중첩 하드웨어 가상화: 요구 사항, 활용 및 구성

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최신 하드웨어에서 중첩 가상화는 복잡한 랩, 테스트 환경 또는 보안 시나리오를 구축해야 하는 IT 팀, 개발자 및 교육 담당자에게 물리적 서버를 데이터 센터에 가득 채우지 않고도 구현할 수 있는 필수적인 도구가 되었습니다. 간단히 말해, 중첩 가상화를 사용하면 적절한 성능을 유지하고 리소스 관리를 세밀하게 조정하면서 다른 가상 머신 내에서 가상 머신을 실행할 수 있습니다.

단순히 "VM 안에 VM을 넣는" 방식을 넘어, 중첩 가상화는 유연한 DevOps 파이프라인, 현실적인 교육 환경, 격리된 보안 테스트, 그리고 온프레미스 Hyper-V부터 Azure 또는 VMware ESXi의 가상 머신에 이르기까지 다양한 플랫폼에서 IoT 엣지 배포를 가능하게 합니다. 하지만 모든 것이 예상대로 작동하려면 하드웨어와 하이퍼바이저 구성이 매우 특정한 요구 사항을 충족해야 합니다.

중첩 가상화란 정확히 무엇이며 왜 중요한가요?

중첩 가상화란 가상 머신이 다른 내부 가상 머신을 위한 가상화 호스트 역할을 할 수 있는 기능을 말합니다 . 다시 말해, 물리적 하드웨어에 최상위 하이퍼바이저(예: Windows Server의 Hyper-V 또는 Azure Local)가 있고, 그 최상위 가상 머신 내부에 Hyper-V 또는 다른 호환 가능한 하이퍼바이저를 설치하여 더 많은 가상 머신을 생성할 수 있습니다.

Hyper-V의 경우, 중첩 가상화를 통해 Hyper-V 역할을 게스트 가상 머신 내부에 설치할 수 있으며 , 이 게스트 가상 머신은 Hyper-V가 설치된 물리적 호스트에서 실행됩니다. 이 "중간" 가상 머신은 프로세서의 가상화 확장 기능을 내부 가상 머신에 노출시켜, 실제로는 여러 계층이 존재함에도 불구하고 마치 하드웨어에 더 가까운 것처럼 동작하게 합니다.

이 기능은 처음에는 인텔 프로세서용 Windows Server 2016 및 Windows 10 에 도입되었으며 , 이후 Windows Server, Windows 11 및 AMD 프로세서의 최신 버전으로 지원 범위가 확장되었습니다. 현재 이 기능은 마이크로소프트 공식 문서에 통합되어 있으며 타사 솔루션에서도 활용되는 성숙한 기능입니다.

실질적인 가치는 분명합니다. 중첩 가상화를 통해 새로운 랙을 구매하거나 데이터 센터 공간을 예약하지 않고도 프로덕션 환경을 복제하고, 전체 클러스터를 구축하고, 위험한 구성을 테스트하거나 , 다계층 네트워크를 시뮬레이션할 수 있습니다. 많은 기업에게 있어 이러한 방식이 제공하는 비용 절감과 민첩성은 약간의 성능 저하를 충분히 상쇄하고도 남습니다.

중첩 가상화의 일반적인 사용 사례

가장 일반적인 시나리오 중 하나는 복잡한 테스트 랩을 구축하는 것입니다 . 개발 및 QA 팀은 단일 메인 가상 머신 내에서 다계층 애플리케이션 스택(데이터베이스, 미들웨어, 프런트엔드)을 완전히 구축할 수 있으며, 그 안에 프로덕션 환경을 복제하는 데 필요한 모든 내부 VM을 호스팅할 수 있습니다.

또한 기술 교육 및 개발 환경 에서도 매우 유용합니다 . 강사는 호스트 VM을 설정하여 각 학생이 회사의 "실제" 인프라에 접근하지 않고도 게스트 가상 머신을 생성하고, 네트워크를 구성하고, 서버 역할을 테스트하거나 컨테이너를 배포할 수 있도록 할 수 있습니다. 모든 작업은 쉽게 삭제할 수 있는 샌드박스 내에서 이루어집니다.

또 다른 일반적인 용도는 새로운 소프트웨어 버전의 평가 및 테스트 입니다 . 관리자는 물리적 호스트에서 민감한 구성을 직접 변경하는 대신, 중첩된 가상화된 VM에서 시나리오를 재현하고 프로덕션 환경에 배포하기 전에 패치, 새 릴리스 또는 보안 변경 사항을 검증할 수 있습니다.

중첩 가상화는 가상화 기반 보안(VBS)이나 다양한 수준의 하이퍼바이저 기능을 활용하는 특정 격리와 같은 고급 보안 기능을 구현하는 데 중요한 역할을 합니다 . 이를 통해 추가 하드웨어 없이 특정 환경을 강화할 수 있습니다.

IoT 분야에서 중첩 가상화는 Windows 기반 Linux용 Azure IoT Edge 시나리오에 핵심적인 요소입니다 . 이러한 시나리오에서는 Windows, Linux 컨테이너 및 하이퍼바이저 기능을 로컬 환경과 VMware ESXi 또는 Azure의 가상 머신과 같은 타사 플랫폼 등 다양한 가상화 계층에서 결합해야 합니다.

중첩 가상화를 위한 하드웨어 및 소프트웨어 요구 사항

이 모든 것이 제대로 작동하려면 첫 번째 필터는 호환되는 하드웨어와 최소 운영 체제 버전 입니다 . 예를 들어 Azure 온프레미스 환경에서는 버전 2411.3 이상이 필요하며, 가상 머신의 구성 버전이 10.0 이상이어야 필요한 가상화 확장 기능을 지원할 수 있습니다.

프로세서 수준에서 인텔을 사용하는 경우 BIOS/UEFI에서 인텔 VT-x 가상화 기술을 활성화하는 것이 필수적입니다 . AMD 아키텍처의 경우 AMD-V 지원이 필요하며, 고급 시나리오에서는 가상 머신에 암호화를 추가하고 격리 및 저수준 보안을 향상시키는 SEV(Secure Encrypted Virtualization) 기술을 활성화해야 합니다.

호스트 운영 체제는 최신 패치가 적용된 Windows Server 또는 Windows 10/11의 최신 버전 이어야 합니다 . Hyper-V는 중첩 기능을 활성화하기 전에 물리적 머신에 설치되어 있어야 합니다. 호환되는 CPU가 있다고 해서 Hyper-V 기능이 기본적으로 제공되는 것은 아닙니다.

또 다른 중요한 점은 가상 머신의 상태입니다. 프로세서 매개변수를 수정하고 가상화 확장 기능을 사용하려면 중첩 호스트 역할을 하는 가상 머신이 일시 중지되거나 저장된 상태가 아닌 완전히 꺼져 있어야 합니다 . 그래야만 Hyper-V에서 고급 가상 프로세서 옵션을 변경할 수 있습니다.

마지막으로 네트워크 연결은 신중하게 계획해야 합니다. 중첩된 VM은 외부 액세스 또는 다른 계층에 대한 액세스가 필요할 수 있으므로 통신 및 필터링 문제를 방지하기 위해 내부 스위치, NAT, MAC 주소 스푸핑 또는 기타 가상 네트워킹 기술을 사용할지 여부를 처음부터 정의하는 것이 좋습니다.

PowerShell을 사용하여 Hyper-V에서 중첩 가상화를 활성화합니다.

Hyper-V에서 중첩 가상화를 활성화하는 가장 직접적이고 세부적인 방법은 PowerShell cmdlet을 사용하는 것입니다 . 이 방법은 Windows Server 및 호환되는 클라이언트 버전 모두에서 작동하며 여러 호스트 또는 가상 머신에 걸쳐 일관된 구성을 자동화할 수 있도록 해줍니다.

첫 번째 단계는 Hyper-V를 게스트 운영체제로 설치하려는 가상 머신이 다음 조건을 충족하는지 확인하는 것입니다. Hyper-V 관리자에서 꺼짐 (종료 옵션) 또는 PowerShell에서 적절한 명령어를 사용하는 방법(예: Stop-VM -Name 'NombreVM'일시 중지되거나 저장된 상태로 유지되면 프로세서 변경 사항이 올바르게 적용되지 않습니다.

가상 머신이 중지된 상태에서 Set-VMProcessor cmdlet을 사용하여 ExposeVirtualizationExtensions 옵션을 true로 설정함으로써 게스트 운영 체제에 프로세서 가상화 확장 기능을 노출해야 합니다 . 이 설정을 통해 가상 머신 내부 시스템에서 하이퍼바이저 역할을 설치하는 데 필요한 기능을 사용할 수 있습니다.

작업이 올바르게 적용되었는지 확인하려면 Get-VMProcessor 명령과 ExposeVirtualizationExtensions 필드를 선택하는 옵션을 함께 사용할 수 있습니다 . 이 옵션은 대상 VM의 가상 프로세서 구성에서 해당 값이 true로 설정되어 있는지 확인하고, 부분적으로 구성된 환경이 시작되는 것을 방지합니다.

진단 작업 중이거나 중첩된 VM이 더 이상 필요하지 않은 경우와 같이 언제든지 구성을 되돌려야 하는 경우, 동일한 프로세서 cmdlet을 다시 실행하되 값을 false로 변경하면 됩니다. 이렇게 하면 게스트 VM에 대한 가상화 확장 기능 노출이 다시 비활성화됩니다.

가상 프로세서 구성이 완료되면 `Start-VM` 명령이나 Hyper-V 관리자를 사용하여 가상 머신을 <binary data, 5 bytes>니다. 게스트 운영 체제 내에서 일반적인 방법(서버 관리자(역할 및 기능 추가), DISM, PowerShell 등)을 사용하여 Hyper-V 역할을 완전히 설치합니다. 이후부터 관리자 관점에서 가상 머신은 추가 Hyper-V 호스트처럼 작동합니다.

중첩 환경에서의 네트워크 구성 및 MAC 스푸핑

프로세서 부분이 완료되었으므로 다음 단계는 중첩된 가상 머신의 네트워크 연결 입니다 . 내부 가상 머신이 다른 네트워크, 인터넷 또는 상위 계층 컴퓨터와 통신하려면 중간 가상 머신의 가상 어댑터에서 특정 매개변수를 조정해야 합니다.

Hyper-V에서 흔히 사용되는 방법은 중첩 호스트 역할을 하는 VM의 네트워크 어댑터에 MAC 주소 스푸핑을 활성화하는 것입니다 . 이 기능을 사용하면 내부 VM이 동일한 어댑터를 통해 자체 MAC 주소를 사용하여 트래픽을 전송할 수 있으므로 물리적 호스트의 가상 스위치에서 차단 또는 필터링을 우회할 수 있습니다.

이 설정은 PowerShell에서 Set-VMNetworkAdapter cmdlet을 사용하고 MacAddressSpoofing 매개변수를 On으로 설정하여 해당 VM의 네트워크 어댑터에 적용함으로써 조정할 수 있습니다 . 이렇게 하면 하위 VM에서 발생하는 트래픽이 최상위 하이퍼바이저에 의해 차단되지 않습니다.

보다 고급 구성을 위해서는 각 계층 의 가상 스위치 및 NAT 인스턴스 토폴로지 를 미리 설계하는 것이 좋습니다 . 예를 들어, 내부 스위치를 조합하여 랩 환경을 격리하고, 계층 간에 라우팅 규칙이나 방화벽을 설정하며, 중간 호스트에서 NAT를 구성하여 중첩된 여러 VM에 직접 노출하지 않고도 인터넷 액세스를 제공할 수 있습니다.

여러 가상화 계층을 사용할 때 연결 문제는 MAC 스푸핑 비활성화, NAT 규칙 연결 오류 또는 지나치게 엄격한 방화벽 과 관련이 있는 경우가 많습니다 . 이러한 사항들을 검토하고 각 계층에서 네트워크 어댑터 또는 서비스를 재시작하면 중첩 환경에서 발생하는 대부분의 연결 문제를 해결할 수 있습니다.

관련 작업을 위한 그래픽 인터페이스 사용

중첩 가상화의 엄격한 활성화는 PowerShell에서 완전히 제어되지만, 실제로는 특히 여러 호스트를 관리하거나 구성을 시각적으로 검토하려는 경우 Hyper-V 관리자 그래픽 인터페이스를 통해 관련 작업을 수행하는 것이 훨씬 편리합니다.

일반적인 워크플로는 Hyper-V 관리자를 열고 대상 가상 머신을 찾은 다음 종료 옵션을 사용하여 전원이 꺼져 있는지 확인하는 것입니다. 이는 PowerShell 사용을 보완하고 모든 매개변수가 올바르게 구성되지 않은 가상 머신이 실수로 시작되는 것을 방지합니다.

가상화 확장 기능을 노출하는 데 필요한 cmdlet을 실행했으면 그래픽 환경으로 돌아가 VM 구성 창을 열 수 있습니다 . 여기에서 네트워크 어댑터 속성, 할당된 가상 프로세서 수 또는 중첩된 호스트 VM에 사용 가능한 메모리를 쉽게 검토하고 수정할 수 있습니다.

MAC 주소 스푸핑을 활성화 하는 옵션은 네트워크 어댑터의 고급 설정에 있습니다 . 그래픽 인터페이스를 통해 활성화하는 것은 시각적인 접근 방식을 선호하거나 모든 cmdlet 매개변수를 암기하지 않은 관리자에게 빠르고 간편한 방법입니다.

이 구성이 완료되면 물리적 호스트의 Hyper-V 콘솔 또는 중첩된 VM 내 에서 표준 도구를 사용하여 새 VM을 생성하고, 스위치를 구성하고, 역할을 추가하고, 각 랩의 요구 사항에 따라 스냅샷을 생성하는 등 일상적인 환경 관리를 양방향으로 수행할 수 있습니다.

Azure 온프레미스 및 IoT 엣지 시나리오에서의 중첩 가상화

Azure 온프레미스 환경에서 중첩 가상화는 동일한 원칙을 따르지만, 특정 버전 요구 사항과 AMD SEV 또는 보안 확장과 같은 고급 기능 에 대한 지원이 추가됩니다 . 최소 시스템 버전(2411.3 이상)이 필요하며, VM은 호환되는 구성 버전(10.0 이상)을 사용해야 합니다.

Windows에서 Linux용 Azure IoT Edge를 사용할 때 지원되는 중첩 가상화 배포 옵션은 세 가지 입니다 . 각 옵션은 서로 다른 인프라 요구 사항과 조직이 기본 환경 및 하이퍼바이저에 대해 유지하고자 하는 제어 수준에 맞춰 설계되었습니다.

첫 번째 옵션은 Hyper-V가 설치된 로컬 호스트의 Windows 가상 머신 에 IoT Edge를 배포하는 것입니다 . 이는 가장 간단한 접근 방식입니다. 해당 Windows 가상 머신에서 중첩 가상화를 활성화한 다음, Microsoft의 특정 설명서에 따라 Windows에 Azure IoT Edge for Linux를 설치하고 구성합니다.

이 경우 Hyper-V 역할이 로컬 호스트(Windows Server 또는 Azure Local)에 올바르게 설치되어 있는지 확인하는 것이 매우 중요합니다 . 호스트에서 Hyper-V가 활성화되어 있지 않으면 게스트 VM이 중첩 하이퍼바이저 역할을 수행하거나 IoT Edge에 필요한 기능을 추가 계층에 노출할 수 없습니다.

이러한 유형의 배포는 IoT 장치, Linux 컨테이너 및 Azure 서비스를 기존 Windows 인프라에 통합 해야 할 때 유연성, 성능 및 관리 용이성 간의 적절한 균형을 유지하는 데 매우 유용합니다.

VMware ESXi 및 Azure IoT Edge를 사용한 중첩 가상화

또 다른 흥미로운 시나리오는 VMware ESXi에서 호스팅되는 Windows 가상 머신 내에서 Windows 환경에서 Azure IoT Edge for Linux를 실행하려는 경우입니다 . 이 경우 중첩 가상화는 하드웨어의 Hyper-V를 직접 사용하는 대신 VMware 하이퍼바이저의 기능을 활용합니다.

VMware ESXi 버전 6.7 및 7.0에는 게스트 운영 체제에서 하드웨어 지원 가상화 에 대한 명시적인 지원이 포함되어 있어 Windows VM이 Hyper-V 호스트가 되기 위해 필요한 중첩 구조를 구현할 수 있습니다. VMware는 기술 자료에서 이 기능에 대한 자세한 요구 사항과 잠재적인 성능 고려 사항을 제공합니다.

일반적인 절차는 먼저 VMware의 표준 권장 사항에 따라 프로세서, 메모리, 스토리지 및 네트워크 어댑터를 구성하여 ESXi 호스트에 Windows 가상 머신(VM)을 생성하는 것입니다 . VM이 생성되면 고급 CPU 설정을 수정할 수 있도록 VM을 종료합니다.

ESXi 또는 vSphere Client 인터페이스에서 Windows VM을 선택하고 [설정 편집] 으로 이동한 다음, CPU 설정 섹션에서 하드웨어 가상화 섹션을 찾습니다. 거기에서 " 게스트 운영 체제에 하드웨어 지원 가상화 노출" 옵션을 활성화하면 Windows가 ESXi 내에서 실행 중일 때도 VT-x/AMD-V 확장 기능을 인식할 수 있습니다.

변경 사항을 저장하고 VM을 다시 시작한 후, Windows 클라이언트 에디션(Windows 10/11) 또는 Windows Server에 Hyper-V 하이퍼바이저를 설치합니다. 이때 IoT Edge에서 사용할 컨테이너 또는 서비스에 필요한 관리 도구 및 추가 구성 요소를 포함해야 합니다.

Azure 가상 머신의 중첩 가상화

시나리오를 한 단계 더 높여 Azure의 가상 머신을 중첩 가상화 호스트로 직접 사용할 경우 , 특히 Azure VM에서 사용하는 가상 스위치 및 기본 네트워크와 관련하여 플랫폼의 특성이 작용하게 됩니다.

Windows에서 실행되는 Azure VM의 서버 SKU에서는 적절한 가상 스위치를 활성화하는 특정 스크립트를 실행하지 않는 한 Azure IoT Edge for Linux는 기본적으로 지원되지 않습니다 . 이 스크립트는 IoT Edge 환경이 추가 가상화 계층과 함께 올바르게 작동할 수 있도록 기본 스위치를 열어줍니다.

마이크로소프트의 공식 문서는 Azure 환경에서 Windows 기반 Linux용 가상 스위치를 생성하고 구성하는 단계를 설명하며 , 이를 통해 컨테이너 및 엣지 서비스의 네트워크 요구 사항을 클라우드 네트워크 인프라의 특성에 맞출 수 있습니다.

이러한 유형의 배포에서는 VM SKU, 스토리지 유형, CPU 및 RAM 할당량을 검토하는 것이 특히 중요합니다 . 중첩 가상화는 자체적인 오버헤드를 추가하고, 전체 VM 세트의 크기가 적절하게 설정되지 않으면 내부 VM이 리소스를 집중적으로 소비할 수 있기 때문입니다.

이러한 복잡성에도 불구하고 이점은 상당합니다. Azure VM은 IoT 엣지 솔루션을 위한 테스트, 개발 또는 사전 프로덕션 플랫폼으로 사용할 수 있으며, 이러한 환경은 나중에 현장에 배포될 물리적 엣지 디바이스 또는 산업용 게이트웨이와 동일한 조건에서 구현될 수 있습니다.

특수 솔루션을 사용하여 중첩된 Hyper-V VM을 백업합니다.

중첩 가상화 환경을 설계할 때 종종 간과되는 측면 중 하나는 백업 및 재해 복구 전략 입니다 . 바로 이 부분에서 엔터프라이즈급 백업 솔루션이 중요한 역할을 합니다. 엔터프라이즈급 솔루션은 여러 가상화 계층과 병렬로 실행되는 여러 플랫폼을 포함하는 Hyper-V 환경을 제대로 관리할 수 있습니다.

이러한 솔루션 중에는 VMware, Proxmox, oVirt, OLVM, RHV, XCP-ng, XenServer, OpenStack, ZStack, 그리고 Hyper-V를 포함하여 15개 이상의 다양한 가상화 플랫폼을 지원하는 Vinchin Backup & Recovery 와 같은 도구가 있습니다 . 이러한 유형의 소프트웨어는 다양한 제조업체의 하이퍼바이저가 공존하는 이기종 인프라를 위해 설계되었습니다.

영구 증분 백업, 데이터 중복 제거 및 압축 , 세부적인 복원과 같은 기능은 스토리지 사용량을 크게 줄이고 개별 시스템, 특정 파일 또는 중요 애플리케이션의 특정 개체를 복구하는 데 필요한 시간을 단축합니다.

또한, 예약된 백업 정책과 테이프 또는 클라우드 아카이빙 옵션을 통해 각 조직의 규제 또는 내부 요구 사항에 맞춰 백업 전략을 조정할 수 있으며, 고성능 어레이의 스토리지 비용을 증가시키지 않고도 장기간 보존이 가능합니다.

웹 기반 관리 콘솔을 사용하면 중첩된 VM이 있는 Hyper-V 환경을 훨씬 간편하게 보호할 수 있습니다. 보호할 VM을 선택하고, 백업 저장소를 지정하고, 실행 전략 (시간 범위, 백업 유형, 보존 기간)을 정의한 다음 작업을 시작하면 됩니다. 이러한 솔루션 중 상당수는 성능 및 기존 인프라와의 통합을 평가할 수 있도록 몇 주간의 종합적인 평가 기간을 제공합니다.

중첩 환경에서의 한계점 및 모범 사례

중첩 가상화의 가능성은 무궁무진하지만, 하이퍼바이저 자체의 설계로 인해 발생하는 기술적 제약 도 존재하므로 , 프로덕션 환경이나 고가용성 시나리오에서 예상치 못한 문제가 발생하지 않도록 처음부터 이러한 제약을 이해해야 합니다.

중첩 가상화를 사용하는 VM의 라이브 마이그레이션 이 대표적인 예입니다 . 현재로서는 활성 중첩에 의존하는 게스트 VM을 포함하는 VM이 ​​있는 기본 호스트를 라이브 마이그레이션하는 것은 불가능합니다. Microsoft는 이러한 제한 사항을 문서화했으며, 이러한 환경에서는 제어된 종료를 통해 업데이트 또는 호스트 이동을 계획하는 것이 좋습니다.

여러 계층에 걸쳐 리소스 사용량을 모니터링하려면 통합적인 전략이 필요합니다. 최상위 호스트에서는 Hyper-V 관리자, 성능 카운터, Get-VM과 같은 cmdlet을 사용하고 , 하위 호스트에서도 유사한 도구를 동시에 사용하여 CPU, 메모리, 네트워크 및 스토리지에 걸쳐 부하가 어떻게 분산되는지 명확하게 파악하는 것이 좋습니다.

내부 가상 머신(VM)이 갑자기 네트워크 연결이 끊기는 경우는 대개 방화벽 규칙 변경, NAT 문제 또는 관련 어댑터 중 하나에서 MAC 스푸핑 설정이 비활성화된 것이 원인입니다 . 모든 수준을 확인하고 구성을 검증한 다음 영향을 받는 네트워크 서비스를 재시작하면 이러한 장애의 대부분이 해결됩니다.

일반적으로 중첩 가상화를 배포하기 전에 환경의 목표, 계층 수, 실행할 워크로드 유형 및 백업 정책을 명확하게 정의하는 것이 좋습니다. 이러한 초기 설계는 연구실 또는 테스트 환경이 장기적으로 지속 가능한지, 그리고 유지 관리가 어려운 복잡한 구조로 변질되지 않는지를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.

요약하자면, Hyper-V 및 기타 플랫폼의 중첩 가상화를 통해 기존 하드웨어를 훨씬 더 효율적으로 활용하고, CPU 요구 사항, 시스템 버전 및 네트워크 구성을 준수하는 한, 연구실, 테스트, 보안 또는 IoT 엣지 시나리오를 매우 유연하게 구축할 수 있습니다. 또한, 효과적인 모니터링 및 백업 전략이 뒷받침되어야 합니다.