가상화로 인해 생겨나는 시장과 기회가 폭발적으로 늘어나고 있을 뿐만 아니라 가상화의 변화도 마찬가지로 확대되고 있다. 가상화는 메인프레임에서 시작되었지만, 서버에서 유용하게 사용되고 있다. 워크로드가 많아서 서버 활용도가 낮은 경우에는 가상화를 이용하여 더 적은 비용과 관리 노력 및 공간으로 하나의 서버에서 다수의 서버 인스턴스를 호스트할 수 있었다. 가상화는 하나의 데스크탑에서 다수의 운영 체제를 동시에 운영할 수 있는 type-2(또는 hosted) 하이퍼바이저 형태로 소비자 공간에 들어왔다. 가상화된 데스크탑은 새로운 혁신이었으며 최소한의 클라이언트 엔드포인트(씬 클라이언트)를 사용하여 네트워크상에서 하나의 서버로 다수의 클라이언트를 호스트할 수 있었다. 그러나 오늘날에는 가상화가 새로운 대용량 공간인 임베디드 디바이스에 적용되고 있다.

가상화로 인한 혜택이 계속해서 증가하고 있기 때문에 사실상 이러한 발전은 당연한 것이다. 가상화는 대형 IBM 메인프레임에서 시작되어 발전되었지만, 그 경향은 서버, 데스크탑 및 임베디드 디바이스로 발전되어 가는 컴퓨팅의 진화 과정을 따르고 있다. 1990년대에는 원시 마이크로프로세서에서 가상화를 지원했기 때문에 가상화가 메인프레임 밖에서 성장하면서 새로운 전기를 맞이하게 되었다(그림 1 참조).

이 기사에서는 이러한 애플리케이션 중 일부를 탐구하는 과정을 통해 가상화 영역이 확장되고 있는 과정과 가상화를 적용할 수 있는 새로운 애플리케이션에서 가상화가 적용되고 있는 과정을 설명한다. 또한, 오픈 소스가 가상화를 선도하고 있는 분야를 탐구한다.

임베디드 가상화의 개념

임베디드 가상화는 임베디드 시스템 내에 배치되는 type-1 하이퍼바이저라고 한다. 그러나 여기에는 약간 모순이 있다. 임베디드 시스템은 소수의 전용 기능을 수행하도록 설계된 컴퓨터 시스템이라고 정의된다. 그러나 임베디드 시스템에 하이퍼바이저를 추가하면 유연성이 개선되고 상위 레벨 기능이 추가되어 임베디드 디바이스가 새로운 형태의 시스템으로 변모된다.

하이퍼바이저는 베어 하드웨어에서 직접 실행되는 특수한 운영 체제(이 경우에는 type-1 하이퍼바이저)이다. 하이퍼바이저는 기본 하드웨어 플랫폼을 추상화하여 이 플랫폼에서 하나 이상의 가상 머신(VM)을 사용할 수 있게 한다. 이 경우에 VM은 플랫폼을 공유하고 있다는 사실을 인식하지 못한다. 이러한 상황에서는 VM이 단지 운영 체제와 해당 애플리케이션의 컨테이너에 불과하다. 이러한 환경은 VM이 하이퍼바이저상에서 실행되고 있는 다른 VM과 분리된다는 중요한 장점이 있으며 이렇게 되면 다양하게 구성된 비슷한 운영 체제를 지원하거나 다수의 운영 체제를 사용할 수 있다. 또한, 이렇게 분리되면 특별한 장점이 생긴다. 이점은 간단하게 살펴볼 것이다.

이외에도 임베디드 하이퍼바이저는 마이크로 커널을 사용하는 하이브리드 가상화 플랫폼이라고 할 수 있다(그림 2 참조). 이러한 상태에서는 하이퍼바이저가 VM(운영 체제 + 애플리케이션)뿐만 아니라 개별 애플리케이션을 지원할 수 있다.

일반적으로 임베디드 디바이스는 자원이 극도로 제한되어 있지만, 오늘날에는 디바이스가 서버급 기능이 있는 강력한 프로세서(가상화 지원 하드웨어)로부터 연산 용량과 자원을 적게 사용하는 성능이 최적화된 시스템에 이르기까지 매우 다양하다. 이러한 다양성으로 인해 메인프레임과 서버용 하이퍼바이저보다는 임베디드 하이퍼바이저 환경에 대한 요구가 증가하고 있다.

위로

임베디드 가상화의 속성

기존의 하이퍼바이저와 달리 임베디드 하이퍼바이저는 다른 플랫폼보다 더 다양한 제한조건이 있는 다양한 유형의 추상화를 구현한다. 이 섹션에서는 임베디드 공간에서 제공하는 몇 가지 기능과 일부 제한조건을 탐구한다.

효율성

모든 하이퍼바이저는 효율성을 개선하기 위한 것이지만, 임베디드 하이퍼바이저는 기존의 가상화 환경 외부에 추가된 제한조건을 처리해야 한다. 프로세서 공유 이외에도 메모리는 임베디드 환경의 성능을 좌우하는 주요 제한 요소 중 하나이다. 이 때문에 임베디드 하이퍼바이저는 작아야 하고 메모리를 매우 효과적으로 사용해야 한다.

보안

작은 것이 좋다. 애플리케이션의 코드 크기가 작을수록 유효성을 검증하기 쉽고 코드에 버그가 없다는 것을 입증하기가 훨씬 더 수월하다. 사실상, 일부 임베디드 하이퍼바이저 벤더는 그들이 개발한 하이퍼바이저를 확인했으며 버그가 없다는 것을 보장했다. 하이퍼바이저의 크기가 작을수록 플랫폼은 더 안전하고 신뢰성이 있게 된다. 일반적으로 하이퍼바이저는 특권 모드에서 실행하는 시스템의 일부분이고 TCB(Trusted Computing Base)로 역할을 하기 때문에 플랫폼은 더 안전하게 된다.

통신

임베디드 하이퍼바이저는 다수의 게스트와 애플리케이션이 하드웨어 플랫폼을 공유할 수 있게 빌드되었을 뿐만 아니라 이러한 게스트와 애플리케이션이 상호 작용할 수 있도록 일반적으로 통신 수단을 확장한다. 이 통신 채널은 효과적이고 안전하며 이 채널에서는 특권이 부여된 애플리케이션과 그렇지 않은 애플리케이션이 동시에 존재할 수 있다.

분리

보안과 관련된 것은 게스트와 애플리케이션을 서로 분리하는 기능이다. 보안 위협을 봉쇄하고 신뢰성을 제공할 뿐만 아니라 라이센스 분리 면에서도 이점이 있다. 임베디드 하이퍼바이저의 통신 메커니즘을 사용하면 분리된 환경에서 사설 소프트웨어와 오픈 소스 소프트웨어가 동시에 존재할 수 있다. 임베디드 디바이스가 더 개방되어 가면서 사설 소프트웨어를 써드파티 소프트웨어 및 오픈 소스 소프트웨어와 같이 사용하려고 하는 요구가 중요한 요구사항이 되고 있다.

실시간 기능

마지막으로 임베디드 하이퍼바이저는 실시간 스케줄링 기능을 지원해야 한다. 핸드셋의 경우에는 하이퍼바이저를 통해 핵심 통신 기능이 있는 플랫폼과 써드파티 애플리케이션을 공유할 수 있다. 실시간 스케줄링 기능을 이용하면 최고의 상태로 작동하는 애플리케이션과 중요한 기능이 공존할 수 있다.

위로

임베디드 하이퍼바이저 사례

하이퍼바이저는 대부분 임베디드 도메인(오픈 소스 커뮤니티 및 사설 커뮤니티)에서 애플리케이션을 처리하는 것으로 보였다. VMware는 모바일 가상화 플랫폼을 도입하여 점차 늘어나고 있는 공통 사용 모델(비즈니스 및 개인용 스마트폰)을 처리한다. 스마트폰에서 임베디드 하이퍼바이저를 사용하면 두 가지 사용 모델을 별도의 컨테이너(VM)로 분리하여 하나의 디바이스를 보안 기업용과 개인용으로 사용할 수 있다.

이와 같은 사용 모델을 처리하는 몇 가지 솔루션(오픈 소스 포함)을 살펴보도록 하자.

PikeOS

PikeOS는 분리 커널을 주로 구현한다는 점에서 흥미로운 아키텍처라고 할 수 있다. 하이퍼바이저와 마찬가지로 분리(또는 파티션 분할) 커널은 상위 레벨 게스트의 환경을 안전하게 분리한다. PikeOS는 안전성이 중요한 항공전자공학 애플리케이션을 다루는 항공전자공학 분야에서 사용된다. 임베디드 하이퍼바이저를 도입하면 이전의 레거시 애플리케이션(VM 안에서)과 최신 애플리케이션을 같은 플랫폼에서 사용할 수 있다(그림 3 참조).

커널 공간 내에서 PikeOS는 분리 마이크로 커널 이외에도, 가상화 플랫폼을 제공하는 특정 하드웨어 환경(예: x86, PowerPC, SuperH 등)을 위해 존재하는 플랫폼 지원 패키지와 일련의 아키텍처를 구현한다. PikeOS는 애플리케이션과 연관된 게스트 운영 체제뿐만 아니라 더 단순한 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스와 특정 문제점 도메인(예: PikeOS 기본 인터페이스나 실시간 Java™)에 필요한 RTE(Run Time Environment)를 지원한다.

PikeOS 시스템 소프트웨어 계층에서는 공간 및 시간과 관련된 자원을 게스트에 할당한다. 이 시스템은 반가상화(paravirtualization)에 의존하여 게스트 운영 체제가 가상화되었다는 것을 스스로 인식하도록 한다.

PikeOS는 일반적으로 항공전자공학 분야에서 사용되고 있지만 AUTOSAR(Automotive Open System Architecture)를 통해 자동차에서도 곧 사용될 것이다. 참고자료에서 자세하게 배울 수 있다.

OKL4

2006에는 임베디드 시스템의 하이퍼바이저와 마이크로 커널을 개발하기 위해 OK Labs(Open Kernel Labs)가 설립되었다. 이러한 각 도메인에서 이루어진 이 랩의 작업으로 인해 가상화 기능이 있는 마이크로 커널을 나타내는 마이크로바이저(microvisor)라는 용어가 만들어졌다. OK Labs는 임베디드 가상화 공간에서 단연코 가장 성공했으며, 가상화를 지원하고 두 가지 동시성 운영 체제(Linux® 포함)를 운영할 수 있는 첫 번째 휴대전화인 Evoke QA4 메시징 폰과 같은 10억 개 이상의 디바이스에 오픈 소스 OKL4 마이크로바이저를 배치하였다.

OKL4는 Jochen Liedtke가 개발한 마이크로 커널의 L4 제품군을 계승하고 있다. L4는 Mach(기존 UNIX® 커널을 대체하기 위해 개발된 카네기멜론대학교의 마이크로 커널)에 영향을 받아서 개발되었다. 원래 L4는 최적의 솔루션을 구현하기 위해 전체적으로 x86 어셈블리 언어로 설계되었다. L4는 그 후에 C++로 개발되어 Intel 아키텍처, 32비트 및 ARM 기반 아키텍처용으로 설계된 L4Ka::Hazelnut에서부터 플랫폼 독립성을 위해 설계되었고 버클리 소프트웨어 배포 라이센스에 따라 릴리스되는 L4Ka::Pistachio에 이르는 다양한 마이크로 커널 제품군에 존재하게 되었다.

OKL4 마이크로바이저는 아키텍처에서 VM을 파티션 분할하기 위해 보안 셀이라고 하는 파티션을 구현한다. OKL4 마이크로바이저는 특권이 있는 커널 공간을 점유하며 모든 VM과 원시 애플리케이션 및 드라이버는 셀이 서로 통신할 수 있고 협력할 수 있게 하는 효과적인 IPC(Interprocess Communication) 메커니즘이 있는 별도의 분리된 파티션으로 배치된다(그림 4 참조). 기존의 VM 간 IPC 이외에도 하드웨어 디바이스 드라이버가 마이크로바이저 외부에 배치되기 때문에(마이크로 커널에서는 일반적임), IPC가 중요하다. IPC는 일반적인 입/출력 경로이다. 게다가 운영 체제가 없어도 개별 애플리케이션과 드라이버를 플랫폼에 통합할 수 있기 때문에 OKL4 컴포넌트 모델은 가볍다.

마이크로바이저는 가상화 기능이 있는 핵심 마이크로 커널을 구현하며, 이 커널에는 자원 관리 기능뿐만 아니라 실시간 스케줄링 기능이 포함되어 있으며 성능 오버헤드도 낮다. OKL4는 반가상화를 구현한다. 이는 운영 체제가 마이크로바이저에서 실행되도록 인스트루먼트되어야 한다는 것을 의미한다. OK Labs에서는 반가상화된 운영 체제(예: OK:Linux, OK:Android 및 OK:Symbian)를 많이 지원한다.

NOVA

2010년에는 NOVA 마이크로바이저가 개발되었다. 이전의 마이크로 커널 아키텍처와 마찬가지로 NOVA는 특권이 없는 코드를 위한 별도의 계층이 있는 씬 마이크로 커널을 구현한다. NOVA는 최신 하드웨어 플랫폼의 가상화 기능을 사용하여 컴포넌트 기반 시스템의 성능을 강화한다.

NOVA는 시스템의 핵심 기능을 수행하는 데 필요한 사용자 레벨 환경과 마이크로 하이퍼바이저로 구성된다. 이러한 핵심 요소(그림 5 참조)는 마이크로 커널 외부에서 자원 할당을 관리하는 루트 파티션 관리자와 기본 하드웨어 디바이스 드라이버 그리고 게스트와 호스트 간 메모리 맵핑과 민감한 명령어 에뮬레이션을 관리하기 위한 각 게스트용 VM 모니터(VMM)로 구성된다. NOVA는 완전한 가상화를 구현하므로 x86 CPUID와 같은 특정 명령어는 해당 구성을 기반으로 각 게스트에 맞게 적절하게 에뮬레이션되어야 한다. 또한, VMM은 각 게스트에서 디바이스를 사용할 수 있게 디바이스 에뮬레이션을 구현한다. NOVA는 완전한 가상화를 구현하므로 수정되지 않은 게스트 운영 체제가 지원된다.

마이크로바이저 자체는 스케줄러, 메모리 관리, 메시지 전달 통신 인터페이스 및 보호 도메인(공간 분리용) 및 컨텍스트 스케줄링(일시적 분리용)과 같은 기타 핵심 기능을 구현한다.

NOVA는 3세대 마이크로 커널로 간주된다. NOVA의 마이크로 프로세서에는 Mach와 Chorus(1세대 마이크로 커널)뿐만 아니라 L4(2세대 마이크로 커널)가 포함되어 있다.

Codezero

Codezero 임베디드 하이퍼바이저는 L4 아키텍처를 따르는 새로운 마이크로 커널이지만, 마이크로 커널에 대한 최신 연구 결과를 반영하기 위해 처음부터 작성되었다. Codezero는 특권이 있는 마이크로 커널에서만 가상화 기능과 함께 주소 공간, 스레드 관리 및 IPC를 구현한다는 점에서 마이크로 커널의 기본적인 원칙을 따르고 있다고 할 수 있다.

그림 6에 표시된 바와 같이 Codezero는 하드웨어 플랫폼 위에서 전형적인 추상화 계층을 구현한다. 추상화 계층에서는 스레딩, IPC, 주소 공간 관리, 주소 공간 맵핑, 보안, 전원 및 오류 복구 관리 기능이 구현된다. Codezero의 스케줄러에는 게스트 스레드와 마이크로 커널 스레드를 위한 커널 선점 기능이 포함되어 있다.

Codezero에서는 가상화가 컨테이너를 통해 구현된다. 각 컨테이너는 메모리, 스레드 등과 같은 자체 자원 세트가 있는 분리된 실행 환경이다. 또한, 파티션은 Codezero의 각 컨테이너의 기능을 정의하는 자원 관리 정책 및 보안과 조화를 이루며 작동한다.

Codezero에는 최근에 이루어진 마이크로 커널 설계의 발전된 기능이 반영되어 있다. 효율성을 위해 Codezero는 모두 랑데부 모델을 기반으로 하는 세 가지 형태의 IPC를 구현한다. Codezero는 단축 IPC(사용자 공간 스레드 간), 전체 IPC(256바이트) 및 확장 IPC(2048바이트)를 구현한다. 대용량 버퍼의 IPC는 공유 페이지 맵핑을 통해 수행된다. Codezero는 특별히 임베디드 시스템에 맞게 설계되었으며 멀티코어 프로세스와 ARM 기반 설계를 지원한다.

위로

임베디드 하이퍼바이저의 애플리케이션

임베디드 하이퍼바이저의 애플리케이션이 증가하고 있다. 오늘날 가장 일반적인 애플리케이션 중 하나는 휴대전화에 있다. 여기에서는 신뢰할 수 있고 안전한 애플리케이션(베이스밴드 관리)이 써드파티 및 신뢰할 수 없는 애플리케이션과 플랫폼을 공유한다. 하이퍼바이저가 제공하는 분리 기능은 이러한 도메인에서 하이퍼바이저가 성공하게 된 중요한 속성이다. 또한, 운영 체제와 애플리케이션이 발전함에 따라서 빠르게 증가하고 있는 태블릿 시장에서 이러한 기술이 사용될 것으로 보인다.

그러나 애플리케이션은 핸드셋과 태블릿 이외의 곳에서 증가하고 있다. 또한, 임베디드 항공전자공학과 자동차 애플리케이션에서 하이퍼바이저의 분리 및 신뢰성 특성이 사용될 것으로 보인다. 보안, 감시 또는 우수한 구성 가능성에 초점을 맞추고 있는 시스템에서도 이러한 기술을 활용하는 애플리케이션이 사용될 것이다.

위로

임베디드 가상화의 미래

다양한 임베디드 하이퍼바이저 예제에서 살펴본 바와 같이 마이크로 커널은 아키텍처와 구현의 공통 설계 패턴이다. 이러한 방식은 간단하지만 효과적이며 이러한 방식을 이용하면 코드를 적게 사용할 수 있으며 TCB를 기초로 보안과 신뢰성을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 성능상의 이점을 얻을 수도 있다. 하이퍼바이저는 계속해서 흥미로운 연구 대상이 될 것이며 또한, 계속해서 새로운 애플리케이션이 개발될 것이다. 가상화와 임베디드 시스템이 발전해 가는 과정을 지켜보는 것도 아주 재미있을 것이다.

참고자료

교육

• 임베디드 가상화를 자세히 배우려면 위키피디아의 임베디드 하이퍼바이저 페이지를 확인하자. 또한, 하이퍼바이저와 분리 커널에 대한 자세한 정보를 확인할 수 있다.
  
  
• 가상화는 여러 가지 유형이 있다. 이 기사에서는 다양한 임베디드 유형을 소개했지만, "Virtual Linux"(developerWorks, 2006년 12월) 기사에서 다른 옵션 중 일부를 배울 수 있다. 또한, Discover the Linux Kernel Virtual Machine(developerWorks, April 2007) 및 System emulation with QEMU(developerWorks, 2007년 7월) 기사에서 커널 가상 머신과 QEMU의 세부사항을 자세하게 확인할 수 있다. 마이크로바이저는 실시간 아키텍처 분야에 어떤 전력이 있다. Anatomy of real-time Linux architectures(developerWorks, 2008년 4월 ) 기사를 자세히 읽어보자.
  
  
• Linux에서는 수백 개의 기술자료 목록과 함께, Linux 개발자와 관리자를 위한 다양한 다운로드, 토론 포럼 및 다른 참고자료를 찾을 수 있다.
  
  
• developerWorks 기술 행사 및 웹 캐스트를 통해 다양한 IBM 제품 및 IT 산업 주제에 대한 최신 정보를 얻을 수 있다.
  
  
• 무료 developerWorks Live! briefing을 통해 최신 IBM 제품 및 도구에 대한 정보뿐만 아니라 IT 업계의 최신 경향까지도 빠르게 확인할 수 있다.
  
  
• developerWorks on-demand demos에서는 입문자를 위한 제품 설치 및 설정부터 숙련된 개발자를 위한 고급 기능까지 망라된 다양한 데모를 제공한다.
  
  
• Twitter의 developerWorks를 팔로우(follow)하거나 developerWorks에 대한 Linux 트윗(tweet)의 피드를 구독하자.
  
  

제품 및 기술 얻기

• PikeOS는 임베디드 하이퍼바이저 및 분리 커널에 대한 흥미로운 사례이다. PikeOS는 항공전자공학 시스템에서 널리 사용되고 있으며 AUTOSAR를 통해 자동차 시스템으로 영역을 넓혀가고 있다.
  
  
• OK Labs에서는 처음부터 OKL4 마이크로바이저를 임베디드 하이퍼바이저로 개발했다. OKL4는 L4 마이크로 커널을 계승하고 있으며 휴대전화 분야에서 널리 사용되고 있다. OKL4 마이크로바이저와 마이크로 커널을 OK Labs 위키 페이지에서 다운로드할 수 있다.
  
  
• NOVA 마이크로바이저는 드레스덴 기술대학교에서 개발한 3세대 마이크로 커널이다. NOVA의 연구 페이지나 최근 논문인 "NOVA: A Microhypervisor-Based Secure Virtualization Architecture"에서 NOVA에 관해 자세히 배우자. 또한, 드레스덴에서 L4 마이크로 커널 제품군에 관한 정보를 확인할 수 있다.
  
  
• 임베디드 프로세서를 대상으로 하는 또 다른 베어-메탈 임베디드 하이퍼바이저이자 운영 체제인 Codezero의 소스 코드를 얻자.
  
  
• 자신에게 가장한 적합한 방법으로 IBM 제품을 평가해 보자. 평가판 제품을 다운로드하거나, 온라인으로 제품을 사용해 보거나, 클라우드 환경에서 제품을 사용하거나, SOA Sandbox에서 SOA(Service Oriented Architecture)를 효과적으로 구현하는 방법을 배울 수 있다.
  
  

토론

• developerWorks community에 참여한다. 개발자가 이끌고 있는 블로그, 포럼, 그룹 및 Wiki를 살펴보면서 다른 developerWorks 사용자와 의견을 나눌 수 있다.
  
  

필자소개

M. Tim Jones는 임베디드 펌웨어 아키텍트이자 Artificial Intelligence: A Systems Approach, GNU/Linux Application Programming(2판이 나왔다), AI Application Programming(2판이 나왔다), BSD Sockets Programming from a Multilanguage Perspective의 저자이기도 하다. Jones의 공학 배경은 정지 위성을 위한 커널 개발에서 시작해 임베디드 시스템 아키텍처와 네트워크 프로토콜 개발에 이르기까지 다양한 분야를 아우른다. Jones는 콜로라도 주, 롱몬트 소재 Emulex 사에서 컨설턴트 엔지니어로 활약한다.

아티클 순위

의견

위로

목차

• 임베디드 가상화의 개념
• 임베디드 가상화의 속성
• 임베디드 하이퍼바이저 사례
• 임베디드 하이퍼바이저의 애플리케이션
• 임베디드 가상화의 미래
• 참고자료
• 필자소개
• 의견