Linux Kernel 리눅스 커널 개요

Linux Kernel 리눅스 커널

I. Linux Kernel 개요

운영체제의 핵심 기능을 모아놓은 커널이 주로 하는 일은 시스템 전반에 대한 로우 레벨(low-level) 제어, 즉 메모리, 프로세스, 디바이스, 파일시스템, 입출력, 프로세스 간 통신 관리 및 보안 등이다. 이러한 커널의 핵심 기능은 유기적으로 서로 복잡하게 얽혀있으며, 이러한 기능을 어떻게 구현하였느냐에 따라 단일형 구조 커널, 계층형 구조 커널, 마이크로 구조 커널로 구분된다.

II. 커널의 기능

• Memory Management
  • 프로세스별 메모리 할당 및 가상 메모리를 포함한 시스템 메모리 관리
• Process Management
  • 프로세스 생성, 종료, 스케쥴링, 우선순위 변경, 프로세스간 통신을 포함한 프로세스 관리
• Device Management
  • 디바이스 드라이버를 포함한 하드웨어 디바이스 및 입출력 작업 관리
• File System Management
  • 파일의 읽기/쓰기/생성/삭제/권한 관리
• Security and Protection
  • 권한이 있는/인증된 유저만 리소스에 접근할 수 있도록 보안 관리

III. 커널 타입

-   단일형 커널(Monolithic Kernel)
단일형 커널(모놀리식 커널)은 초기 운영체제 구조로 커널의 핵심 기능을 구현하는 모듈들이 구분 없이 하나의 큰 프로그램으로 구성되어있다. 모놀리식 커널의 대표적 예시는 MS-DOS, VMS, 초기의 유닉스 운영체제이며 이 때의 커널은 모듈 간 통신 비용이 줄어들어 효율적인 성능을 발휘할 수 있었지만 모든 모듈이 하나로 묶여있기 대문에 부분 버그나 오류를 처리하기 어려운 단점이 있다. 또한 다양한 환경의 시스템에의 이식성이 낮고, 운영체제의 여러 기능이 서로 연결되어 있어 상호 의존성이 높기 때문에 기능상의 작은 결함이 시스템 전체로 확산될 우려가 있다.

-   마이크로 커널(Microkernel)
마이크로 커널의 운영체제는 프로세스,메모리,프로세스 간 통신 관리와 같은 가장 기본적인 커널 기능만 제공한다. 커널의 구조적 관점에서는 다른 커널에 비해 운영체제의 많은 부분이 사용자 영역에 구현되어있다. 마이크로 구조에서 각 모듈은 독립적으로 작동하기 때문에 하나의 모듈이 실패하더라도 전체 운영체제가 멈추지 않으며 또한 다양한 시스템 환경에의 이식성이 높고 커널이 가벼워 CPU 용량이 작은 시스템에도 적용 가능하다.(i.e 모바일)

- 계층형 커널(Layered Kernel)
계층형 커널은 단일형 커널이 발전된 형태로 비슷한 기능을 가진 모듈을 묶어 하나의 계층(Layer)을 만들고 계층 간의 통신을 위해 운영체제를 구현하는 방식이다. 비슷한 기능을 모아 모듈화했기 때문에 단일형 구조보다 버그나 오류를 쉽게 처리할 수 있고 이슈 발생 시 전체 커널을 고치는 것이 아니라 해당 계층만 손 보면 되기 때문에 디버깅도 용이하다. 

IV. 커널 동작 구조

-   User Mode vs. Kernel Mode
커널은 커널모드(Kernel Mode)로 알려진 Privileged Mode 에서 동작한다. 반대의 Non-Privileged Mode는 유저모드(User Mode)이다. 이러한 모드의 구분은 커널로 하여금 시스템 리소스 전반에 대한 제어 권한을 주고, 액세스 권한이 없는 접근을 차단하는 메커니즘을 가능하게 한다. 

-   Kernel Data Structures
커널은 프로세스 테이블, 페이지 테이블과 같은 데이터 구조체를 이용하여 시스템 리소스를 관리한다.

-   Interrupt Handling
커널은 하드웨어 디바이스 및 시스템 호출과 같은 소프트웨어 exception 등의 인터럽트를 핸들하는 역할을 한다.

V. 마무리

운영체제는 커널과 인터페이스를 분리하여 같은 커널을 사용하더라도 다른 인터페이스를 가진 형태로 제작할 수 있다. 이를 통해 같은 커널이라도 다른 인터페이스가 장착되면 사용자에게는 다른 운영체제로 보이게 된다. 유저 입장에서는 커널보다 인터페이스가 먼저 보이기 때문에 좋은 커널의 컴퓨터보다 좋은 인터페이스의 컴퓨터를 사용하려는 경향이 있다.

추가로 커널 개발은 C 언어 및 어셈블리어를 이용하며 커널의 소스 코드를 통해 특정 기능을 추가하거나 제거, 성능 최적화, 특정 하드웨어나 소프트웨어 요구사항에 맞는 커스터마이징이 가능해진다.