이제 나도 클라우드 네이티브 전문가: 쿠버네티스 구축부터 운영 완전 정복

클라우드 네이티브와 쿠버네티스를 이해하기 위한 여정의 첫걸음으로, 우리는 먼저 IT 인프라 환경에 혁신적인 변화를 가져온 ‘가상화(Virtualization)’ 기술에 대해 알아볼 필요가 있습니다. 가상화는 오늘날 우리가 당연하게 사용하는 클라우드 컴퓨팅 환경의 초석을 다졌으며, 쿠버네티스와 같은 컨테이너 오케스트레이션 기술이 등장하게 된 배경을 이해하는 데 필수적인 개념이기 때문입니다.

과거 기업들은 대부분 애플리케이션이나 서비스를 운영하기 위해 물리적인 서버를 직접 구매하고 설치하여 사용했습니다. 예를 들어 웹 서버, 데이터베이스 서버, 파일 서버 등 각기 다른 목적을 가진 서버들을 별도의 하드웨어 장비에 구축했죠. 이러한 방식은 몇 가지 중요한 문제점들을 안고 있었습니다

첫째, 자원 낭비가 심각했습니다. 특정 시점의 최대 부하량을 기준으로 서버 사양을 결정하다 보니, 평상시에는 서버 자원(CPU, 메모리 등)의 상당 부분이 사용되지 않고 유휴 상태로 남아있는 경우가 많았습니다. 조사에 따르면, 당시 물리 서버의 평균 자원 활용률은 10~15%에 불과했다고 합니다. 이는 곧 값비싼 하드웨어 자원을 비효율적으로 사용하고 있다는 의미였죠.

둘째, 관리의 복잡성이 증가했습니다. 서버 수가 늘어날수록 설치, 설정, 유지보수, 패치 적용 등 관리해야 할 작업량이 기하급수적으로 늘어났습니다. 또한, 새로운 서비스를 배포하거나 기존 서버의 사양을 변경해야 할 때마다 하드웨어를 추가로 구매하고 설치하는 데 많은 시간과 비용이 소요되었습니다. 전력 소모, 냉각 비용, 상면 공간(서버를 설치할 물리적 공간) 확보 등 부수적인 운영 비용 부담도 만만치 않았습니다.</p>

이러한 물리 서버 중심 인프라의 비효율성과 경직성을 해결하기 위한 대안으로 등장한 것이 바로 서버 가상화 기술입니다. 가상화는 IT 자원을 보다 유연하고 효율적으로 활용할 수 있는 길을 열어주었고, 이는 곧 IT 인프라 운영 방식의 근본적인 변화를 이끌었습니다. 이제 가상화 기술의 핵심 개념과 그 영향력에 대해 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.

서버 가상화(Server Virtualization)란, 쉽게 말해 하나의 물리적인 서버 하드웨어 위에서 여러 개의 독립적인 가상 서버 환경을 동시에 운영할 수 있도록 하는 기술을 의미합니다. 여기서 핵심적인 역할을 하는 것이 바로 하이퍼바이저(Hypervisor)라고 불리는 소프트웨어 계층입니다. 하이퍼바이저는 물리 서버의 하드웨어 자원(CPU, 메모리, 스토리지, 네트워크 등)을 추상화하고, 이를 논리적으로 분할하여 여러 개의 가상 머신(Virtual Machine, VM)에게 할당해주는 역할을 수행합니다.

각각의 VM은 마치 독립적인 물리 서버처럼 작동합니다. 자신만의 운영체제(OS), 커널, 라이브러리, 그리고 애플리케이션을 가질 수 있으며, 다른 VM과는 완전히 격리되어 운영됩니다. 예를 들어, 하나의 고성능 물리 서버 위에 리눅스 운영체제를 사용하는 웹 서버 VM과 윈도우 운영체제를 사용하는 데이터베이스 서버 VM을 동시에 구동하는 것이 가능해지는 것입니다.

이러한 서버 가상화 기술은 다음과 같은 중요한 장점들을 제공하며 IT 인프라 환경에 혁신을 가져왔습니다.

1. 서버 통합 및 자원 활용률 극대화: 가장 큰 장점은 여러 대의 물리 서버에서 수행하던 작업을 하나의 물리 서버 내 여러 VM으로 통합할 수 있다는 점입니다. 이를 통해 기존에 10~15%에 머물던 서버 자원 활용률을 60~80% 이상으로 크게 향상시킬 수 있습니다. 유휴 자원을 최소화하고 하드웨어 자원을 최대한 효율적으로 사용할 수 있게 되는 것이죠.
2. 비용 절감: 필요한 물리 서버의 수가 줄어듦에 따라 하드웨어 구매 비용뿐만 아니라, 서버 설치 공간, 전력 소모, 냉각 비용 등 전반적인 데이터 센터 운영 비용(OPEX)을 크게 절감할 수 있습니다.
3. 운영 효율성 및 민첩성 향상: 새로운 서버가 필요할 때 물리적인 설치 과정 없이 단 몇 분 만에 VM을 생성하고 배포할 수 있습니다. 이는 비즈니스 요구사항 변화에 훨씬 빠르고 민첩하게 대응할 수 있음을 의미합니다. 또한, VM 단위로 시스템 백업, 복제, 마이그레이션(이전) 등이 용이해져 재해 복구 및 시스템 관리 효율성이 크게 향상됩니다. 예를 들어, ‘스냅샷(Snapshot)’ 기능을 이용하면 특정 시점의 VM 상태를 저장해두었다가 문제 발생 시 빠르게 복구할 수 있습니다.
4. 향상된 안정성 및 격리: 각 VM은 논리적으로 완전히 분리된 환경에서 작동합니다. 따라서 특정 VM에서 오류가 발생하거나 보안 문제가 생기더라도 동일한 물리 서버에서 실행 중인 다른 VM에는 영향을 미치지 않아 서비스 안정성을 높일 수 있습니다.
5. 레거시 시스템 지원: 오래된 하드웨어에서만 작동하던 구형 운영체제나 애플리케이션을 최신 하드웨어 위의 VM 환경으로 이전하여 계속 사용할 수 있게 해줍니다. 이는 시스템 현대화 과정에서 중요한 역할을 합니다.

이처럼 서버 가상화는 하드웨어 자원의 추상화를 통해 IT 인프라의 효율성, 유연성, 관리 용이성을 획기적으로 개선했습니다. 이러한 장점 덕분에 가상화 기술은 빠르게 확산되었고, 현대적인 데이터 센터의 표준적인 구성 요소로 자리 잡게 되었습니다.

서버 가상화 기술이 널리 도입되면서, IT 인프라는 점차 VM(Virtual Machine) 기반 인프라로 전환되었습니다. VM 기반 인프라는 다음과 같은 요소들로 구성됩니다.

1. 물리 서버 (호스트 머신, Host Machine): 실제 하드웨어 장비입니다. 충분한 CPU, 메모리, 스토리지 용량을 갖춘 고성능 서버가 주로 사용됩니다. 이 물리 서버 위에 하이퍼바이저가 설치되어 VM들을 실행하는 기반 환경을 제공합니다.
2. 하이퍼바이저 (Hypervisor): 물리 서버와 VM 사이의 중간 계층 역할을 하는 핵심 소프트웨어입니다. 물리적 하드웨어 자원을 가상화하여 VM에게 할당하고, 여러 VM들이 동시에 실행될 수 있도록 스케줄링 및 자원 관리를 수행합니다. 하이퍼바이저에는 크게 두 가지 유형이 있습니다.
   • 타입 1 (Native or Bare-metal): 하드웨어에 직접 설치되는 방식입니다. 운영체제 없이 하드웨어 위에서 바로 실행되므로 성능 오버헤드가 적고 효율적입니다. VMware ESXi, Microsoft Hyper-V, KVM(Kernel-based Virtual Machine) 등이 대표적입니다. 데이터 센터 환경에서는 주로 타입 1 하이퍼바이저를 사용합니다.
   • 타입 2 (Hosted): 일반적인 운영체제(예: 윈도우, macOS, 리눅스) 위에 애플리케이션처럼 설치되는 방식입니다. 개발이나 테스트 목적으로 개인 PC에서 주로 사용됩니다. VMware Workstation, Oracle VirtualBox, Parallels Desktop 등이 여기에 해당합니다.
3. 가상 머신 (게스트 머신, Guest Machine): 하이퍼바이저 위에서 실행되는 독립적인 가상 컴퓨팅 환경입니다. 각 VM은 자신만의 가상 하드웨어(vCPU, vRAM, vDisk, vNIC 등)를 할당받으며, 이 위에 독자적인 운영체제(Guest OS)와 커널, 필요한 라이브러리 및 애플리케이션을 설치하여 사용합니다. 중요한 점은 각 VM이 완전한 운영체제 스택을 포함하고 있다는 것입니다. 이는 VM이 마치 하나의 독립된 컴퓨터처럼 작동하게 하지만, 동시에 상당한 자원(특히 디스크 공간과 메모리)을 소모하는 요인이 되기도 합니다.
4. 가상화 관리 도구 (Virtualization Management Tools): 다수의 물리 서버와 그 위에서 실행되는 수많은 VM들을 효율적으로 관리하기 위한 중앙 집중식 관리 소프트웨어입니다. VMware vCenter Server, Microsoft System Center Virtual Machine Manager (SCVMM) 등이 대표적입니다. 이러한 도구들은 VM 생성, 삭제, 복제, 이동(라이브 마이그레이션), 리소스 모니터링, 성능 최적화, 자동화된 자원 할당 등의 기능을 제공하여 가상화 환경의 운영 복잡성을 크게 낮춰줍니다.
5. 공유 스토리지 (Shared Storage): 여러 물리 서버(호스트)들이 공유해서 접근할 수 있는 스토리지 시스템입니다. SAN(Storage Area Network)이나 NAS(Network Attached Storage) 형태가 일반적입니다. 공유 스토리지를 사용하면 VM의 실시간 이전(Live Migration, 예: VMware vMotion)과 같은 고급 가상화 기능을 구현할 수 있습니다. 예를 들어, 특정 물리 서버에 장애가 발생하거나 유지보수가 필요할 때, 해당 서버에서 실행 중이던 VM들을 서비스 중단 없이 다른 정상적인 물리 서버로 이동시킬 수 있습니다.

이러한 구성 요소들이 유기적으로 결합된 VM 기반 인프라는 이전의 물리 서버 환경에 비해 훨씬 높은 수준의 유연성, 확장성, 그리고 관리 효율성을 제공했습니다. 이는 곧 프라이빗 클라우드 구축의 기반이 되었으며, 더 나아가 퍼블릭 클라우드 서비스(AWS EC2, Azure Virtual Machines, Google Compute Engine 등)가 등장하고 성장하는 데 결정적인 기술적 토대를 마련해주었습니다.

다음은 AWS EC2, Microsoft Azure Virtual Machines, Google Compute Engine(GCE)의 가상화 기술을 비교한 표입니다.

VM 기반의 가상화 기술은 분명 IT 인프라 운영에 혁신을 가져왔지만, 시간이 흐르고 기술이 발전함에 따라 그 한계점 또한 드러나기 시작했습니다. 특히 애플리케이션 개발 및 배포 방식이 변화하고, 비즈니스 요구사항이 더욱 복잡하고 빨라지면서 새로운 요구사항들이 부상하게 되었습니다. 가상화의 주요 한계점과 이로 인해 등장한 새로운 요구사항들은 다음과 같습니다.

1. 성능 오버헤드 및 자원 사용의 비효율성: VM의 가장 큰 구조적 특징은 각 VM이 독자적인 운영체제(Guest OS) 전체를 포함한다는 점입니다. 이는 각 VM이 커널을 비롯한 OS 시스템 파일과 라이브러리 등을 자체적으로 가지고 실행되어야 함을 의미합니다. 예를 들어, 동일한 물리 서버에서 10개의 리눅스 VM을 실행한다면, 실제로는 10개의 리눅스 커널과 관련 시스템 파일들이 메모리와 디스크 공간을 차지하게 됩니다. 이러한 ‘OS 중복’은 상당한 시스템 자원(CPU, 메모리, 디스크 I/O) 오버헤드를 발생시키며, 이를 ‘VM Tax’라고 부르기도 합니다. 이로 인해 동일한 하드웨어에서 실행할 수 있는 VM의 수(집적도, Density)가 제한되고, 애플리케이션 자체에 할당될 수 있는 자원이 줄어드는 비효율이 발생합니다.
2. 느린 부팅 및 배포 속도: VM은 완전한 운영체제를 부팅해야 하므로, 새로운 VM을 시작하거나 재시작하는 데 수십 초에서 수 분의 시간이 소요됩니다. 이는 물리 서버를 부팅하는 것과 유사한 경험입니다. 하지만 애플리케이션 개발 주기가 점점 짧아지고(애자일, DevOps 문화 확산), 마이크로서비스 아키텍처(MSA)와 같이 작고 독립적인 서비스들을 빠르게 배포하고 확장해야 하는 현대적인 개발 환경에서는 이러한 VM의 부팅 및 배포 속도가 병목 지점으로 작용하기 시작했습니다. 개발자들은 코드를 변경하고 테스트하는 과정을 훨씬 더 빠르게 반복하기를 원했습니다.
3. 큰 이미지 크기와 관리 부담: VM 이미지는 운영체제 전체를 포함하기 때문에 일반적으로 수 기가바이트(GB) 이상의 크기를 갖습니다. 이러한 큰 이미지는 저장 공간을 많이 차지할 뿐만 아니라, 네트워크를 통해 전송하거나 복제하는 데에도 많은 시간과 대역폭을 소모합니다. 또한, 각 VM의 OS 패치 및 보안 업데이트를 개별적으로 관리해야 하므로 운영 부담이 증가하는 문제도 있습니다.
4. 애플리케이션 중심이 아닌 인프라 중심의 관리: VM은 본질적으로 하드웨어를 가상화하는 기술입니다. 따라서 VM 관리의 초점은 주로 인프라 자원(CPU, 메모리, 스토리지 등) 할당과 OS 관리에 맞춰져 있습니다. 하지만 애플리케이션 개발자와 운영자들은 인프라 자체보다는 그 위에서 실행되는 애플리케이션의 배포, 확장, 관리에 더 집중하기를 원했습니다. VM 환경은 애플리케이션과 그 종속성을 패키징하고 격리하는 데에는 상대적으로 불편한 측면이 있었습니다.

이러한 가상화의 한계점들은 다음과 같은 새로운 기술적 요구사항들을 촉발했습니다.

• 더 높은 자원 효율성과 집적도: 동일한 하드웨어에서 더 많은 애플리케이션 인스턴스를 실행하여 비용 효율성을 극대화해야 합니다.
• 더 빠른 애플리케이션 배포 및 확장: 수 초 내에 애플리케이션을 시작하고 필요에 따라 즉각적으로 확장(Scale-out)하거나 축소(Scale-in)할 수 있어야 합니다.
• 애플리케이션 중심의 패키징 및 격리: 애플리케이션과 그 실행에 필요한 모든 종속성(라이브러리, 프레임워크 등)을 함께 묶어 어떤 환경에서든 동일하게 실행될 수 있도록 격리된 형태로 패키징해야 합니다.
• 개발과 운영의 간소화: 개발자가 만든 애플리케이션 패키지를 변경 없이 테스트, 스테이징, 프로덕션 환경으로 원활하게 이전하고 운영할 수 있어야 합니다(Build once, run anywhere).

바로 이러한 요구사항들에 부응하기 위해 등장한 기술이 컨테이너(Container) 기술이며, 이를 기반으로 발전한 것이 클라우드 네이티브(Cloud Native) 생태계와 그 핵심인 쿠버네티스(Kubernetes)입니다. 컨테이너는 VM과는 달리 운영체제 수준의 가상화를 통해 훨씬 가볍고 빠르게 애플리케이션을 실행할 수 있는 환경을 제공합니다.

결론적으로, 가상화 기술은 IT 인프라의 혁신을 이끌며 클라우드 시대를 열었지만, 그 자체의 한계점 또한 명확했습니다. 이러한 한계를 극복하고 현대적인 애플리케이션 개발 및 운영 환경의 요구사항을 충족시키기 위한 다음 단계의 기술 진화가 필요했고, 그것이 바로 우리가 앞으로 자세히 살펴볼 컨테이너와 쿠버네티스로 이어지게 됩니다. 가상화의 개념과 그 장점, 그리고 한계를 이해하는 것은 컨테이너 기술이 왜 등장했고 어떤 문제를 해결하는지를 파악하는 데 매우 중요한 기초가 될 것입니다.