[가상화] 02. QEMU와 KVM: 오픈소스 가상화의 핵심

[System Emulation]                    [User-mode Emulation]

+-------------------+                 +-------------------+
|    Guest OS       |                 |  Guest Binary     |
|  (Full System)    |                 |  (Single Process) |
+-------------------+                 +-------------------+
| Virtual Hardware  |                 | Syscall 변환 계층  |
| CPU, RAM, Disk,   |                 | (Linux-user /     |
| NIC, GPU, USB     |                 |  BSD-user)        |
+-------------------+                 +-------------------+
|    QEMU Engine    |                 |    QEMU Engine    |
+-------------------+                 +-------------------+
|   Host OS / HW    |                 |   Host OS / HW    |
+-------------------+                 +-------------------+

# System Emulation 예시: ARM 시스템 부팅
qemu-system-aarch64 \
  -M virt -cpu cortex-a72 \
  -m 2G -nographic \
  -kernel Image -append "console=ttyAMA0"

# User-mode Emulation 예시: ARM 바이너리를 x86에서 실행
qemu-aarch64 ./arm-binary

Guest Code (예: ARM)
    |
    v
[Frontend] 게스트 명령어 디코딩
    |
    v
TCG IR (Intermediate Representation)
    |
    v
[Backend] 호스트 명령어로 변환 (예: x86)
    |
    v
Translation Block (TB) 캐싱
    |
    v
Host CPU에서 실행

[TCG Translation Block 캐시]

Guest PC 0x1000 --> TB #1 (Host code at 0x7f001000)
Guest PC 0x1040 --> TB #2 (Host code at 0x7f001200)
Guest PC 0x1080 --> TB #3 (Host code at 0x7f001400)
         ...
TB #1 --> TB #2 --> TB #3  (체이닝으로 직접 점프)

# qcow2 이미지 생성 (씬 프로비저닝)
qemu-img create -f qcow2 disk.qcow2 100G

# 스냅샷 생성
qemu-img snapshot -c snap1 disk.qcow2

# 스냅샷 목록 확인
qemu-img snapshot -l disk.qcow2

# 이미지 포맷 변환
qemu-img convert -f vmdk -O qcow2 source.vmdk target.qcow2

# 이미지 정보 확인
qemu-img info disk.qcow2

+------------------+
|     Guest VM     |
+------------------+
|  VirtIO-blk/SCSI |
+------------------+
|  QEMU Block Layer|
+--+--+--+--+--+--+
   |  |  |  |  |
   v  v  v  v  v
 File NBD iSCSI Ceph GlusterFS
              RBD

[전통적 에뮬레이션]                  [VirtIO 반가상화]

Guest OS                            Guest OS
  |                                   |
  v                                   v
에뮬레이트된 e1000 NIC              VirtIO-net 드라이버
  |                                   |
  v                                   v
QEMU가 모든 레지스터              공유 메모리 링 버퍼
접근을 처리 (VM Exit 다수)          (최소 VM Exit)
  |                                   |
  v                                   v
Host NIC                            Host NIC

+--------+    +--------+    +--------+
| VM 1   |    | VM 2   |    | VM 3   |
| virtio |    | virtio |    | virtio |
+---+----+    +---+----+    +---+----+
    |             |             |
+---+-------------+-------------+---+
|          Linux Bridge              |
|          (virbr0)                  |
+----------------+-------------------+
                 |
            Physical NIC
              (eth0)

# TAP + Bridge 네트워크 설정
sudo ip link add br0 type bridge
sudo ip link set eth0 master br0
sudo ip link set br0 up

# QEMU에서 TAP 네트워크 사용
qemu-system-x86_64 \
  -netdev tap,id=net0,ifname=tap0,script=no \
  -device virtio-net-pci,netdev=net0

QEMU Process (User Space)
    |
    | ioctl(KVM_RUN)
    v
KVM Module (Kernel Space)
    |
    | VMLAUNCH / VMRESUME
    v
Guest Mode (VMX non-root)
    |
    | VM Exit 발생
    v
KVM Module (Kernel Space)
    |
    | KVM이 처리 가능하면 직접 처리
    | 불가능하면 QEMU로 반환
    v
QEMU Process (User Space)
    |
    | 디바이스 에뮬레이션 등 처리
    | 다시 ioctl(KVM_RUN)
    v
    ... (반복)

[성능 비교 (상대값, 네이티브 = 100)]

CPU 연산 (정수/부동소수점):
  Native:    ████████████████████████████████████████ 100%
  QEMU+KVM:  ███████████████████████████████████████  98%
  QEMU(TCG): ██████████                               25%

디스크 I/O (VirtIO):
  Native:    ████████████████████████████████████████ 100%
  QEMU+KVM:  ████████████████████████████████████     90%
  QEMU(TCG): ████████████                             30%

네트워크 (vhost-net):
  Native:    ████████████████████████████████████████ 100%
  QEMU+KVM:  ██████████████████████████████████████   95%
  QEMU(TCG): ██████████                               25%

# 1. IOMMU 활성화 (GRUB에서)
# Intel: intel_iommu=on iommu=pt
# AMD: amd_iommu=on iommu=pt

# 2. IOMMU 그룹 확인
for d in /sys/kernel/iommu_groups/*/devices/*; do
  n=$(basename "$d")
  echo "IOMMU Group $(basename $(dirname $(dirname "$d"))): $n $(lspci -nns "$n")"
done

# 3. GPU를 vfio-pci에 바인딩
# GPU의 벤더:디바이스 ID 확인
lspci -nn | grep -i nvidia
# 예시 출력: 01:00.0 VGA ... [10de:2484]
# 예시 출력: 01:00.1 Audio ... [10de:228b]

# vfio-pci 바인딩
echo "10de 2484" > /sys/bus/pci/drivers/vfio-pci/new_id
echo "10de 228b" > /sys/bus/pci/drivers/vfio-pci/new_id

# 4. QEMU에서 GPU 패스스루 실행
qemu-system-x86_64 \
  -enable-kvm \
  -m 16G \
  -cpu host \
  -smp 8 \
  -device vfio-pci,host=01:00.0,multifunction=on \
  -device vfio-pci,host=01:00.1 \
  -drive if=pflash,format=raw,readonly=on,file=OVMF_CODE.fd \
  -drive if=pflash,format=raw,file=OVMF_VARS.fd \
  -drive file=vm-disk.qcow2,format=qcow2,if=virtio

+-------------------+
|    Guest VM       |
|  (GPU 드라이버)   |
+-------------------+
|   VFIO-PCI        |
|  (패스스루 계층)  |
+-------------------+
|    IOMMU           |
|  (DMA 리매핑)     |
+-------------------+
|  Physical GPU      |
|  (NVIDIA/AMD)     |
+-------------------+

# 기본 VM 생성 및 실행
qemu-system-x86_64 \
  -enable-kvm \
  -name "ubuntu-server" \
  -m 4G \
  -smp cores=4 \
  -cpu host \
  -drive file=ubuntu.qcow2,format=qcow2,if=virtio \
  -cdrom ubuntu-22.04-server.iso \
  -boot d \
  -device virtio-net-pci,netdev=net0 \
  -netdev user,id=net0,hostfwd=tcp::2222-:22 \
  -vnc :1 \
  -monitor stdio

# SSH 접속 (호스트에서)
ssh -p 2222 user@localhost

# 라이브 마이그레이션 (소스에서)
# 대상 호스트에서 동일한 VM 설정으로 -incoming tcp:0:4444 옵션 추가 후
# 소스에서 실행:
# (QEMU monitor) migrate tcp:dest-host:4444