상화와 다르게 하이퍼바이저가 명령을 가로채어 이진 번역할 필요 없이, Guest OS가 하이퍼콜(Hypercall)이라는 전용 API를 통해 하이퍼바이저에게 직접 자원 제어를 요청하므로 오버헤드가 크게 줄어듭니다.
반가상화를 지원하지 않는 운영 체제는 커널 수정이 필요합니다. 또는, Windows와 같이 소스코드가 공개되지 않은 특정 OS에는 반가상화 인식 드라이버(Paravirtualization-aware drivers, 또는 PV 드라이버)가 제공될 수 있습니다.
하이퍼바이저나 게스트 OS를 업데이트할 때는 호환성 이슈가 생길 수 있으므로 주의가 필요합니다.
대표적으로 오픈 소스 하이퍼바이저인 Citrix XEN server가 반가상화에 특화되어 있습니다.
실무 환경에서는 완전한 반가상화보다는 PV 드라이버(VirtIO 등)를 통해 디스크와 네트워크 I/O를 최적화하는 형태가 더 일반적입니다.

3.4 하드웨어 지원 가상화 (Hardware-assisted Virtualization)

구조: Hardware → Hypervisor → Guest OS
하드웨어 지원 가상화는 성능 저하를 일으키던 이진 번역의 필요성을 없애고, CPU 하드웨어 차원에서 가상화 전용 실행 공간을 제공하여 Guest OS의 명령이 하이퍼바이저 개입 없이 CPU에서 직접 실행되도록 돕는 방식입니다.
CPU가 가상화 실행 모드와 메모리 가상화 기능을 제공해 하이퍼바이저 구현 부담을 줄이고 성능을 개선합니다.
하드웨어 지원 가상화를 지원하는 대표적인 하드웨어로 Intel VT, AMD-V, ARM virtualization extension이 있습니다.

4. 사용 사례

테스트/학습 목적이면 접근성이 좋은 Type 2 하이퍼바이저로 빠르게 시작하고, 운영 환경 설계는 Type 1 기준으로 검토하는 것이 좋습니다.
현재 대부분의 클라우드의 IaaS 서비스는 'Type 1 기반 + 전가상화 + 하드웨어 지원 가상화 + PV 드라이버 최적화'가 혼합된 형태로 동작합니다.
운영 관점에서는 성능 외 격리 경계, 라이브 마이그레이션 가능 여부, 백업/복구 시간(RTO/RPO), 관측성까지 함께 고려해야 합니다.

2026-03-14