가상 머신

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1. 개요

가상 머신은 실제 컴퓨터의 효율적이고 고립된 복제물로, 하드웨어와 직접적인 통신 없이 가상 컴퓨터를 구현한다. 시분할 시스템에서 시작되어, 시스템 가상 머신과 프로세스 가상 머신으로 발전했다. 시스템 가상 머신은 완전한 운영 체제 실행을 지원하며, 프로세스 가상 머신은 단일 프로세스를 지원하여 플랫폼 독립적인 프로그래밍 환경을 제공한다. 가상화 기술은 완전 가상화, 하드웨어 지원 가상화, 운영 체제 수준 가상화로 나뉘며, 스냅샷, 마이그레이션, 페일오버, 중첩 가상화와 같은 관련 기술도 존재한다.

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가상 머신
기본 정보
가상 머신 블록 다이어그램
유형	가상화
관련 항목	가상화 에뮬레이터 QEMU
분류
프로세스 가상 머신	자바 가상 머신 닷넷 프레임워크 파이썬
시스템 가상 머신	VMware Hyper-V Xen KVM
특징
주요 목표	시스템 가상 머신: 다양한 운영체제 지원 프로세스 가상 머신: 플랫폼 독립성
장점	리소스 활용률 향상 관리 용이성 보안 강화
단점	성능 오버헤드 자원 경쟁

2. 역사

시스템 가상 머신과 프로세스 가상 머신은 모두 1960년대로 거슬러 올라가며, 현재까지도 활발하게 개발되고 있다.

1940년대부터 1950년대의 컴퓨터는 기종마다 아키텍처가 달랐지만, 기존 설계를 참고하여 신규 설계의 위험을 피하거나, 다른 컴퓨터의 기존 프로그램 및 라이브러리를 활용하기 위한 목적으로, 기존 기종과 명령 집합에 호환성을 가지거나 논리 설계를 공통으로 한, 일종의 호환기라고 할 수 있는 머신도 존재했다.

가상 머신과 관련된 주요 사건들은 다음과 같다.

연도	내용
1958년	IBM 709 (마이크로 코드를 사용한, 상업용 최초의 다른 아키텍처의 에뮬레이터)
1961년	배로우스 B5000 (상업용 최초의 가상 메모리 장치)
1964년	IBM System/360
1970년	IBM System/370 (상업용 최초의 복수 주소 공간)
1973년	IBM System/370 모델 158/168 (상업용 최초의 물리적 분할)
1985년	인텔 i386에서 가상 86 모드 채용
1987년	IBM PR/SM (상업용 최초의 펌웨어에 의한 논리적 분할 (LPAR))
1995년	자바 공식 발표 (자바 가상 머신 등장)
1997년	썬 마이크로시스템즈 다이내믹 시스템 도메인 (DSD, UNIX 서버에서 최초의 물리적 분할 기능)
1999년	VMware 등장 (x86 시스템의 본격적인 상업용 가상화 OS)
2001년	IBM pSeries (UNIX 서버에서 최초의 논리적 분할 (LPAR))
2008년 3월	오라클 Oracle VM 발표 (베이스는 Xen)
2008년 6월	마이크로소프트 Hyper-V (개발 코드명 Viridian) 발표

2. 1. 초기 발전 (1960년대 ~ 1970년대)

시스템 가상 머신과 프로세스 가상 머신은 모두 1960년대에 시작되었으며, 현재까지도 활발히 개발되고 있다.
시스템 가상 머신은 시분할 시스템에서 시작되었으며, 특히 호환 시분할 시스템(CTSS)에서 두드러지게 구현되었다. 시분할 시스템은 여러 사용자가 컴퓨터를 동시 컴퓨팅할 수 있도록 했다.^[11] 각 프로그램은 컴퓨터에 대한 전체 액세스 권한을 갖는 것처럼 보였지만, 한 번에 하나의 프로그램만 실행되었고, 시스템은 시간 조각으로 프로그램 간을 전환하여 매번 상태를 저장하고 복원했다. 이는 가상 머신으로 발전했으며, 특히 IBM의 연구 시스템을 통해 발전했다. M44/44X는 부분 가상화를 사용했고, CP-40과 SIMMON은 전체 가상화를 사용했으며, 초기 하이퍼바이저의 예시였다. 최초로 널리 사용된 가상 머신 아키텍처는 CP-67/CMS (자세한 내용은 CP/CMS의 역사 참조)였다. 중요한 차이점은 M44/44X 및 CP-40과 같이 시분할을 위해 하나의 호스트 시스템에서 여러 가상 머신을 사용하는 것과 SIMMON과 같이 프로토타입 제작을 위해 호스트 시스템에서 하나의 가상 머신을 사용하는 것이었다. 이전 시스템과의 호환성을 위해 하드웨어 에뮬레이션을 사용한 에뮬레이터는 1963년 IBM System/360부터 시작되었고, 소프트웨어 에뮬레이션(당시에는 "시뮬레이션"이라고 불림)은 그보다 먼저 시작되었다.
프로세스 가상 머신은 원래 컴파일러가 프로그램을 중간 표현으로 사용하는 중간 언어에 대한 추상적인 플랫폼으로 등장했다. 초기 예시는 약 1964년에 META II 컴파일러 작성 시스템이 구문 설명과 대상 코드 생성을 위해 사용한 것이다. 주목할 만한 1966년의 예는 O-code 머신이었다. 이는 BCPL 컴파일러의 프런트엔드에서 생성된 O-코드(객체 코드)를 실행하는 가상 머신이었다. 이 추상화는 기존 O-코드를 가져와 기본 물리적 머신용 머신 코드로 컴파일하는 새로운 백엔드를 구현함으로써 컴파일러를 새로운 아키텍처로 쉽게 포팅할 수 있도록 했다. Euler 언어는 중간 언어가 'P'(이식 가능)라는 유사한 설계를 사용했다. 이는 1970년경 파스칼에 의해 대중화되었으며, 특히 Pascal-P 시스템(1973)과 Pascal-S 컴파일러(1975)에서 p-code라고 불렸고, 결과 머신은 p-code 머신이라고 불렸다. 이는 큰 영향을 미쳤으며, 이러한 의미의 가상 머신은 일반적으로 p-code 머신이라고 불렸다. Pascal p-code는 중간 언어일 뿐만 아니라 UCSD 파스칼(1978)에서 특히 가상 머신을 구현하는 인터프리터에 의해 직접 실행되었으며, 이는 나중에 Java 가상 머신(JVM)을 비롯한 인터프리터에 영향을 미쳤다. 또 다른 초기 예시는 SNOBOL4(1967)였으며, 이는 가상 머신용 어셈블리 언어인 SNOBOL 구현 언어(SIL)로 작성되었으며, 매크로 어셈블러를 통해 기본 어셈블러로 트랜스파일링하여 물리적 머신을 대상으로 했다. 그러나 매크로는 이후 인기를 잃었으므로 이 방식은 영향력이 줄어들었다. 프로세스 가상 머신은 Tiny BASIC 및 어드벤처 게임을 포함하여 초기 마이크로컴퓨터 소프트웨어를 구현하는 데 널리 사용되었으며, Pyramid 2000과 같은 일회성 구현부터 Infocom의 z-머신과 같은 범용 엔진까지 사용되었다. 그레이엄 넬슨은 이를 "아마도 가장 이식성이 뛰어난 가상 머신"이라고 주장한다.

스몰토크-80의 구현에서 중요한 발전이 있었다. 특히 Deutsch/Schiffmann 구현은 Just-in-time(JIT) 컴파일을 프로세스 가상 머신을 사용하는 구현 방식으로 추진했다. 이후 주목할 만한 스몰토크 VM은 VisualWorks, Squeak 가상 머신, 및 Strongtalk이다. 많은 가상 머신 혁신을 낳은 관련 언어는 Self 프로그래밍 언어였으며, 적응형 최적화 및 세대별 가비지 컬렉션을 개척했다.

1940년대부터 1950년대의 컴퓨터는 기종마다 아키텍처가 달랐지만, 기존 설계를 참고하여 신규 설계의 위험을 피하거나, 다른 컴퓨터의 기존 프로그램 및 라이브러리를 활용하기 위한 목적으로, 기존 기종과 명령 집합에 호환성을 가지거나 논리 설계를 공통으로 한, 일종의 호환기라고 할 수 있는 머신도 존재했다. 예를 들어 EDSAC이 자주 참고되었다.

1979년 IBM System/38은 TIMI (Technology Independent Machine Interface, 기술 독립 머신 인터페이스)를 채택했다. TIMI는 메인프레임에서 채택된 마이크로코드를 통한 호환성 확보를 더욱 발전시킨 것으로, 주로 수평형 레벨 마이크로코드를 통해 실현되었으며, 하드웨어 아키텍처(CPU 명령어 세트 등)와 프로그램을 분리하고 있다. 프로그램 배포는 중간 코드인 바이트코드로 이루어지며, 설치 시 하드웨어의 명령어 세트로 전개된다.

2. 2. 1980년대 이후 발전

스몰토크-80 구현에서 상당한 진전이 있었는데,^[11] 특히 Deutsch/Schiffmann 구현에서^[12] 프로세스 가상 머신을 활용한 구현 방식인 JIT 컴파일을 가속화했다.^[13]

현대의 가상 머신은 컴파일을 위한 중간 대상 또는 인터프리터에서 직접 구현할 플랫폼으로 사용된다. 예를 들어 2013년에 공개된 안드로이드 런타임(ART)은 바이트코드를 네이티브 코드로 컴파일하며, 초기의 달빅 가상 머신은 바이트코드를 해석한다.

1979년 IBM System/38은 TIMI (Technology Independent Machine Interface, 기술 독립 머신 인터페이스)를 채택했다. TIMI는 메인프레임에서 채택된 마이크로코드를 통한 호환성 확보를 더욱 발전시킨 것으로, 주로 수평형 레벨 마이크로코드를 통해 실현되었으며, 하드웨어 아키텍처(CPU 명령어 세트 등)와 프로그램을 분리하고 있다. 프로그램 배포는 중간 코드인 바이트코드로 이루어지며, 설치 시 하드웨어의 명령어 세트로 전개된다. 이 때문에 소스 프로그램을 배포하지 않고도 실행 시 성능 저하 없이 다른 아키텍처의 하드웨어로 이전도 용이하다. 실제로, CPU 아키텍처의 이전(독자적인 CISC에서 POWER로)도 쉽게 이루어졌다고 한다.

TIMI는 System/38의 후속 기종인 AS/400, iSeries, System i, Power Systems i Edition에 현재까지 사용되고 있다.

주요 사건들은 다음과 같다.

연도	내용
1985년	인텔 i386에서 가상 86 모드 채용
1987년	IBM PR/SM (상업용 최초의 펌웨어에 의한 논리적 분할 (LPAR))
1995년	자바 공식 발표 (자바 가상 머신 등장)
1997년	썬 마이크로시스템즈 다이내믹 시스템 도메인 (DSD, UNIX 서버에서 최초의 물리적 분할 기능)
1999년	VMware 등장 (x86 시스템의 본격적인 상업용 가상화 OS)
2001년	IBM pSeries (UNIX 서버에서 최초의 논리적 분할 (LPAR))
2008년 3월	오라클 Oracle VM 발표 (베이스는 Xen)
2008년 6월	마이크로소프트 Hyper-V (개발 코드명 Viridian) 발표

3. 정의

가상 머신은 원래 포펙과 골드버그가 "실제 컴퓨터의 효율적이고 고립된 복제물"로 정의했다. 현재는 "실제 하드웨어와 직접적인 통신이 없는 가상 컴퓨터"를 가리킨다.

가상 머신은 실제 컴퓨터와의 통신 및 사용 정도에 따라 두 가지로 나뉜다.

'''시스템 가상 머신''': 완전한 시스템 플랫폼을 제공하며, 완전한 운영 체제 (OS)의 실행을 지원한다.
'''프로세스 가상 머신''': 하나의 단일 프로그램을 실행하기 위해 만들어져, 단일 프로세스를 지원한다.

가상 머신의 중요한 특징은 안에서 돌아가는 소프트웨어가 가상 머신이 제공하는 환경과 자원에 제한을 받으며 가상 세계를 벗어날 수 없다는 것이다.

3. 1. 시스템 가상 머신

시스템 가상 머신은 '''하드웨어 가상 머신'''이라고도 불리며, 여러 운영 체제를 실행하는 가상 머신 사이에서 기반이 되는 물리 컴퓨터를 다중화한다. 가상화를 제공하는 소프트웨어 계층은 '''가상 머신 모니터''' 또는 하이퍼바이저라고 부른다. 하이퍼바이저는 순수 하드웨어나 호스트 운영 체제 위에서 실행될 수 있다.

시스템 가상 머신의 주요 이점은 다음과 같다.

여러 운영 체제 환경이 완벽히 고립된 채로 같은 컴퓨터에 존재할 수 있다.
가상 머신은 실제 컴퓨터가 제공하는 것과 다른 형태의 명령어 집합 구조 (ISA)를 제공할 수 있다.

자체 운영 체제를 실행하는 여러 개의 가상 머신들은 게스트 운영 체제라고 불리며, 서로 다른 장치가 충돌을 피하기 위해 각 장치에서 실행하기 위한 '''서버 통합'''(server consolidation)에 사용된다. 이러한 사용을 '''제품 품질의 고립'''(QoS 고립)이라고 한다.

여러 개의 운영 체제를 사용하려는 열망은 가상 머신의 원래 취지였으며, 여러 개의 단일 작업 운영 체제들 사이에서 시분할 단일 컴퓨터를 허용한다.

게스트 운영 체제들은 모두 같을 필요는 없다. 즉, 같은 컴퓨터에서 다른 운영 체제를 실행할 수 있게 해준다. (예: 마이크로소프트 윈도우와 리눅스, 또는 최신 버전에서 지원하지 않는 소프트웨어를 지원하기 위해 옛날 버전의 운영 체제를 설치) 다른 게스트 운영 체제를 지원하기 위해 가상 머신을 사용하는 것은 임베디드 시스템에서 인기를 끌고 있다. 일반적으로 리눅스와 윈도와 같은 높은 수준의 운영 체제로서 실시간 운영 체제를 지원한다.

다른 사용으로는 신뢰할 수 없는 운영 체제를 sandbox하는 것이다. 왜냐하면 그 시스템이 개발 중인 시스템일 수도 있기 때문이다. 가상 머신들은 더 나은 오류 수정 접근과 더 빠른 다시 시작과 더불어 운영 체제 개발에 다른 이점들을 가져다 준다.

시스템 가상 머신은 시스템 전체를 재현하고, 그 위에서 OS를 실행하는 것을 가능하게 한다. 실행하는 OS에 약간의 변경을 가해야 하는 경우(반가상화)도 있다.

시스템 가상 머신에서는 여러 가상 머신에 계산 자원, 메모리 자원, 디스크 자원을 효율적으로 배분(스케줄링)하거나, 하드웨어 인터럽트 등을 전달할 필요가 있다. 이것들을 제어하는 프로그램을 하이퍼바이저라고 부른다.

시스템 가상 머신은 사용자나 프로그램에게 "다른 컴퓨터"로 보이는 것(OS 환경을 실현하는 것)을 가리키지만, 컴퓨터 초창기에는 가상 기억 장치, 멀티태스킹, 멀티유저, 시분할 등 현재는 OS의 기능이 된 기술을 포함하는 경우도 있다. 가상 머신 기술은 메인프레임에서 사용되었지만, 현재 컴퓨터에 의한 서비스 제공 분야에서 일반적인 기술이 되고 있다.

클라우드 컴퓨팅에서 하드웨어에 의존하지 않는 가상 실행 환경의 구축은 기반 기술(IaaS)로 이용된다.

가상 머신의 역사적 발전은 다음과 같다.

연도	내용
1958년	IBM 709 (마이크로 코드를 사용한, 상업용 최초의 다른 아키텍처의 에뮬레이터)
1961년	배로우스 B5000 (상업용 최초의 가상 메모리 장치)
1964년	IBM System/360
1970년	IBM System/370 (상업용 최초의 복수 주소 공간)
1973년	IBM System/370 모델 158/168 (상업용 최초의 물리적 분할)
1985년	인텔 i386에서 가상 86 모드 채용
1987년	IBM PR/SM (상업용 최초의 펌웨어에 의한 논리적 분할 (LPAR))
1995년	자바 공식 발표 (자바 가상 머신 등장)
1997년	썬 마이크로시스템즈 다이내믹 시스템 도메인 (DSD, UNIX 서버에서 최초의 물리적 분할 기능)
1999년	VMware 등장 (x86 시스템의 본격적인 상업용 가상화 OS)
2001년	IBM pSeries (UNIX 서버에서 최초의 논리적 분할 (LPAR))
2008년	3월 오라클 Oracle VM 발표 (베이스는 Xen)
2008년	6월 마이크로소프트 Hyper-V (개발 코드명 Viridian) 발표

하드웨어 (빌딩 블록) 기능에 따른 물리적 분할에는 IBM의 PPAR, 썬 마이크로시스템즈의 DSD, 휴렛 팩커드의 nPars 등이 있으며, 블레이드 서버를 포함하는 경우도 있다. 하드웨어 (마이크로코드) 기능에 따른 논리적 분할에는 IBM의 LPAR, 썬 마이크로시스템즈의 LDOM, 휴렛 팩커드의 vPars 등이 있다.

가상화 소프트웨어 기능에 따른 분할에는 z/VM, VMware, Xen, VirtualBox, Hyper-V 등이 있으며, 내부적으로 하드웨어 기능을 활용하는 경우도 많다. OS 기능에 따른 다중 OS 환경에는 AIX 6 워크로드 파티션, Solaris10 Solaris 컨테이너 등이 있다. 또한 Hyper-V는 Windows Server 2008의 일부로 제공되지만, 단독 제공도 되며, 기술적, 구조적으로는 전용 가상화 OS이다. 미들웨어 기능에 따른 부하 관리에는 z/OS 워크로드 매니저, AIX 워크로드 매니저, Solaris 리소스 매니저, HP-UX 워크로드 매니저 등이 있다.

1964년 IBM System/360에서는 상업용 최초의 가상화 OS인 CP-40, CP-67을 통해 하나의 컴퓨터에서 여러 가상 컴퓨터를 생성하여 각각에서 게스트 OS( MVS나 CMS 등)를 작동시킬 수 있었다. 이 가상화 OS는 VM/CMS가 되었으며, 현재도 z/VM으로 다수의 게스트 OS(리눅스 등)를 동시 작동시키는 용도로도 사용되고 있다.

1979년 IBM System/38은 TIMI(Technology Independent Machine Interface, 기술 독립 머신 인터페이스)를 채택했다. TIMI는 메인프레임에서 채택된 마이크로코드를 통한 호환성 확보를 더욱 발전시킨 것으로, 주로 수평형 레벨 마이크로코드를 통해 실현되었으며, 하드웨어 아키텍처(CPU 명령어 세트 등)와 프로그램을 분리하고 있다. 프로그램 배포는 중간 코드인 바이트코드로 이루어지며, 설치 시 하드웨어의 명령어 세트로 전개된다.

상용 유닉스 벤더의 가상화 기술은 다음과 같다. 현재 가상화 기술은 각종 하드웨어와 소프트웨어가 밀접하게 연동되어 있으며, 벤더에 따라 각 기술의 범위가 다르므로, 벤더 단위로 기술한다.

IBM PowerVM
LPAR(논리 구획)
마이크로 파티셔닝
WPAR
AIX WLM
썬 N1 구상(unified virtualization manager environment^영어)
DSD (dynamic system domain^영어)
LDOM (logical domain^영어)
Solaris 컨테이너
Solaris 리소스 관리자
HP Virtual Server Environment for HP-UX
nPartitions(nPars)
Virtual Partitions(vPars)
HP Integrity Virtual Machines (Integrity VM)
HP-UX Workload Manager
애플(Apple Inc.) macOS
Hypervisor.framework^[7]
Virtualization framework^[8]

유닉스, 리눅스, 윈도우에서 동작하는 가상 머신에는 VMware, Xen, Oracle VM (기반은 Xen), Hyper-V 등이 있다.

3. 2. 프로세스 가상 머신

프로세스 VM은 응용 가상 머신 또는 관리형 런타임 환경(MRE)이라고도 불리며, 호스트 OS 내에서 일반적인 응용 프로그램처럼 실행되어 단일 프로세스를 지원한다. 해당 프로세스가 시작될 때 생성되고 종료될 때 파괴된다. 이 가상 머신의 목적은 기본 하드웨어 또는 운영 체제의 세부 사항을 추상화하여 모든 플랫폼에서 동일한 방식으로 프로그램을 실행할 수 있도록 하는 시스템 플랫폼 독립적인 프로그래밍 환경을 제공하는 것이다.

프로세스 VM은 고급 프로그래밍 언어의 높은 수준의 추상화를 제공한다(시스템 VM의 낮은 수준의 ISA 추상화와 비교). 프로세스 VM은 인터프리터를 사용하여 구현되며, JIT 컴파일을 사용하여 컴파일된 프로그래밍 언어와 비슷한 성능을 얻을 수 있다.

이러한 유형의 VM은 자바 프로그래밍 언어에서 인기를 얻었으며, 자바 가상 머신을 사용하여 구현된다. 다른 예로는 패럿 가상 머신과 .NET Framework가 있으며, 이들은 공용 언어 런타임이라는 VM에서 실행된다. 이들은 모두 모든 컴퓨터 언어에 대한 추상화 계층 역할을 할 수 있다.

프로세스 VM의 특별한 경우는 (잠재적으로 이기종인) 컴퓨터 클러스터의 통신 메커니즘을 추상화하는 시스템이다. 이러한 VM은 단일 프로세스로 구성되지 않고 클러스터의 각 물리적 머신당 하나의 프로세스로 구성된다. 프로그래머가 상호 연결 및 OS에서 제공하는 통신 메커니즘이 아닌 알고리즘에 집중할 수 있도록 하여 동시 응용 프로그램을 프로그래밍하는 작업을 쉽게 하도록 설계되었다. 통신이 발생한다는 사실을 숨기지 않으므로 클러스터를 단일 머신으로 표시하려고 시도하지 않는다.

다른 프로세스 VM과 달리 이러한 시스템은 특정 프로그래밍 언어를 제공하지 않고 기존 언어에 포함되어 있다. 일반적으로 이러한 시스템은 여러 언어(예: C 및 포트란)에 대한 바인딩을 제공한다. 예로는 Parallel Virtual Machine (PVM)과 Message Passing Interface (MPI)가 있다.

여러 개의 애플리케이션 프로그램을 실행하기 위한 가상 머신도 존재한다. 일부 프로그래밍 언어 및 해당 구현에서는 이론상의 기계에 의해 실행되는 것을 상정하고 있으므로, 해당 기계를 에뮬레이트하는 경우가 많다. 소프트웨어를 통한 가상 CPU에서 바이트 코드를 실행하는 방식이 일반적이다. 바이트 코드의 실행 방식에는 인터프리터 방식, 실행 전에 모든 바이트 코드를 네이티브 코드로 변환하는 사전 컴파일 방식, 실행 시 컴파일 방식이 있다. 현재는 성능 측면에서 실행 시 컴파일 방식이 주류를 이룬다. 하드웨어 제약이 없다는 것이 특징이다.

형식화된 연산을 지원하는 가상 머신도 있다.

아키텍처	구현	특징
ActionScript 가상 머신	Adobe AIR Adobe Flash Player	스택 머신
CLI	PlayStation Mobile .NET Framework DotGNU Portable.NET .net by au Mono SSCLI	CLR 스택 머신
Erlang VM^영어	BEAM^영어
자바 가상 머신	GNU Interpreter for Java HotSpot IKVM.NET Kaffe leJOS Microsoft VM SableVM	스택 머신
Lazy Virtual Machine
LLVM		최적화를 위한 컴파일러 기반
Lua VM	Lua	레지스터형의 심플한 아키텍처
Parrot 가상 머신	Parrot	레지스터형
P 코드 머신	UCSD Pascal
Python 가상 머신^[9]	CPython	스택 머신
Smalltalk VM	Smalltalk-72/74/76/78/80 ObjectWorks VisualWorks Squeak VisualAge Smalltalk Little Smalltalk GNU Smalltalk Smalltalk/V Smalltalk/X 기타	스택 머신

이러한 가상 머신은 이론적으로 설계되었지만, 실행을 최적화하기 위해 이에 상응하는 하드웨어가 제작되는 경우도 있다.

파스칼의 P-코드 머신은 웨스턴 디지털(Western Digital) MCP-1600 칩셋이 제작되었다.
자바에는 썬 마이크로시스템즈(Sun Microsystems)의 :en:picoJava와 같은 :en:Java processor가 있다.
ARM 아키텍처에는 Jazelle이라고 불리는 자바 바이트코드를 위한 확장 기능이 있다.

4. 가상화 기술

가상화 기술은 시스템 전체를 재현하고 그 위에서 OS를 실행할 수 있게 해준다. 경우에 따라 실행하는 OS에 약간의 변경을 가해야 할 수도 있다(반가상화).

시스템 가상 머신에서는 여러 가상 머신에 계산 자원, 메모리 자원, 디스크 자원 등을 효율적으로 배분(스케줄링)하거나, 하드웨어 인터럽트 등을 전달할 필요가 있다. 이러한 것들을 제어하는 프로그램을 하이퍼바이저라고 부른다.

시스템 가상 머신은 사용자나 프로그램에게 "다른 컴퓨터"로 보이는 OS 환경을 실현하는 것을 가리킨다. 과거에는 가상 기억 장치, 멀티태스킹, 멀티유저, 시분할 등 현재는 OS의 기능이 된 기술을 포함하는 경우도 있었다. 가상 머신 기술은 메인프레임에서 사용되었지만, 현재 컴퓨터에 의한 서비스 제공 분야에서 일반적인 기술이 되고 있다.

클라우드 컴퓨팅에서 하드웨어에 의존하지 않는 가상 실행 환경 구축은 기반 기술(IaaS)로 이용된다.

가상화 기술에는 다음과 같은 종류가 있다.

완전 가상화: 가상 머신이 수정되지 않은 "게스트" 운영체제를 실행할 수 있도록 충분한 하드웨어를 시뮬레이션한다.
하드웨어 지원 가상화: 하드웨어가 가상 머신 모니터를 구축하고 게스트 OS가 격리된 상태로 실행될 수 있도록 지원한다.
운영 체제 수준 가상화: 물리 서버를 운영 체제 수준에서 가상화하여 여러 개의 격리되고 안전한 가상화 서버를 단일 물리 서버에서 실행할 수 있도록 한다.

4. 1. 완전 가상화 (Full Virtualization)

완전 가상화는 가상 머신이 수정되지 않은 "게스트" 운영체제(동일한 명령어 집합을 위해 설계됨)를 격리된 상태에서 실행할 수 있도록 충분한 하드웨어를 시뮬레이션하는 것이다. 이 접근 방식은 1966년 IBM CP-40 및 CP-67에서 개척되었으며, 이는 VM 제품군의 전신이다.^[1]

완전 가상화는 하드웨어의 완전한 가상화를 말하며 유형 1 또는 2의 하이퍼바이저(hypervisor)를 사용하여 추가된다.^[1]

하이퍼바이저 유형 1: 하드웨어에 직접 접근하여 실행한다.^[1]
하이퍼바이저 유형 2: 리눅스와 같은 다른 운영 체제에서 실행한다.^[1]

각 가상 머신은 기초 하드웨어의 지원을 받는 아무 운영 체제에서나 실행할 수 있다. 사용자들은 두 개 이상의 다른 게스트 운영 체제들을 별도의 "개인" 가상 컴퓨터에서 동시에 실행할 수 있다.^[1] 가상 머신은 에뮬레이터의 역할을 수행할 수도 있는데, 다른 컴퓨터 프로세서를 위해 쓰인 응용 소프트웨어와 운영 체제가 동작할 수 있게 도와준다.^[1]

몇몇 가상 머신들은 자세한 규격으로 존재하는 하드웨어만 가상으로 구현한다. 예를 들면 다음과 같다.^[1]

가상 머신 규격
p-code machine 규격
자바 가상 머신 규격
닷넷 프레임워크 규격의 심장부인 공통 언어 하부구조
오픈 펌웨어

이 기술은 다양한 컴퓨터가 해당 규격에 맞춰 쓰인 아무 소프트웨어나 실행할 수 있게 해준다. 가상 머신 소프트웨어 자체만, 그 소프트웨어가 실행되는 각 컴퓨터에 맞춰 쓰인다.^[1]

메인프레임 분야 외의 예로는 Parallels Workstation, Parallels Desktop for Mac, VirtualBox, Virtual Iron, Oracle VM, Virtual PC, Virtual Server, Hyper-V, VMware Fusion, VMware Workstation, VMware Server (단종, 이전 명칭: GSX Server), VMware ESXi, QEMU, Adeos, Mac-on-Linux, Win4BSD, Win4Lin Pro, 및 Egenera vBlade 기술이 있다.^[1]

4. 2. 하드웨어 지원 가상화 (Hardware-Assisted Virtualization)

하드웨어 지원 가상화는 하드웨어가 가상 머신 모니터(VMM)를 구축하고 게스트 운영 체제(OS)가 격리된 상태로 실행될 수 있도록 지원하는 아키텍처적 지원을 제공한다. 이는 완전한 가상화의 한 형태로, 유형 1 또는 2 하이퍼바이저를 통해 구현된다.

하이퍼바이저 유형 1은 하드웨어에 직접 접근하여 실행된다.
하이퍼바이저 유형 2는 리눅스와 같은 다른 운영 체제에서 실행된다.

각 가상 머신은 기초 하드웨어의 지원을 받는 아무 운영 체제에서나 실행할 수 있으며, 사용자들은 두 개 이상의 다른 게스트 운영 체제들을 별도의 "개인" 가상 컴퓨터에서 동시에 실행할 수 있다.

하드웨어 지원 가상화는 1972년 VM/370과 함께 IBM System/370에서 처음 도입되었다.^[1] 이는 IBM이 공식 제품으로 제공한 최초의 가상 머신 운영 체제였다.

2005년과 2006년에 인텔(Intel)과 AMD는 가상화를 지원하기 위한 추가 하드웨어를 제공했다. 썬 마이크로시스템즈(Sun Microsystems)(현재 오라클(Oracle Corporation))는 2005년 UltraSPARC T-Series 프로세서에 유사한 기능을 추가했다.

이러한 하드웨어에 적용된 가상화 플랫폼에는 KVM, VMware Workstation, VMware Fusion, Hyper-V, Windows Virtual PC, Xen, Parallels Desktop for Mac, Oracle VM Server for SPARC, VirtualBox, Parallels Workstation 등이 있다.

하지만 2006년에는 1세대 32비트 및 64비트 x86 하드웨어 지원이 소프트웨어 가상화보다 성능상의 이점을 거의 제공하지 않는 것으로 밝혀졌다.

4. 3. 운영 체제 수준 가상화 (OS-Level Virtualization)

운영 체제 수준 가상화는 서버 가상화 기술의 하나로, 서버 컴퓨터를 운영 체제(커널) 계층에서 가상화한다. 이는 단일 물리 서버를 여러 개의 작은 파티션(가상 환경(VE), 가상 사설 서버(VPS), 게스트, 존 등)으로 나누는 것으로 생각할 수 있다.

각 파티션은 사용자 관점에서 실제 서버와 비슷하게 보인다. "게스트" 운영 체제 환경은 호스트 시스템과 동일한 운영 체제 인스턴스를 공유한다. 따라서 동일한 운영 체제 커널이 "게스트" 환경을 구현하는 데에도 사용되며, 특정 "게스트" 환경에서 실행되는 응용 프로그램은 이를 독립 실행형 시스템으로 간주한다.

초기 구현은 FreeBSD jail이었으며, 다른 예로는 도커, 솔라리스 컨테이너, OpenVZ, Linux-VServer, LXC, AIX Workload Partitions, Parallels Virtuozzo Containers, iCore Virtual Accounts 등이 있다.

5. 가상 머신 관련 기술

가상 머신 관련 기술로는 스냅샷, 마이그레이션, 페일오버, 중첩 가상화 등이 있다.

'''스냅샷'''은 가상 머신의 특정 시점 상태를 저장하여 나중에 복원하는 기능이다.
'''마이그레이션'''은 가상 머신을 다른 호스트 머신으로 이동하는 기술이다.
'''페일오버'''는 호스트 장애 발생 시 가상 머신이 백업 서버에서 작업을 계속하도록 하는 기술이다.
'''중첩 가상화'''는 가상 머신 내에서 다른 가상 머신을 실행하는 기능이다.

5. 1. 스냅샷 (Snapshots)

'''스냅샷'''은 가상 머신, 일반적으로는 가상 머신의 저장 장치의 특정 시점의 상태를 의미한다. 스냅샷을 사용하면 스냅샷 당시의 가상 머신 상태를 나중에 복원하여, 이후에 발생한 모든 변경 사항을 효과적으로 되돌릴 수 있다. 이러한 기능은 예를 들어 위험한 작업을 수행하기 전에 백업 기술로 유용하게 사용될 수 있다.

가상 머신은 저장 공간으로 가상 디스크를 자주 사용한다. 매우 간단한 예로, 10-기가바이트 하드 디스크 드라이브는 10기가바이트 플랫 파일로 시뮬레이션된다. VM이 물리적 디스크의 특정 위치에 대한 요청을 할 때마다 해당 요청은 투명하게 해당 파일에 대한 작업으로 변환된다. 이러한 변환 계층이 존재하면, 다양한 기준에 따라 작업을 가로채어 다른 파일로 보낼 수 있다. 스냅샷을 찍을 때마다 새로운 파일이 생성되어 이전 파일의 오버레이로 사용된다. 새로운 데이터는 최상위 오버레이에 기록되지만, 기존 데이터를 읽으려면 오버레이 계층 구조를 스캔해야 하므로 가장 최근 버전의 데이터에 접근하게 된다. 따라서 스냅샷의 전체 스택은 가상적으로 단일 일관성 있는 디스크가 된다. 이런 의미에서 스냅샷 생성은 증분 백업 기술과 유사하게 작동한다.

가상 머신의 다른 구성 요소(예: 램, BIOS 설정 또는 구성 설정)도 스냅샷에 포함될 수 있다. 비디오 게임 콘솔 에뮬레이터의 "저장 상태" 기능이 이러한 스냅샷의 예이다.

스냅샷을 복원하는 것은 해당 스냅샷 이후에 추가된 모든 오버레이 계층을 폐기하거나 무시하고, 새로운 변경 사항을 새로운 오버레이로 보내는 것으로 구성된다.

5. 2. 마이그레이션 (Migration)

앞서 설명한 스냅샷은 자체 하이퍼바이저를 갖춘 다른 호스트 머신으로 이동할 수 있다. 가상 머신(VM)이 일시 중지되고, 스냅샷이 생성되며, 이동된 다음 새로운 호스트에서 다시 시작되는 과정을 마이그레이션이라고 한다. 이전 스냅샷이 정기적으로 동기화되어 유지되는 경우, 이 작업은 매우 빠르게 수행될 수 있으며, 가상 머신(VM)이 이전 물리적 호스트가 물리적 유지 보수를 위해 다운되는 동안에도 중단 없는 서비스를 제공할 수 있다.^[1]

5. 3. 페일오버 (Failover)

위에 설명된 마이그레이션 메커니즘과 유사하게, 페일오버는 호스트에 장애가 발생할 경우 가상 머신이 작업을 계속할 수 있도록 한다. 일반적으로 마이그레이션이 작동을 멈춘 경우에 발생한다. 그러나 이 경우, 가상 머신은 백업 서버가 마지막으로 제공받은 자료를 기반으로 "현재" 상태가 아닌 "마지막으로 알려진" 일관된 상태부터 작업을 계속한다.

5. 4. 중첩 가상화 (Nested Virtualization)

중첩 가상화는 가상 머신 내에서 다른 가상 머신을 실행하는 기능을 말하며, 이 개념은 임의의 깊이까지 확장될 수 있다. 즉, 중첩 가상화는 다른 하이퍼바이저 내에서 하나 이상의 하이퍼바이저를 실행하는 것을 의미한다. 중첩 게스트 가상 머신의 특성은 호스트 가상 머신과 동일할 필요가 없다. 예를 들어, 애플리케이션 가상화는 하드웨어 가상화를 사용하여 생성된 가상 머신 내에서 배포할 수 있다.^[2]

중첩 가상화는 널리 사용되는 운영 체제가 내장된 하이퍼바이저 기능을 갖게 되면서 더욱 필요해졌다. 이는 가상화된 환경에서 주변 하이퍼바이저가 중첩 가상화를 지원하는 경우에만 사용할 수 있다. 예를 들어, 윈도우 7은 내장된 가상 머신 내에서 윈도우 XP 애플리케이션을 실행할 수 있다. 또한, 기존 가상화된 환경을 서비스형 인프라(IaaS) 접근 방식에 따라 클라우드로 이동하는 것은 대상 IaaS 플랫폼이 중첩 가상화를 지원하지 않는 경우 훨씬 더 복잡해진다.^[3]^[4]

중첩 가상화가 특정 컴퓨터 아키텍처에서 구현될 수 있는 방식은 지원되는 하드웨어 지원 가상화 기능에 따라 달라진다. 특정 아키텍처가 중첩 가상화에 필요한 하드웨어 지원을 제공하지 않는 경우, 이를 활성화하기 위해 다양한 소프트웨어 기술이 사용된다.^[3] 시간이 지남에 따라 더 많은 아키텍처가 필요한 하드웨어 지원을 얻게 되었다. 예를 들어, Haswell 마이크로아키텍처(2013년 발표) 이후, 인텔은 중첩 가상화를 가속화하는 기술로서 VMCS 섀도잉을 포함하기 시작했다.^[5]

6. 가상 머신을 지원하는 하드웨어 및 소프트웨어 목록

가상 머신은 크게 하드웨어 가상화, 시스템 가상 머신, 프로세스 가상 머신, 운영 체제 수준 가상화로 나눌 수 있다.

하드웨어 가상화: 1972년 IBM System/370과 함께 VM/370에서 처음 도입되었다.^[1] 인텔, AMD 등에서 관련 기술을 제공한다.
시스템 가상 머신: 여러 운영 체제를 실행하는 가상 머신들이 기초가 되는 물리 컴퓨터를 다중화한다. 하이퍼바이저라고 불리는 소프트웨어 계층이 가상화를 제공한다.
프로세스 가상 머신: 단일 프로세스를 지원하며, 플랫폼 독립적인 프로그래밍 환경을 제공한다. 자바 가상 머신, .NET Framework 등이 대표적이다.
운영 체제 수준 가상화: 물리 서버를 운영 체제 수준에서 가상화하여 여러 개의 격리된 가상 서버를 실행한다. FreeBSD jail, 도커 등이 있다.

각 가상화 방식별 지원 하드웨어 및 소프트웨어 목록은 다음과 같다.
하드웨어 가상화 지원 하드웨어 목록

제조사	제품명	비고
AMD	AMD-V	이전 코드명 Pacifica
ARM	ARM 트러스트존
보스톤 서킷	gCore	grid-on-chip, 16개의 ARC 750D 코어와 시분할 하드웨어 가상화 모듈
Freescale	PowerPC MPC8572, MPC8641D
IBM	System/370, System/390, zSeries 메인프레임
인텔	인텔 VT	이전 코드명 Vanderpool
썬 마이크로시스템즈	Logical Domains	SPARC

시스템 가상 머신 소프트웨어 목록

vThere
ATL
Bochs
CoLinux
Denali
FAU머신
Integrity Workstation
[http://lilyvm.sourceforge.net LilyVM]
마이크로소프트 버추얼 PC, 마이크로소프트 버추얼 서버
OKL4
페러럴즈 워크스테이션
페러럴즈 데스크톱
QEMU
SheepShaver
Simics
SVISTA
Trango real-time embedded hypervisor
twoOStwo
유저 모드 리눅스
Virtual Iron
VM - IBM
VMware (ESX Server, Fusion, Virtual Server, Workstation, Player, ACE)
Xen
KVM
버추얼박스

프로세스 가상 머신 소프트웨어 목록

아키텍처	구현	특징
ActionScript 가상 머신	Adobe AIR Adobe Flash Player	스택 머신
CLI	PlayStation Mobile .NET Framework DotGNU Portable.NET .net by au Mono SSCLI	CLR 스택 머신
Erlang VM^영어	BEAM^영어
자바 가상 머신	GNU Interpreter for Java HotSpot IKVM.NET Kaffe leJOS Microsoft VM SableVM	스택 머신
	Lazy Virtual Machine
LLVM		최적화를 위한 컴파일러 기반
Lua VM	Lua	레지스터형의 심플한 아키텍처
Parrot 가상 머신	Parrot	레지스터형
P 코드 머신	UCSD Pascal
Python 가상 머신^[9]	CPython	스택 머신
Smalltalk VM	Smalltalk-72/74/76/78/80 ObjectWorks VisualWorks Squeak VisualAge Smalltalk Little Smalltalk GNU Smalltalk Smalltalk/V Smalltalk/X 기타	스택 머신

이론적으로 설계되었지만, 실행을 최적화하기 위해 이에 상응하는 하드웨어가 제작되는 경우도 있다.

파스칼의 P-코드 머신은 웨스턴 디지털 MCP-1600 칩셋이 제작되었다.
자바에는 썬 마이크로시스템즈의 :en:picoJava와 같은 :en:Java processor가 있다.
ARM 아키텍처에는 Jazelle이라고 불리는 자바 바이트코드를 위한 확장 기능이 있다.

운영 체제 수준 가상화 소프트웨어 목록

OpenVZ
Virtuozzo
FreeVPS
Linux-VServer
FreeBSD Jail
Solaris Containers
도커 (Docker)
LXC
AIX Workload Partitions
Parallels Virtuozzo Containers
iCore Virtual Accounts

^[1]

6. 1. 하드웨어

하드웨어 지원 가상화에서 하드웨어는 가상 머신 모니터를 구축하고 게스트 OS가 격리된 상태로 실행될 수 있도록 지원하는 아키텍처적 지원을 제공한다. 하드웨어 지원 가상화는 1972년 IBM System/370과 함께 VM/370에서 처음 도입되었으며, 이는 IBM이 공식 제품으로 제공한 최초의 가상 머신 운영 체제이다.^[1]

2005년과 2006년에 인텔(Intel)과 AMD는 가상화를 지원하기 위한 추가 하드웨어를 제공했다. 썬 마이크로시스템즈(Sun Microsystems)(현재 오라클(Oracle Corporation))는 2005년 UltraSPARC T-Series 프로세서에 유사한 기능을 추가했다. 이러한 하드웨어에 적응된 가상화 플랫폼의 예로는 KVM, VMware Workstation, VMware Fusion, Hyper-V, Windows Virtual PC, Xen, Parallels Desktop for Mac, Oracle VM Server for SPARC, VirtualBox, Parallels Workstation 등이 있다.

2006년에는 1세대 32비트 및 64비트 x86 하드웨어 지원이 소프트웨어 가상화보다 성능상의 이점을 거의 제공하지 않는 것으로 밝혀졌다.

다음은 하드웨어 가상화를 지원하는 주요 하드웨어 목록이다.

제조사	제품명	비고
AMD	AMD-V	이전 코드명 Pacifica
ARM	ARM 트러스트존
보스톤 서킷	gCore	grid-on-chip, 16개의 ARC 750D 코어와 시분할 하드웨어 가상화 모듈
Freescale	PowerPC MPC8572, MPC8641D
IBM	System/370, System/390, zSeries 메인프레임
인텔	인텔 VT	이전 코드명 Vanderpool
썬 마이크로시스템즈	Logical Domains	SPARC

6. 2. 시스템 가상 머신 소프트웨어

시스템 가상 머신은 하드웨어 가상 머신이라고도 불리며, 여러 운영 체제를 실행하는 가상 머신들이 기초가 되는 물리 컴퓨터를 다중화(multiplex)한다. 가상화를 제공하는 소프트웨어 계층은 가상 머신 모니터 또는 하이퍼바이저라고 부른다. 하이퍼바이저는 하드웨어 자체 또는 호스트 운영 체제 위에서 실행될 수 있다.

시스템 가상 머신의 주요 이점은 다음과 같다.

여러 운영 체제 환경이 완벽히 고립된 채로 같은 컴퓨터에서 존재할 수 있다.
가상 머신은 실제 컴퓨터가 제공하는 것과 다른 형태의 명령어 집합 구조 (ISA)를 제공할 수 있다.

여러 개의 가상 머신들이 각각 자체 운영체제를 실행하는 것을 게스트 운영 체제라고 하며, 이는 서버 통합(server consolidation)에 사용된다. 각 가상 머신은 같은 물리 컴퓨터에서 실행되지만, 서로 다른 장치가 충돌하지 않도록 격리된다. 이러한 사용을 제품 품질의 고립(QoS 고립)이라고 한다.

여러 운영 체제를 사용하려는 목적은 가상 머신의 원래 취지였으며, 여러 개의 단일 작업 운영 체제들 사이에서 시분할을 가능하게 했다.

게스트 운영 체제들은 모두 같을 필요가 없다. 즉, 같은 컴퓨터에서 마이크로소프트 윈도우와 리눅스와 같이 서로 다른 운영체제를 실행하거나, 최신 버전에서 지원하지 않는 소프트웨어를 지원하기 위해 옛날 버전의 운영체제를 설치할 수 있다. 다른 게스트 운영체제를 지원하기 위해 가상 머신을 사용하는 것은 임베디드 시스템에서 인기가 높다. 일반적으로 실시간 운영 체제를 리눅스나 윈도와 같은 높은 수준의 운영 체제와 함께 지원한다.

다른 사용 예로는 신뢰할 수 없는 운영체제를 sandbox하는 것이 있다. 이는 개발 중인 시스템일 수 있기 때문이다. 가상 머신은 더 나은 오류 수정 접근과 더 빠른 다시 시작 등 운영 체제 개발에 다른 이점들을 제공한다.

QoS 고립을 위한 가상 머신의 인기는 대부분의 동시대 운영 체제가 제공하는 불완전한 자원 고립을 이끈다. 솔라리스 존은 강력한 자원 고립을 제공하는 대안이다. 존은 가상 머신이 아니지만 "운영 체제 가상화"의 예이다. 여기에는 Virtuozzo, FreeBSD Jail, Linux-VServer, chroot jail, OpenVZ와 같은 가상 환경(가상 서버)이 포함된다. 이러한 환경은 운영 체제 안의 프로세스를 특정 형태로 둘러싼다.

시스템 가상 머신 소프트웨어의 예시는 다음과 같다.

vThere
ATL
Bochs
CoLinux
Denali
FAU머신
Integrity Workstation
[http://lilyvm.sourceforge.net LilyVM]
마이크로소프트 버추얼 PC, 마이크로소프트 버추얼 서버
OKL4
페러럴즈 워크스테이션
페러럴즈 데스크톱
QEMU
SheepShaver
Simics
SVISTA
Trango real-time embedded hypervisor
twoOStwo
유저 모드 리눅스
Virtual Iron
VM - IBM
VMware (ESX Server, Fusion, Virtual Server, Workstation, Player, ACE)
Xen
KVM
버추얼박스

6. 3. 프로세스 가상 머신 소프트웨어

아키텍처	구현	특징
ActionScript 가상 머신	Adobe AIR Adobe Flash Player	스택 머신
CLI	PlayStation Mobile .NET Framework DotGNU Portable.NET .net by au Mono SSCLI	CLR 스택 머신
Erlang VM^영어	BEAM^영어
자바 가상 머신	GNU Interpreter for Java HotSpot IKVM.NET Kaffe leJOS Microsoft VM SableVM	스택 머신
	Lazy Virtual Machine
LLVM		최적화를 위한 컴파일러 기반
Lua VM	Lua	레지스터형의 심플한 아키텍처
Parrot 가상 머신	Parrot	레지스터형
P 코드 머신	UCSD Pascal
Python 가상 머신^[9]	CPython	스택 머신
Smalltalk VM	Smalltalk-72/74/76/78/80 ObjectWorks VisualWorks Squeak VisualAge Smalltalk Little Smalltalk GNU Smalltalk Smalltalk/V Smalltalk/X 기타	스택 머신

이러한 가상 머신은 이론적으로 설계되었지만, 실행을 최적화하기 위해 이에 상응하는 하드웨어가 제작되는 경우도 있다.

파스칼의 P-코드 머신은 웨스턴 디지털 MCP-1600 칩셋이 제작되었다.
자바에는 썬 마이크로시스템즈의 :en:picoJava와 같은 :en:Java processor가 있다.
ARM 아키텍처에는 Jazelle이라고 불리는 자바 바이트코드를 위한 확장 기능이 있다.

프로세스 VM은 때때로 ''응용 가상 머신'' 또는 ''관리형 런타임 환경''(MRE)이라고도 하며, 호스트 OS 내에서 일반적인 응용 프로그램으로 실행되며 단일 프로세스를 지원한다. 해당 프로세스가 시작될 때 생성되고 종료될 때 파괴된다. 그 목적은 기본 하드웨어 또는 운영 체제의 세부 사항을 추상화하고 모든 플랫폼에서 동일한 방식으로 프로그램을 실행할 수 있도록 하는 시스템 플랫폼 독립적인 프로그래밍 환경을 제공하는 것이다.

프로세스 VM은 고급 프로그래밍 언어의 높은 수준의 추상화를 제공한다(시스템 VM의 낮은 수준의 ISA 추상화와 비교). 프로세스 VM은 인터프리터를 사용하여 구현된다. JIT 컴파일을 사용하여 컴파일된 프로그래밍 언어와 비슷한 성능을 얻을 수 있다.

이 유형의 VM은 자바 프로그래밍 언어에서 인기를 얻었으며, 이는 자바 가상 머신을 사용하여 구현된다. 다른 예로는 패럿 가상 머신과 .NET Framework가 있으며, 이는 공용 언어 런타임이라는 VM에서 실행된다. 이들은 모두 모든 컴퓨터 언어에 대한 추상화 계층 역할을 할 수 있다.

프로세스 VM의 특별한 경우는 (잠재적으로 이기종인) 컴퓨터 클러스터의 통신 메커니즘을 추상화하는 시스템이다. 이러한 VM은 단일 프로세스로 구성되지 않고 클러스터의 각 물리적 머신당 하나의 프로세스로 구성된다. 프로그래머가 상호 연결 및 OS에서 제공하는 통신 메커니즘이 아닌 알고리즘에 집중할 수 있도록 하여 동시 응용 프로그램을 프로그래밍하는 작업을 쉽게 하도록 설계되었다. 통신이 발생한다는 사실을 숨기지 않으므로 클러스터를 단일 머신으로 표시하려고 시도하지 않는다.

다른 프로세스 VM과 달리 이러한 시스템은 특정 프로그래밍 언어를 제공하지 않고 기존 언어에 포함되어 있다. 일반적으로 이러한 시스템은 여러 언어(예: C 및 포트란)에 대한 바인딩을 제공한다. 예로는 PVM과 MPI가 있다.

소프트웨어를 통한 가상 CPU에서 바이트 코드를 실행하는 방식이 일반적이다. 바이트 코드의 실행 방식에는 인터프리터 방식, 실행 전에 모든 바이트 코드를 네이티브 코드로 변환하는 사전 컴파일 방식, 실행 시 컴파일 방식이 있다. 현재는 성능 측면에서 실행 시 컴파일 방식이 주류를 이룬다. 하드웨어 제약이 없다는 것이 특징이며, 형식화된 연산을 지원하는 가상 머신도 있다.

몇몇 가상 머신들은 자세한 규격으로 존재하는 하드웨어만 가상으로 구현한다.

p-code machine 규격: 프로그래머들이 파스칼 언어 프로그램을 해당 규격을 올바르게 지원하는 가상 머신 소프트웨어가 돌아가는 아무 컴퓨터에서나 쓸 수 있다.
자바 가상 머신 규격
닷넷 프레임워크 규격의 심장부인 공통 언어 하부구조
오픈 펌웨어: 플러그인 하드웨어가 아무 종류의 CPU에서나 시동 시간 진단, 설정 구성 코드, 장치 드라이버를 포함하여 실행할 수 있다.

이 기술은 다양한 컴퓨터가 해당 규격에 맞춰 쓰인 아무 소프트웨어나 실행할 수 있게 해 준다. 가상 머신 소프트웨어 자체만, 그 소프트웨어가 실행되는 각 컴퓨터에 맞춰 쓰인다.

공통 언어 런타임 - C#, 비주얼 베이직 .NET, J#, Managed C++
EiffelStudio for the 에펠 프로그래밍 언어
얼랑
포스 버추얼 머신 - 포스
Glulx - Glulx, Z-code
Hec - Hasm Assembler
인페르노 - 림보
자바 가상 머신 - 자바, 나이스, NetREXX
Low Level 버추얼 머신 (LLVM) - currently C, C++, Stacker
루아
어도비 플래시 플레이어 - SWF
MMIX - MMIXAL
Neko 버추얼 머신 - currently Neko, haXe
O-code 머신 - BCPL
p-code 머신 - 파스칼
패럿 - 펄 6
펄 가상 머신 - 펄
Portable.NET - C#, Visual Basic .NET, J#, Managed C++
YARV - 루비
ScummVM - Scumm
SECD 머신 - ISWIM, Lispkit Lisp
Sed: 스트림 편집기는 2개의 저장 공간을 가진 VM으로도 볼 수 있다.
스몰토크 가상 머신 - 스몰토크
SQLite 버추얼 머신 - SQLite opcodes
Squeak 버추얼 머신 - Squeak
SWEET16
트루타입 버추얼 머신 - 트루타입
Valgrind - x86/x86-64 코드에서 메모리 접근 및 누수 확인 (리눅스 환경)
VX32 버추얼 머신 - 응용 프로그램 수준 가상화 (네이티브 코드)
VP (Tao Group, 영국)
Waba - 소형 장치를 위한 가상 머신 (자바와 유사)
Warren Abstract 머신 - Prolog, CSC GraphTalk
Z-머신 - Z-코드
Zend Engine - PHP

현대의 가상 머신은 컴파일을 위한 중간 대상으로서나 인터프리터에서 직접 구현할 플랫폼으로서 사용되는데, 그 예로 2013년에 공개된 ART은 바이트코드를 네이티브 코드로 컴파일하며, 초기의 달빅 가상 머신은 바이트코드를 해석한다. 가상 머신은 에뮬레이터의 역할을 수행할 수도 있는데, 다른 컴퓨터 프로세서를 위해 쓰인 응용 소프트웨어와 운영 체제가 동작할 수 있게 도와준다.

6. 4. 운영 체제 수준 가상화 소프트웨어

OS 수준 가상화는 물리 서버를 운영 체제 수준에서 가상화하여 여러 개의 격리되고 안전한 가상화 서버를 단일 물리 서버에서 실행할 수 있도록 한다. "게스트" 운영 체제 환경은 호스트 시스템과 동일한 운영 체제 인스턴스를 공유한다. 따라서 동일한 운영 체제 커널이 "게스트" 환경을 구현하는 데에도 사용되며, 특정 "게스트" 환경에서 실행되는 응용 프로그램은 이를 독립 실행형 시스템으로 본다.

OS 수준 가상화의 초기 구현은 FreeBSD jail이며, 다른 예로는 다음과 같은 것들이 있다.

OpenVZ
Virtuozzo
FreeVPS
Linux-VServer
FreeBSD Jail
Solaris Containers
도커 (Docker)
LXC
AIX Workload Partitions
Parallels Virtuozzo Containers
iCore Virtual Accounts

^[1]

참조

_[1] 논문 The Ideal Versus the Real: Revisiting the History of Virtual Machines and Containers 2019
_[2] 웹사이트 Nested virtualization: Shadow turtles https://www.linux-kv[...] KVM forum 2021-05-07
_[3] 웹사이트 The Turtles Project: Design and Implementation of Nested Virtualization https://www.usenix.o[...] 2014-12-16
_[4] 웹사이트 HVX: Virtualizing the Cloud http://0b4af6cdc2f0c[...] 2014-12-16
_[5] 웹사이트 4th-Gen Intel Core vPro Processors with Intel VMCS Shadowing https://www-ssl.inte[...] Intel 2014-12-16
_[6] 서적 Foundations of modern networking: SDN, NFV, QoE, IoT, and Cloud https://www.worldcat[...]
_[7] 웹사이트 Hypervisor {{!}} Apple Developer Documentation https://web.archive.[...] 2018-02-09
_[8] 웹사이트 Virtualization https://developer.ap[...] 2022-08-18
_[9] 웹사이트 dis --- Python バイトコードの逆アセンブラ https://docs.python.[...] 2024-03-26
_[10] 서적 Virtual machines: versatile platforms for systems and processes Elsevier 2005
_[11] 서적 Smalltalk-80: The Language and its Implementation https://archive.org/[...] Addison-Wesley 1983
_[12] 콘퍼런스 Efficient implementation of the Smalltalk-80 system http://portal.acm.or[...] ACM 1984
_[13] 저널 A brief history of just-in-time http://portal.acm.or[...] 2003

가상 머신

1. 개요

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2. 역사

2. 1. 초기 발전 (1960년대 ~ 1970년대)

2. 2. 1980년대 이후 발전

3. 정의

3. 1. 시스템 가상 머신

3. 2. 프로세스 가상 머신

4. 가상화 기술

4. 1. 완전 가상화 (Full Virtualization)

4. 2. 하드웨어 지원 가상화 (Hardware-Assisted Virtualization)

4. 3. 운영 체제 수준 가상화 (OS-Level Virtualization)

5. 가상 머신 관련 기술

5. 1. 스냅샷 (Snapshots)

5. 2. 마이그레이션 (Migration)

5. 3. 페일오버 (Failover)

5. 4. 중첩 가상화 (Nested Virtualization)

6. 가상 머신을 지원하는 하드웨어 및 소프트웨어 목록

6. 1. 하드웨어

6. 2. 시스템 가상 머신 소프트웨어

6. 3. 프로세스 가상 머신 소프트웨어

6. 4. 운영 체제 수준 가상화 소프트웨어

참조

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