서버 운영체제 개념에 대해 알아보겠습니다. 커널 프로세스 스레드 등의 개념도 다루었으니 천천히 따라오시면 됩니다.
운영체제 기술 이론 목차
1. 운영체제의 개념과 역할
2. 운영체제의 구성 요소
3. 프로세스와 스레드
4. 메모리 관리 기법
5. 입출력 시스템과 장치 관리
6. 운영체제의 보안과 접근 제어
7. 운영체제의 스케줄링
1. 운영체제의 개념과 역할
운영체제는 하드웨어와 소프트웨어 간의 인터페이스를 제공하고, 시스템 자원을 효율적으로 관리하고 제어하는 역할을 수행하는 시스템 소프트웨어입니다. 서버는 다수의 사용자 요청과 애플리케이션이 동시에 동작하므로 운영체제가 더욱 중요합니다.
운영체제가 담당하는 역할은 세 가지입니다. 첫째, 하드웨어 자원 관리입니다. CPU, 메모리, 저장 장치, 네트워크 등 시스템 자원을 효율적으로 할당하고 조율하여 최적의 성능을 제공합니다. 둘째, 사용자와 애플리케이션 간 인터페이스를 제공합니다. 명령어 해석기, GUI 등을 통해 사용자와 시스템 간 상호작용을 지원합니다. 마지막으로 시스템 보안 및 안정성을 유지합니다. 외부 공격으로부터 시스템을 보호하며 서버 가용성 및 안정적인 운영을 보장합니다.
2. 운영체제의 구성 요소
운영체제는 다양한 역할을 하는데 그 중에 커널(Kernel)이 핵심입니다. 커널은 하드웨어와 소프트웨어 간의 통신을 하며, 운영체제의 핵심 구성 요소입니다. 크게 모놀리식 커널과 마이크로커널로 나뉩니다. 모놀리식 커널은 성능이 뛰어나 서버 환경에서 자주 사용되며, 마이크로커널은 안정성과 보안성이 높은 구조입니다.
운영체제는 프로세스 생성, 실행, 종료를 관리하며, CPU 스케줄링을 통해 자원을 효율적으로 분배하는 역할도 합니다. 또한 프로세스별 메모리 할당과 접근을 제어하고 메모리 간 충돌을 방지하며, 가상 메모리와 같은 기능을 통해 메모리 효율성을 높입니다. 그리고 데이터 저장과 관리를 담당하며 파일과 디렉토리 구조를 제공하여 데이터를 효율적으로 검색하고 보관합니다.
3. 프로세스와 스레드
프로세스는 실행 중인 프로그램의 단위로, 독립적인 메모리 공간을 갖습니다. 운영체제의 멀티태스킹 기능이 있어 여러 프로세스가 동시에 실행됩니다.
스레드는 프로세스 내에서 실행되는 작업 단위로 같은 프로세스의 메모리와 자원을 공유합니다. OS는 컨텍스트 스위칭을 통해 여러 프로세스를 관리합니다. 컨텍스트 스위칭이란 CPU가 하나의 프로세스 상태를 저장하고 다른 프로세스를 실행하는 작업입니다. 이는 시스템 효율성을 극대화하는 필수 메커니즘입니다.
프로세스 간 동기화를 위해 세마포어(여러 프로세스나 스레드가 자원을 접근할 수 있도록 제어하는 동기화 도구), 뮤텍스(단일 프로세스나 스레드만 특정 공유 자원을 사용할 수 있도록 잠금을 제공하는 도구)가 사용되며, OS가 교착 상태에 빠지지 않게 하기 위한 방법도 사용됩니다.
교착 상태는 여러 프로세스가 자원을 기다리며 무한히 대기하는 상태를 말합니다. 프로세스 A와 B가 a와 b 자원을 각각 가지고 있는 상태에서 서로의 자원을 요청하는 경우 등에 발생합니다.
4. 메모리 관리 기법
서버 환경에서는 효율적인 메모리 관리가 중요하며, 다양한 기법이 사용됩니다. 페이징은 메모리를 고정 크기의 페이지로 나누어 관리하며, 페이지 테이블을 통해 논리적 주소와 물리적 주소를 매핑합니다. 세그멘테이션은 메모리를 가변 크기 세그먼트로 나누며, 각 세그먼트는 논리적 데이터 단위를 표현합니다. 가상 메모리는 실제 메모리보다 큰 용량을 제공하기 위해 사용되며, 디스크 공간을 확장 메모리로 사용합니다. 스왑 공간을 관리해 메모리 부족 문제를 완화합니다. 최근에는 슬랩 할당 방식으로 메모리 요청을 빠르게 처리하여 자원 낭비를 줄입니다.
5. 입출력 시스템과 장치 관리
OS는 디바이스 드라이버를 통해 하드웨어 장치와 통신하며, 입출력을 담당합니다. 입출력 버퍼링으로 데이터를 버퍼에 저장해 입출력 작업을 최적화하며 작업 속도를 개선합니다. 또한 NTFS, ext4, ZFS와 같은 파일 시스템을 통해 데이터를 구조적으로 저장하며, 안정적인 접근을 제공합니다.그리고 디스크 입출력 작업의 순서를 최적화하여 처리 속도를 높입니다. 대표적인 알고리즘으로는 FCFS(First-Come, First-Served), SSTF(Shortest Seek Time First), SCAN 등이 있습니다.
6. 운영체제의 보안과 접근 제어
운영체제는 데이터와 자원을 보호하기 위해 다양한 보안 기능을 제공합니다. 사용자 인증 시 비밀번호, 2단계 인증, 생체 인식 등을 통해 시스템 접근을 제어합니다. 권한 관리도 제공하는데, 파일과 디렉토리의 읽기, 쓰기, 실행 권한을 설정하여 데이터 접근을 제한합니다. 접근 제어 리스트 ACL을 사용하여 세부적인 권한 설정을 지원하며, 네트워크 보안을 위해 방화벽과 암호화 프로토콜을 설정합니다.
7. 운영체제의 스케줄링
스케줄링은 CPU 시간을 효율적으로 분배하는 중요한 작업입니다. 선점형 스케줄링을 통해 현재 실행 중인 프로세스를 중단하고 우선순위가 높은 다른 프로세스를 실행할 수 있으며, 비선점형 스케줄링으로 프로세스가 종료될 때까지 CPU를 계속 할당합니다.
서버는 라운드 로빈(Round Robin), 멀티레벨 큐(Multi-Level Queue), 공정 공유 스케줄링(Fair Share Scheduling)과 같은 알고리즘이 사용됩니다. 이 들은 서버 부하를 줄이고 응답 시간을 최소화합니다.
운영체제는 서버에서 중요한 역할을 하며 시스템 성능과 안정성을 극대화할 수 있습니다.
지금까지 서버 운영체제, 커널 프로세스 스레드 등의 개념을 알아보았습니다. 감사합니다.