리눅스 OS와 서브시스템(논문: Conceptual Architecture of the Linux Kernel)

[+] 관련 논문: https://docs.huihoo.com/linux/kernel/a1/index.html

Conceptual Architecture of the Linux Kernel

* 개인적인 공부를 위해 작성중인 컨텐츠입니다.

* 만일 잘못된 내용/오역이 있는 경우 편히 댓글을 통해 알려주시면 감사하겠습니다.

 

 

- 리눅스 커널은 전체적인 시스템의 일부로 참여하는 방식으로 작동하며, 고립된 상태에서는 무용합니다.

- 아래 Figure 2.1은 전체 리눅스 운영 체제가 모듈화, 유지보수의 용이성, 기능 분리, 이기종 간의 유연성 등을 위해 각각의 서브 시스템으로 나누어져 있는 모습입니다.

 

1. Linux SubSystem

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각 서브시스템 레이어는 바로 인접한 서브시스템 레이어와만 통신할 수 있습니다. 또한, 서브시스템 간의 의존성은 하향식입니다. 상단에 가까울 수록 하위 레이어에 의존하지만 하단에 가까운 서브시스템은 상위 레이어에 의존하지 않습니다.

 

- 하드웨어 컨트롤러:

이 서브시스템은 리눅스 시스템의 물리적 하드웨어 장치와 자원을 관리하고 제어하는 역할을 합니다. 리눅스 시스템에서 사용 가능한 모든 물리적 장치로 구성되며, CPU, 메모리 하드웨어, 하드디스크 및 네트워크 하드웨어 등의 자원을 User Application 및 OS 서비스에 제공하기 위해 System call 또는 API 함수 호출 등을 통해 커널에 요청합니다.

 

- 리눅스 커널:

커널은 CPU를 포함한 하드웨어 리소스에 대한 접근을 추상화하고 중재합니다.

 

- OS 서비스:

운영 체제의 일부로 간주되는 일반적인 서비스들 (명령 셸 등) 및 커널에 대한 프로그래밍 인터페이스(컴파일러 도구 및 라이브러리)도 이 서브시스템에 포함됩니다.

 

- User Application:

컴퓨터 시스템이 어떤 용도로 사용되는지에 따라 다를 수 있지만 전형적으로 각종 응용 프로그램 및 웹 브라우저가 있습니다.

 

[+] 하드웨어 자원이 OS 및 User Application에 제공되는 과정

1. App/OS 서비스에서 커널에 필요 자원을 요청 (system call / API 함수 호출)

2. 커널 내 요청 처리:

커널은 해당 요청이 어떤 하드웨어 자원에 접근하거나 관련 작업을 수행해야 하는지 결정합니다.

- 파일 시스템 접근, 메모리 할당, 네트워크 통신, 디바이스 드라이버 호출 등 다양한 작업이 있을 수 있습니다.

3. 커널의 하드웨어 자원 관리:

커널은 이러한 요청 처리를 위해 CPU시간, 메모리 공간, 저장 장치 등과 같은 자원을 할당 및 관리합니다.

4. 요청 완료 및 결과 반환:

커널은 App/OS 에 작업의 성공/실패 여부, 데이터 읽기 또는 쓰기와 같은 결과를 반환합니다.

 

2. Purpose of the Kernel

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리눅스 커널은 사용자 프로세스에 가상 머신 인터페이스를 제공합니다. 리눅스 커널은 모든 하드웨어를 일관된 가상 인터페이스로 추상화하기 때문에 프로세스 생성을 위해 컴퓨터에 어떤 물리적 하드웨어가 설치되어 있는지 전혀 알 필요가 없습니다. 이와 더불어 리눅스는 사용자 프로세스에 투명하게 멀티태스킹을 지원하기 때문에 각각의 프로세스는 메인 메모리 및 다른 하드웨어 자원을 독점하여 컴퓨터에서 실행되고 있는 유일한 프로세스처럼 작동하는 것 처럼 보일 수 있습니다. 하지만 실제로 커널은 여러 개의 프로세스를 동시에 병렬로 실행하며, 프로세스 간 보안이 유지되는 동안 각 프로세스가 하드웨어 자원에 공정하게 접근할 수 있도록 중개하는 역할을 합니다.

 

* 동시 실행: 커널은 다양한 응용 프로그램의 동시 실행을 위해 각 프로세스가 별도의 실행 환경에서 실행될 수 있게 관리합니다.

* 프로세스 보안: 각 프로세스는 독립적인 실행 단위로 분리되며, 한 프로세스가 다른 프로세스의 데이터나 메모리에 접근할 수 없도록 각 프로세스가 자체적으로 고유한 메모리 영역을 가지도록 합니다: [1], [+] 프로세스의 메모리 주소 공간

프로세스의 메모리 주소 공간(Virtual Address Space; VAS)

 

3. Overview of the Kernel Structure

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Figure 2.2는 리눅스 커널의 5가지 주요 서브시스템 구조를 보여줍니다.

1. 프로세스 스케쥴러(SCHED):

SCHED(Process Scheduler)는 CPU에 대한 프로세스 액세스를 제어하는 역할을 합니다. 스케줄러는 필요한 하드웨어 작업을 커널이 제때에 수행하도록 보장하면서 프로세스가 CPU에 공정하게 액세스할 수 있도록 정책을 시행합니다.

 

2. 메모리 매니저(MM):

MM(Memory Manager)는 다수 개의 프로세스들이 머신의 메인 메모리 시스템을 안전하게 공유할 수 있도록 메모리를 할당하고 관리합니다. 또한 MM은 프로세스 동작을 위해 시스템 가용 메모리보다 많은 메모리 사용이 요구 될 때 가상 메모리를 지원하는 역할도 합니다. 프로세스 동작 중 시스템에서 사용되지 않는 프로세스의 데이터와 코드를 페이지 아웃(Page Out) 하여 현재 물리 메모리(RAM)에서 프로세스의 메모리 페이지를 해제하고, 파일 시스템을 사용해 하드 디스크로 스왑 아웃(Swap Out) 하여 해당 페이지를 하드 디스크로 옮깁니다.

- 현재 물리 메모리(RAM)에서 프로세스의 메모리 페이지를 해제: Page Out

- 현재 물리 메모리(RAM)에서 하드 디스크 스왑 영역으로 페이지를 이동: Swap Out

 

3. 가상 파일 시스템(VFS)

VFS(Virtual File System)는 모든 디바이스에 공통 파일 인터페이스(open/read/write/close 등)를 제공하여 다양한 하드웨어 디바이스의 세부 정보를 추상화하며, 이외에도 다른 운영 체제와 호환되는 여러 파일 시스템 형식을 지원합니다: [+] 리눅스 커널 서브시스템 - 가상 파일 시스템(Virtual File System)

 

리눅스 커널 서브시스템 - 가상 파일 시스템(Virtual File System)

 

4. 네트워크 인터페이스(NET)

NET(Network Interface)은 여러 네트워킹 표준과 다양한 네트워크 하드웨어에 대한 액세스를 제공합니다.

 

5. 프로세스 간 통신(IPC- Inter-Process Communication)

IPC 서브시스템은 단일 리눅스 시스템 내에서 프로세스간 통신을 위한 메커니즘을 제공합니다.

 

 

 

References:

[1] https://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B0%80%EC%83%81_%EC%A3%BC%EC%86%8C_%EA%B3%B5%EA%B0%84

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