운영체제 서론(Introduction to Operating Systems)
운영체제는 하드웨어와 소프트웨어 사이에서 중재자 역할을 수행하는 시스템 소프트웨어입니다. 사용자가 하드웨어를 직접 다룰 필요 없이 프로그램을 실행할 수 있도록 하며, 시스템 자원을 효율적으로 관리하는 것이 주요 역할입니다. 이 장에서는 운영체제가 수행하는 다양한 기능과 관련 개념을 자세히 설명합니다.
1. 운영체제가 할 일(Functions of an Operating System)
운영체제는 기본적으로 다음과 같은 기능을 수행합니다.
- 프로세스 관리(Process Management)
- 프로세스 생성 및 종료(Process Creation and Termination)
- 프로세스 스케줄링(Process Scheduling)
- 프로세스 간 통신(Interprocess Communication)
- 동기화 및 교착 상태 처리(Synchronization and Deadlock Handling)
- 메모리 관리(Memory Management)
- 주소 공간 할당(Address Space Allocation)
- 가상 메모리(Virtual Memory)
- 페이지 교체(Page Replacement)
- 파일 시스템 관리(File System Management)
- 파일 저장 및 접근(File Storage and Access)
- 디렉토리 구조(Directory Structure)
- 파일 보호 및 공유(File Protection and Sharing)
- 입출력 시스템 관리(I/O System Management)
- 디바이스 드라이버 관리(Device Driver Management)
- 입출력 스케줄링(I/O Scheduling)
- 보안 및 보호(Security and Protection)
- 접근 제어(Access Control)
- 사용자 인증(Authentication)
- 네트워킹 및 분산 컴퓨팅(Networking and Distributed Computing)
- 분산 시스템 지원(Distributed System Support)
- 클라우드 컴퓨팅(Cloud Computing)
2. 컴퓨터 시스템의 구성(Components of a Computer System)
컴퓨터 시스템은 크게 하드웨어(Hardware), 운영체제(Operating System), 응용 프로그램(Application Software), 사용자(User) 네 가지 요소로 구성됩니다.
- 하드웨어(Hardware)
- CPU(중앙처리장치, Central Processing Unit)
- 주기억장치(Main Memory)
- 보조기억장치(Storage Devices)
- 입출력 장치(Input/Output Devices)
- 운영체제(Operating System)
- 하드웨어와 소프트웨어를 연결하는 중재자 역할
- 프로세스 및 자원 관리 수행
- 응용 프로그램(Application Software)
- 사용자 요구를 충족하는 소프트웨어 (예: 웹 브라우저, 워드 프로세서)
- 사용자(User)
- 일반 사용자, 개발자, 시스템 관리자
3. 컴퓨터 시스템 구조(Computer-System Architecture)
컴퓨터 시스템 구조는 CPU와 메모리, 입출력 장치가 어떻게 상호작용하는지에 따라 여러 가지로 나뉩니다.
- 단일 프로세서 시스템(Single Processor Systems)
- 하나의 CPU가 모든 작업 수행
- 다중 프로세서 시스템(Multiprocessor Systems)
- 여러 개의 CPU를 사용하여 병렬 처리 수행
- 클러스터 시스템(Clustered Systems)
- 여러 대의 독립적인 컴퓨터를 하나의 시스템처럼 동작하도록 구성
4. 운영체제의 작동(How an Operating System Works)
운영체제는 사용자 명령을 해석하고, 응용 프로그램을 실행하며, 시스템 자원을 관리합니다. 운영체제의 기본적인 작동 과정은 다음과 같습니다.
- 부팅 과정(Booting Process)
- ROM에 저장된 부트 로더(Boot Loader)가 운영체제를 메모리에 로드
- 프로세스 실행(Process Execution)
- 사용자 프로그램이 실행되면, 운영체제가 프로세스를 생성하고 스케줄링
- 인터럽트 처리(Interrupt Handling)
- I/O 작업 완료 또는 예외 상황 발생 시 CPU가 인터럽트를 받아 처리
5. 자원 관리(Resource Management)
운영체제는 컴퓨터 시스템의 CPU, 메모리, 저장 장치, 입출력 장치 등의 자원을 효율적으로 관리합니다.
- CPU 스케줄링(CPU Scheduling)
- 라운드 로빈(Round Robin), 우선순위(Priority Scheduling) 등의 알고리즘 사용
- 메모리 할당(Memory Allocation)
- 연속 할당(Contiguous Allocation), 페이징(Paging), 세그멘테이션(Segmentation)
- 디스크 관리(Disk Management)
- 디스크 스케줄링(Disk Scheduling): FCFS, SSTF, SCAN, C-SCAN
6. 보안과 보호(Security and Protection)
운영체제는 시스템을 보호하고 보안을 유지하기 위한 다양한 기능을 제공합니다.
- 보호(Protection)
- 프로세스 간 메모리 보호
- 파일 및 데이터 접근 권한 설정
- 보안(Security)
- 사용자 인증(Authentication)
- 방화벽(Firewall), 암호화(Encryption)
7. 가상화(Virtualization)
가상화는 하나의 물리적 하드웨어에서 여러 개의 운영체제를 실행할 수 있도록 하는 기술입니다.
- 하이퍼바이저(Hypervisor) 유형
- 타입 1: 하드웨어 위에서 직접 실행 (예: VMware ESXi, Microsoft Hyper-V)
- 타입 2: 기존 운영체제 위에서 실행 (예: VirtualBox, VMware Workstation)
- 컨테이너(Containerization)
- OS 커널을 공유하며, 격리된 환경에서 애플리케이션 실행 (예: Docker, Kubernetes)
8. 분산 시스템(Distributed Systems)
분산 시스템은 여러 대의 컴퓨터가 협력하여 하나의 시스템처럼 동작하는 환경입니다.
- 네트워크 운영체제(Network Operating System, NOS)
- 독립적인 노드들이 네트워크를 통해 연결된 시스템
- 분산 운영체제(Distributed Operating System, DOS)
- 모든 노드가 하나의 운영체제처럼 동작
9. 커널 자료구조(Kernel Data Structures)
운영체제의 커널은 여러 자료구조를 사용하여 시스템을 관리합니다.
- 리스트(Lists) – 프로세스 큐 관리
- 스택(Stacks) – 커널 호출 관리
- 큐(Queues) – 작업 스케줄링
- 해시 테이블(Hash Tables) – 파일 시스템 관리
10. 계산 환경(Computing Environments)
운영체제가 지원하는 다양한 계산 환경이 있습니다.
- 전통적인 컴퓨팅(Traditional Computing)
- 일반적인 개인용 컴퓨터 환경
- 클라이언트-서버 모델(Client-Server Model)
- 클라이언트가 서버에 요청을 보내고, 서버가 응답
- 클라우드 컴퓨팅(Cloud Computing)
- 인터넷 기반의 가상화된 자원 사용
11. 무료 및 공개 소스 운영체제(Free and Open-Source Operating Systems)
운영체제 중 일부는 무료로 사용 가능하며, 소스 코드가 공개되어 있습니다.
- 리눅스(Linux)
- 다양한 배포판 (Ubuntu, Debian, Fedora 등)
- BSD 운영체제(BSD Operating Systems)
- FreeBSD, OpenBSD, NetBSD
- 기타 오픈소스 운영체제(Other Open-Source OS)
- ReactOS, Haiku
12. 요약(Summary)
이 장에서는 운영체제가 수행하는 주요 역할과 개념을 설명했습니다. 운영체제는 하드웨어와 소프트웨어를 중재하며, 자원 관리, 보안, 가상화, 분산 시스템 등을 포함한 다양한 기능을 제공합니다. 다음 장에서는 프로세스 관리에 대해 자세히 알아봅니다.