1. 가상화 기술

개발을 하면서 도커는 필연적으로 사용할 수 밖에 없었고, 이번 방학 때 제대로 공부해보려고 한다. 현재 아래 강의를 듣고 있고, 강사님께 허락을 맡고 블로그에 정리글을 올리려고한다.

https://inf.run/Apgvc

 

1. 서버

 

엔터프라이즈 운영 환경에서 많은 양의 서버를 운영해야 한다.

파일서버, DB서버, 웹서버, 웹애플리케이션서버 등이 있다.

 

기업에서 많은 양의 서버 운영을 해야하고, 이때 3가지 방식이 존재한다.

베어메탈, 하이퍼바이저, 컨테이너

하나씩 알아보자

 

베어메탈은 우리가 일반적으로 컴퓨터 사용하는 방식과 똑같다.

하이퍼바이저를 알아보기 전에 가상화를 알아보자

개발자와 운영자의 경계를 허무는 Devops, 소스코드로 인프라를 운영하는 IaC, 애플리케이션을 작고 독립적인 서비스로 나누어 관리하는MSA

도커를 활용하면 이를 잘 다룰 수 있다.

 

 

2. 가상화

 

가상화란 실제로 존재하는 컴퓨터가 아니지만 마치 컴퓨터가 존재하는 것처럼 만들어준다. 즉, 하나의 컴퓨터로 여러대 컴퓨터를 가진것처럼 사용이 가능하다.

물리적인 컴퓨터 안에 논리적인 컴퓨터를 사용하는 것이다. 그럼 가상화를 사용하면 뭐가 좋을까?

 

예를들어 OS 1개에 4개의 프로그램을 실행한다고 했을 때, 문제가 없어보인다.

하지만, 한 프로그램에서 문제가 생기면, 이는 전체에 영향을 줄 수 있고, 한 프로그램에서 사용량이 증가해서 남아있는 리소스를 다 쓴다면, 이또한 전체에 영향을 줄 수 있다.

가상화를 사용한다면 각 가상 컴퓨터에 할당할 리소스양을 직접 정할 수 있고, 이로인해 한 곳에 문제가 생겨도, 다른 곳에는 영향을 주지 않는다. 또한, 하드웨어가 빠르게 발전하고 소프트웨어의 요구사항이 감소함에 따라, 낮은 성능의 여러대 컴퓨터를 사용하는 것보다 높은 사양의 컴퓨터를 하나 사용하는것이 경제적이다.

가상화 방식에는 하이퍼바이저와 컨테이너 방식이 있다.

 

하이퍼바이저

 

하이퍼바이저에 대해 알아보자. 하이퍼바이저는 컴퓨터에 설치되는 프로그램이다.

하이퍼바이저는 가상환경을 일반 프로그램처럼 만들고 실행하고 종료한다.

 

물리적인 OS: 호스트 OS

논리적인 OS: 게스트 OS -> 호스트의 리소스를 나눈 논리적 공간 = 가상머신

정리하면 서버의 호스트OS를 설치하고 가상화를 사용하기 위해 하이퍼바이저를 설치하고 가상머신을 만들어서 게스트OS를 실행하고 게스트 OS에 실제 프로세스를 운영한다.

 

하이퍼바이저의 동작 원리

프로세스는 정상적인 실행을 위해 리소스가 필요하고, OS를 통해서만 하드웨어를 사용이 가능하다. 이를 위해 OS에는 커널이 있고, 커널은 하드웨어의 사용요청을 대신 전달해주는 시스템콜을 사용한다.

프로세스들은 커널에 시스템콜을 보내서 하드웨어 자원을 사용하고, 이때 각 OS 별로 시스템콜의 종류가 다르다. 또한, 하이퍼바이저 없이는 호스트 OS와는 OS를 사용할 수 없다.

즉, 외국인끼리 이야기하는 것이기에 번역가가 필요하다.

게스트 OS의 커널은 하드웨어의 사용을 위해서 호스트 OS의 커널로 리소스 사용을 요청해야하는데 OS의 종류가 다르면, 시스템콜을 처리할 수 없기에 이를 위한 통역가인 하이퍼바이저가 필요하다.

하이퍼바이저를 통해 (격리된 공간 + 통역가)의 기능을 얻을 수 있다. 하이퍼바이저는 기술이기에 여러 제품이 있다.

ex) Vmware, Redhat, Virtual Box

 

컨테이너 가상화

컨테이너 가상화는 리눅스 커널이 제공하는 자체 격리 기술인 LXC에서 출발한다. 하이퍼바이저 소프트웨어가 격리된 공간을 만들었는데, LXC기능은 커널의 자체 기능만 가지고도 격리된 공간을 만들 수 있다.

LXC는 Namespace(나눌 수 잇는 단위 정의)와 Cgropus(사용량 배분 지정)를 사용한다.

각 컨테이너 가상화는 하이퍼바이저 없이 커널의 자체기술을 활용한 가상화!

모든 컨테이너가 하나의 커널을 공유한다는 것이 중요하다.

하이버바이저는 게스트와 호스트의 커널이 독립적으로 존재하고 하이퍼바이저가 중간에서 커널간 통신을 지원한다. 즉, 요청이 거쳐가는 단계가 많고 이는 큰 오버헤드로 이어진다. 컨테이너 가상화는 호스트 OS의 커널을 그대로 사용하기에 오버헤드가 적다

즉, 하드웨어 리소스 사용요청이 더 효율적이고 각 컨테이너는 커널이 없고 호스트 OS의 커널을 공유하기에 커널 공유 시간 자체가 없어진다. 따라서 오버헤드가 적고, 부팅이 빠르다. -> 이는 현대 애플리케이션의 요구 충족

하지만 호스트 OS의 커널을 공유하기에 호스트 OS와 다른 컨테이너는 실행할수없는 단점 또한 존재한다.

커널이 자체적으로 제공하는 가상화 기술을 사용자가 컨트롤 하기 어렵기에 도커는 이 커널의 컨테이너 가상화 기술을 편리하게 사용하기위해 만들어진 소프트웨어이다. 사용자는 도커를 통해서 컨테이너를 만들고 운영이 가능하다.

 

그럼 하이퍼바이저랑 비슷한데?

 

하이퍼바이저방식에서는 격리된 공간(Guest OS)을 만드는 소프트웨어가 하이퍼바이저이지만, 컨테이너 가상화에서 실제 격리된 공간(Container)를 만드는 주체는 도커 소프트웨어가 아닌 커널이다. 도커는 이 커널의 가상화 기술을 활용할 수 있게 도와주는 보조 수단일 뿐이다.

 

3. 도커

도커는 2013년에 최초 공개된 오픈소스 소프트웨어이다.

도커와 같은 컨테이너 가상화 도구를 컨테이너 플랫폼이라 하고, 이는 컨테이너 엔진과 컨테이너 런타임으로 구성된다. 컨테이너 엔진은 사용자 요청받아 컨테이너를 관리하고, 컨테이너 런타임은 직접 커널과 통신 하며 격리된 공간을 만든다.

도커는 RUNC 라는 기본 컨테이너 런타임을 보유하고 있다.

 

도커의 아키텍쳐

 

도커는 클라이언트 - 서버 모델로 실행된다.

도커 데몬이라는 서버가 존재하며, 클라이언트는 사용자 명령을 도커 데몬에게 전달한다.

데몬이란?

 

서버에서 지속적으로 실행되는 소프트웨어

도커 데몬도 호스트 OS에서 지속적으로 실행되면서 클라이언트 요청에 따라 컨테이너를 관리한다. 도커 데몬은 이를 클라이언트가 사용할 수 있도록 API를 제공한다.

 

API는 상호간의 약속이다. 서류를 작성 안하고 전입하겠다고 우기면 안받아준다. 동일한 양식인 서류를 내야하고, 이 서류는 상호간에 주고받는 정해진 데이터 양식이라 할 수 있다.

도커 데몬은 컨테이너를 관리하기 위해 API 명세서를 제공한다. 이때 중간 대리인인 CLI가 필요하다.

 

 

작업 하나하나마다 API를 사용하려면 시간이 오래걸려서 도커에서는 도커 CLI가 제공된다. (CLI: Command Line Interface)

이는 클라이언트가 명령어를 입력하면, 서버의 API 양식에 맞게 만들어서 대신 전달하고 이를 통해 사용자는 도커 데몬 API와 쉽게 통신할 수 있다.

 

도커가 제공하는 클라이언트 툴을 사용하면 명령어 한줄로 API와 통신할 수 있다.

에를들어 CLI에서 컨테이너 목록 조회를 하고 싶다면

1. 명령어 실행 $docker ps
2. 사용자 명령을 API에 맞추어 변환
3. 데몬에 API 요청
4. 결과 전달(컨테이너 리스트)
5. 결과 표시

정리하자면 클라이언트는 CLI, 서버는 도커 데몬으로 구성된다. 사용자는 CLI를 통해 명령어를 통해 컨테이너 관리 가능.

명령어를 실행하면 CLI는 API에 맞게 요청을 만들어서 도커 데몬에 전달하고, 도커 데몬은 컨테이너 런타임을 통해 도커를 조작하고, 그 결과를 CLI로 다시 전달한다.

 

4. 컨테이너 실행

주소를 입력하는것이 브라우저를 통해서 웹서버로 요청을 보내는 것이다.

웹사이트에 주소를 입력하면 웹서버로 요청이 전달되고, 각 회사가 운영중인 웹서버는 요청이 들어왔을때 웹페이지를 파일로 응답하고, 이 파일은 사용자 웹브라우저에 표시된다.

이 화면을 통해 사용자는 웹서비스를 이용한다.

 

docker run -p 80:80 --name hellonginx nginx

이 명령을 수행하면 이 CLI가 명령어를 컨테이너의 실행 API에 맞게 만들어서 도커 데몬으로 전달한다. 

도커 데몬은 요청을 분석해서 컨테이너 런타임을 통해 컨테이너를 생성하고,  로컬 호스트에 접속한 컨테이너에 실행 중인 nginx 프로세스에서 이요청을 전달받아서 우리에게 웹페이지를 제공해준다.

컨테이너를 생성해서 프로세스 실행시키면 프로세스는 디스크나 네트워크, 메모리, CPU 등이 완전히 격리된 공간에서 실행 된다.

이 상태에서 실행시키면 각각의 컨테이너가 격리되어 안전하게 실행된다. 단순한 명령어 한줄로도 웹서버 구동되는것이다. 아주 편하다.