운영 체제

1) 운영체제 기초 활용

1) 운영체제

1) 운영체제의 특징

운영체제는 사용자로 하여금 컴퓨터의 하드웨어를 보다 쉽게 사용할 수 있도록 인터페이스를 제공해주는 소프트웨어이다.

하드웨어는 컴퓨터의 장치를 제어하고 데이터를 처리하는 중앙처리장치, 데이터를 저장하는 기억장치, 외부와의 통신을 담당하는 통신장치 그리고 데이터 입력과 출력을 담당하는 입출력장치 등으로 구분될 수 있다.

운영체제는 사용자 편의성을 위한 인터페이스인 동시에 다양한 자원을 관리하는 자원 관리자이다.

 

운영체제의 제어 범위

 

2) 운영체제의 목적

운영체제의 목적이자 성능 평가 항목은 아래와 같다.

처리 능력(Throughtput)	일정한 단위 시간 내에 처리할 수 있는 일의 양
반환 시간(Turn Around Time)	하나의 작업을 시작한 시간에서부터 결과를 얻을 때까지 걸린 시간
사용 가능도(Availability)	시스템을 이용하려 할 때 얼마나 빨리 사용할 수 있는지의 정도
신뢰도(Reliability)	시스템이 주어진 문제를 정확하게 해결할 수 있는지의 정도

 

 

3) 운영체제 발달 과정

1. 1950년대 : 일괄 처리 시스템, 버퍼링, 스풀링
   • 일괄 처리 시스템 : 데이터를 모아두었다가 묶어서 처리한다.
   • 버퍼링 : 입출력장치와 프로세서의 속도 차이를 보완하기 위해 다음 레코드를 주기억장치에 보관함으로써 CPU가 필요로 하는레코드를 기다림 없이 전달해 줄 수 있다. 이 레코드를 저장하는 주기억장치를 버퍼라고 한다.
   • 스풀링 : 버퍼링과 다르게 스풀링은 주기억장치 대신 디스크를 매우 큰 버퍼처럼 사용한다. 여러 작업의 입출력과 계산을 함께 할 수 있다는 장점이 있다.
2. 1960년대 : 다중 프로그래밍, 시분할 시스템, 다중 처리 시스템, 실시간 시스템
   • 다중 프로그래밍 : 여러 프로그램을 메모리에 나눠 적재한 후 번갈아 할당하며 여러 프로그램을 동시에 실행한다.
   • 시분할 시스템 : 다중 프로그래밍 시스템을 확장하여 프로세서 스케줄링이라는 개념을 더한 시스템으로, 여러 사용자에게 짧은 간격으로 프로세서를 번갈아 가며 할당해 마치 혼자 독점하는 것처럼 사용할 수 있다.
   • 다중 처리 시스템 : 하나의 시스템에서 여러 개의 프로세서를 사용하는 시스템이다.
   • 실시간 시스템 : 데이터가 발생하는 즉시 응답하는 시스템이다.
3. 1970년대 초반 : 다중 모드, 범용 시스템
   • 다중 모드 : 일괄, 시분할, 실시간, 다중 처리 등을 모두 제공하는 시스템으로, 고가이며 계획한 시간과 예상을 초과하여 완성되었으며 사용에도 고도의 훈련이 필요하다.
   • 범용 시스템 : 특별히 정해진 용도로만 사용되는 것이 아니라 메모리에 적재되어 실행되는 프로그램에 따라 여러 가지 용도로 사용할 수 있는 시스템이다.
4. 1970년대 중반 이후 : 분산 처리 시스템, 병렬 처리 시스템
   • 분산 처리 시스템 : 독립적인 처리 능력을 가진 컴퓨터 시스템을 통신망으로 연결하여 네트워크 상에서 서로 통신하며 협력하여 처리하는 시스템이다.
   • 병렬 처리 시스템 : 하나 이상의 연산을 동시에 수행하여 연산 속도를 증가시키는 시스템이다.
5. 2000년대 : 모바일 및 임베디드, 가상화 및 클라우드 컴퓨팅
   • 임베디드 : 내장형 시스템, 기계나 기타 제어가 필요한 시스템에 대해 특정 기능을 수행하는 시스템으로 장치 내에 존재한다.
   • 가상화 : 물리적 하드웨어 등을 사용자로부터 은폐하여, 대체품으로 논리적인 리소스를 제공하거나 하나의 물리적인 리소스를 여러 개로 보이게 하는 기술이다.
     
     • 호스트 OS형 : 물리적 하드웨어 위에 OS를 설치하여 가상화 소프트웨어와 가상머신을 이용하는 방식이다.
       ex) 기존 OS 위에 가상화 OS를 설치
     • 하이퍼바이저형 : HOST OS를 필요로 하지 않고, 직접 물리 하드웨어를 움직여 독립한 호스트와 같이 행동하는 방식이다.
       ex) 가상화를 위한 독립적 OS를 직접 설치
     • 컨테이너형 : 컨테이너라는 가상화 소프트웨어를 이용하여 사용하는 방식이다.
       ex) 미리 구축해 놓은 가상화 OS(컨테이너)를 설치
   • 클라우드 컴퓨팅 : 인터넷 기반으로 구동되는 컴퓨팅 기술, 정보를 자신의 컴퓨터가 아닌 클라우드(인터넷)에 연결된 다른 컴퓨터로 처리하는 기술이다.
     • IaaS 인프라형 : 사용자가 관리할 수 있는 범위가 가장 넓은 클라우드 컴퓨팅으로  서버OS, 미들웨어, 런타임, 데이터 등 직접 구성하고 관리할 수 있다.
     • PaaS 플랫폼형 : 미리 구축된 플랫폼을 이용하는 클라우드 컴퓨팅으로 관리상의 자유도는 낮지만 개발 자체에 집중할 수 있다.
     • SaaS 서비스형 : 소프트웨어 및 관련 데이터는 중앙 호스팅이 되고, 사용자는 제공해 주는 소프트웨어를 서비스 받아 사용한다.

 

2) 운영체제 개열별 특징

1) 윈도우 계열

마이크로소프트사에서 1995년도에 윈도우즈 95(Windows 95)르 발표한 이후 지속적으로 98, ME, XP, 7, 8, 10 등의 버전으로 출시되고 있다.

사용자가 컨트롤하는 마우스의 아이콘을 이용하여 소프트웨어를 실행시키는 편리한 인터페이스를 지원하는 것이 특징이다.

마이크로소프트사만이 수정 및 배포할 수 있으며 고객 지원이 체계적이라는 장점을 가지고 있지만, 문제점(버그 등)이 발견되었을 시 수정에 시간이 걸린다는 단점이 있다.

문제 발생과 해결의 시간적인 차이를 이용한느 악성 해커들로 인해 유닉스 계열의 운영체제에 비하여 보안이 취약하다는 문제점이 지속적으로 제기되고 있다.

 

윈도우의 특징 및 용어

선점형 멀티테스킹	운영체제가 수행 중인 각 프로그램의 실행시간을 할당하고 실행 중에 문제가 발생하면 해당 프로그램을 강제 종료시킨 후, 모든 시스템 자원을 반환하느 멀티태스킹 운영 방식
PNP(Plug & Play)	장치와 장치를 연결할 때, 별도의 사용자 조작이 필요 없이 자동으로 장치를 인식하여 사용 가능
핫플러그	시스템 전원이 켜져 있는 상태에서 장치를 추가하는 것은 가능하나, 제거한느 것은 불가능
핫스왑	핫플러그와 다르게 전원이 켜져 있는 상태로 장치의 교체 가능
가상화	단일 호스트에서 서로 다른 운영체제를 구동할 수 있게 하는 기능
하이퍼바이저	단일 호스트에서 다른 운영체제를 가상으로 구동 지원하는 플랫폼, 대표적으로 VRWARE사의 VM-WARE, ORACLE사의 Virtualbox 등
FAT 파일 시스템	파일 할당 테이블(File Allocation Table)을 의미하며, 운영체제를 운용하는 데 디스크 공간을 할당
NTFS 파일 시스템	Windows가 현재 사용 중인 압축 파일 시스템으로 이전 버전의 FAT에 비해 신뢰성, 성능 등이 개선되어 디스크 공간을 효율적으로 사용 가능
ReFS 파일 시스템	MS에서 NTFS를 대체하기 위해 개발한 차세대 파일 시스템

 

2) 유닉스 계열

유닉스는 1960년대 AT&T Bell 연구소, MIT 그리고 General Electric이 공동 연구로 개발에 착수하여 개발한 운영체제이다.

멀티태스크 기능에 초점을 맞추었으며 초기 운영체제 Multics를 만들었다.

C언어로 재이식되어 대중화의 기반을 마련하였고, 1970년대 AT&T가 본격적으로 유닉스 시스템을 판매하게 되었다.

이후 많은 변화를 거쳐 SYSTEM V 계열과 BSD(Berkely SOftware DIstribution) 계열로 발전해왔으나, 현재는 이 둘의 장점을 통합한 버전이 유닉스가 배포되고 있다.

IBM의 사용 운영체제인 AIX, 오라클의 솔라리스(Solaris), HP의 UX가 그 예이다.

 

유닉스의 구성

커널	운영체제의 핵심적인 구성요소 중 하나로서 프로세스 수행에 필요한 하드웨어 성능 등을 조정할 수 있도록 이어주는 서비스를 제공
쉘	실행한 프로세스 등을 커널에게 전달할 수 있도록 번역해 주는 명령 번역기
유틸리티	운영체제에서 제공하는 것이 아닌 그 외의 실행 가능한 프로그램

 

유닉스의 특징 및 용어

시분할 시스템	사용자에게 컴퓨터의 자원을 시간에 따라 분할하는 시스템으로 사용자와 컴퓨터 간의 대화를 통해 작업을 처리하는 시스템
UFS 파일 시스템	유닉스 파일 시스템(Unix File System)으로 유닉스 및 유닉스 운영체제 등에서 쓰이는 디스크 기반의 파일 시스템
아이노드(i-node)	정규 파일, 디렉터리 등의 파일 시스템을 보유한 유닉스 시스템 및 유닉스 계열의 운영체제에서 사용하느 자료 구조 시스템
소프트 링크(심볼릭 링크)	유닉스 계열 운영체제에서 사용되는 기능이며, i-node를 이용하여 windows의 바로가기와 동일하게 링크 파일 삭제 시 원본을 유지시키는 링크 시스템
하드 링크	소프트 링크와는 다르게 원본과 동기화 된 바로가기 기능이며, 링크 파일 삭제 시에 원본 파일도 삭제되는 링크 시스템

 

 

3) 리눅스 계열

리눅스는 유닉스의 호환 커널이다.

1991년 리누즈 토발즈(Linus Tovalds)는 '자유 소프트웨어(Free Software)' 정책 하에서 완전히 자유롭고 재배포가 가능한 운영체제인 유닉스를 만들었다.

리눅스는 수천 명 이상의 개발자들이 코드를 보고 업데이트를 하고 있으므로 버그 발생 시 다수의 개발자가 수정에 참여하여 빠른 업데이트가 가능하지만, windows와 같은 체계적인 지원이 상대적으로 부족하여 일반인들보다는 전문가들이 사용하고 있다.

리눅스는 데비안, 레드헷, Fedora, Ubuntu, CentOS 와 같이 다양한 버전으로 다양한 회사에서 출시되고 있어 배포 정책, 배포 주기, 사상 등이 각기 다르다.

유닉스는 현재 서버 시장과 슈퍼 컴퓨터 시장에서 매우 높은 점유율을 가지고 있다.

 

유닉스와 리눅스의 차이점

분류	리눅스	유닉스
비용	대부분 무료이며 지원 정책에 따라 일부 유료 서비스 제품도 있다.	대부분 유료
주 사용자	개발자, 일반 사용자	메인프레임, 워크스테이션 등 대형 시스템 관리자
개발사	커뮤니티	IBM, HP 등
개발 배포	오픈소스 개발	대부분 사업자에 의해 배포
사용량	모바일폰, 테블릿 등 다양하게 사용	인터넷 서버, 워크스테이션 등 대형 서비스에 주로 사용
사용자 편의	GUI 제공, 파일 시스템 지원 BASH Shell 사용	커맨드 기반이 주였으나 GUI도 제공하는 추세 기본은 Bourne Shell, 현재는 다른 많은 Shell 과 호환 가능

 

4) 매킨토시 운영체제(OS X)

유닉스 기반으로 만들어져 애플사의 제품군에만 사용이 가능한 그래픽 기반 운영체제이다.

애플사는 OS라는 운영체제를 오랜 기간 유지하여 왔으나, 1999년 OS X로 업데이트를 하였다. 이후에는 클라이언트 버전, 서버 제품 등으로 제품군을 확대하였으며 2017년 OS X 시에라, 2018년 모하비 등을 지속적으로 발표하고 있다.

매킨토시 OS는 프로그램을 카피하고 삭제함으로써 install과 uninstall의 과정을 단순화하였으며, 드라이버 설치 또한 OS의 확장 폴더에 넣고 재부팅을 하면 인식되어 매우 간단하다.

 

2) 운영체제 기본 명령어 활용

1) 운영체제 기본 명령어

운영체제를 제어하기 위한 방법은 CLI와 GUI가 있다.

- CLI(Commend Line Interface) : 사용자가 직접 명령어를 입력하여 컴퓨터에게 명령을 내리는 방식

- GUI(Graphic User Interface) : 마우스로 화면을 클릭하여 컴퓨터를 제어하는 방식

초기 운영체제들은 CLI 기반의 운영체제를 많이 사용하였으나 마우스 기반의 제어 시스템인 GUI가 개발되며 CLI의 사용 빈도가 줄어들었다.

현재는 오픈소스 기반의 개바 환경이 급격히 늘어나며 GitHub 등의 사용이 증가하여 CLI의 기본 개념과 명령어들의 중요성이 다시 높아지고 있다.

 

2) CLI 기본 명령어

1) 윈도우

CLI 명령어를 입력하기 위해서는 Commend 창이 필요하다.

프로그램 및 파일 검색에서 'CMD'를 입력하거나 윈도우 보조 프로그램 중 명령 프롬프트를 실행하여 입력할 수 있다.

 

2) 리눅스/유닉스 계열

리눅스와 유닉스 명령어는 쉘에서 입력할 수 있다.

쉘이란 컴퓨터 내부를 관리하는 커널과 사용자 간을 연결하는 창이다.

쉘의 주요 기능

- 세션별 변수를 설정, 운영체제를 사용자가 원하는 상태로 설정하다로고 지원

- 사용자 요청에 기반한 명령열 작성

- 백그라운드 처리, 서브 쉘 설정

- 일련의 명령어를 묶어 처리하는 스크립트 기능 지원

 

3) 리눅스 디렉터리 구조

리눅스 디렉터리란 윈도우의 폴더와 같은 개념이다.

기본적으로 윈도우에서는 ₩ 또는 역슬래시(\)를 사용하고 리눅스에서는 슬래시(/)를 사용한다.

최상위 디렉터리는 / 이며 root는 최상위 디렉터리 아래의 root 계정의 홈 디렉터리임을 의미한다.

 

4) CLI 대표 명령어

기능	윈도우/MS-DOS	리눅스
경로 변경	cd	cd
목록 출력	dir	ls
파일 복사	copy	cp
구조 복사	xcopy	cp
디렉터리 생성	mkdir	mkdir
하위 파일 삭제	del	rm
권한 설정	attrib	chmod
화면 표시	type	cat
목적지까지 경로	tracert	traceroute
프로세스 종료		kill
실행 중 프로세스 표시		ps
디렉터리 경로 표시		pwd
네트워크 상태 점검		ping
접속해 있는 사용자 표시		who

 

 

3) GUI 기본 명령어

윈도우 내에서 파일을 이동하고 프로그램을 실행하는 것 등 모든 것이 GUI 명령에 해당한다. 메모리나 디스크 제어 등이 필요한 경우에는 제어판에서 필요 기능을 선택하여 명령을 내릴 수 있다.

리눅스의 GUI는 windows와 같이 기본 설정이 아닌 경우가 많아 버전별로 별도의 설치 방법에 따라 GUI 환경을 설치해야 한다. 설치 뒤에는 GUI 환경과 CLI 환경을 이동한느 명령어를 사용하여 두 환경을 이동할 수 있다.

 

윈도우 단축키

Ctrl + C	복사	Window + A	윈도우 알림 센터
Ctrl + X	자르기	Window + M	열려 있는 창 최소화
Ctrl + V	붙여넣기	Window + S	윈도우 검색창 실행
Ctrl + Z	작업 취소, 실행 취소	Window + X	윈도우 시스템 관리 메뉴
Ctrl + A	전체 선택	Window + I	윈도우 설정 실행
Ctrl + W	활성화 된 창 닫기	Window + Pause	시스템 구성요소(정보) 확인
Alt + F4	실행 종료	Window + Shift + M	최소화된 창을 복원
Alt + Tab	창 전환	Window + Shift + S	캡쳐도구 실행(영역 캡쳐)
Window + E	윈도우 탐색기 실행	Window + Tab	테스크 바 실행 실행 중인 모든 앱 타임라인 보기
Window + R	윈도우 실행창 표시	Window + Ctrl + D	가상 데스크톱 추가
Window + D	바탕화면 표시	Window + Ctrl + F4	현재 사용중인 가상 데스크톱 닫기
Window + L	사용자 전환 / 윈도우 잠금	Window + SHift + ⬅︎, ➡︎	실행 중인 창을 다른 모니터에 표시

 

3) 운영체제 핵심 기능 파악

1) 운영체제 핵심 기능

운영체제는 중앙처리장치, 메모리, 스토리지, 주변 기기 등을 적절히 관리한다. 특히 주기억장치와 메모리, 메모리와 스토리지 사이의 속도차로 인해 여러 가지 관리 기법들이 개발되었다.

초기에는 메모리 용량에 제한이 많아 소프트웨어 개발 시 메모리 관리가 매우 중요했으나, 최근에 들어서는 운영체제에서 대부분 자동으로 관리해 주므로 사용이 편리해졌다. 또한 개발 및 시스템 환경이 클라우드화 되면서 자원 관리에 필요한 노력이 많이 줄었다.

 

1) 메모리 관리

메모리 안에는 다수의 프로그램들이 실행된다. 프로그램 실행 중 메모리가 꽉 차게 되면 시스템의 속도가 느려지고 때로는 시스템이 멈추는 현상이 발생한다. 따라서 프로그램의 실행이 종료될 때까지 메모리를 가용한 상태로 유지 및 관리하는 것을 메모리 관리라고 한다. 메모리에 있는 프로그램은 중앙처리장치인 CPU로 이동하여 처리된다.

 

2) 프로세스 관리

프로그램은 파일 형태로 저장하여 관리되다가 실행을 시키면 동작을 하게 된다. 이 때 실행중인 프로그램을 프로세스(Process)라고 하여, 작업(Job) 또는 태스크(Task)라고도 한다.

프로세스 관리 기법에는 일시 중지 및 재실행, 동기화, 통신, 교착상태 처리 ,프로세스 생성 삭제 등 이 있다.

윈도우에서는 작업 관리자의 프로세스 탭에서 다양한 프로세스를 조회할 수 있고 프로그램이 정상 동작하지 않을 때 프로그램 끝내기를 통해 프로세스를 중단시킬 수 있다.

 

① 프로세스 상태

생성(Create)	사용자에 의해 프로세스가 생성된 상태
준비(Ready)	프로세스가 준비 큐에서 실행을 준비하고 있는 상태
실행(Running)	준비 큐에 있는 프로세스가 CPU를 할당받아 실행
대기(Waiting)	프로세스 수행 중, 입/출력을 위한 대기 상태로 전이
종료(Terminated)	프로세스가 CPU를 할당받아 수행을 종료한 상태

 

② 프로세스 상태 전이

디스패치(Dispatch Process)	ready -> running 준비 상태에서 실행 상태로 바뀌는 것
보류(Block Process)	running -> blocked 프로세스 실행 중 시간이 다 되기도 전에 입출력 동작을 해야 할 경우 프로세스가 CPU를 반납하고 보류 상태로 들어가는 것
깨움(WakeUp Process)	blocked -> ready 보류 상태 이후 다시 준비 상태로 넘어가는 것
시간 제한(TimeOut Process)	running -> ready 클락 인터럽트를 통해 프로세스가 일정 시간만 점유할 수 있게 하는 것

 

 

③ 프로세스 스케줄링

프로세스를 효율적으로 실행될 수 있도록 여러 자원들 사이의 우선순위를 관리하는 작업이다.

 

선점형 : 이미 할당되어 실행 중인 프로세스라도 강제로 빼앗아 선택하여 사용할 수 있다.

RR(라운드 로빈)	순서대로 시간 단위로 CPU를 할당하는 방식으로, 자원 사용에 제한된 시간이 있고 할당된 시간이 지나면 자원을 반납
SRT(Shortest Remaining Time)	SJF 기법의 장점을 최대화 하여 실행 시간이 가장 짧은 시간을 우선적으로 처리하는 방식
다단계 큐	프로세스를 그룹으로 분류할 수 있을 경우 그룹에 따라 각기 다른 준비 상태의 큐를 사용하는 기법
다단계 피드백 큐	다단계 큐를 보완하여 프로세스 큐들 간의 이동이 허용될 수 있도록 개선한 기법

 

비선점형 : 이미 실행 중인 프로세스를 강제로 빼앗아 사용할 수 없다.

FIFO - FCFS	선입선출 방식(먼저 들어오면 먼저 나가는 방식)으로, 우선순위에 상관없이 먼저 도착한 프로세스부터 처리
SJF(Shortes Job First)	CPU 점유 시간이 가장 짧은 프로세스를 먼저 할당하는 처리
HRN	SJF 기법을 보완하여 대기시간과 실행시간을 이용하여 처리 (대기시간 + 실행시간) / 실행시간
우선순위	준비 상태의 프로세스마다 우선순위를 부여하여 가장 높은 프로세스부터 할당하는 기법

 

 

2) 가상화 및 클라우드

1) 가상화

① 가상화의 개념

• 가상화는 물리적인 리소스들을 사용자에게 하나로 보이게 하거나, 반대로 하나의 물리적인 리소스를 여러 개로 보이게 하는 것을 의미한다.
• 대부분의 서버는 용량의 20% 정도만을 사용하는데, 가상화는 서버의 가동률을 60 ~ 70% 이상으로 올릴 수 있다.

 

② 가상화의 종류

• 플랫폼 가상화 : 하드웨어 플랫폼 위에서 실행되는 호스트 프로그램이 게스트 프로그램을 만들어 마치 독립된 환경을 만들어 낸 것처럼 보여주는 것이다.
• 리소스 가상화 : 메모리, 저장 장치, 네트워크 등을 결합하거나 나누는 것으로, 사용자는 가상화 된 물리적 장치들이 어떤 위치에 있는지 모르는 경우가 많다.

 

2) 클라우드

① 클라우드의 개념

• 인터넷 기반에서 구동되는 컴퓨팅 기술을 의미한다.
• 클라우드 컴퓨팅을 이용하면 응용 프로그램을 필요에 따라 불러 사용하고, 데이터를 손쉽게 저장 및 추출할 수 있다.
• 태블릿, 휴대폰 등 사용 디바이스가 다양해지면서 클라우드 컴퓨팅은 중요도가 높아지고 있다.

 

② 클라우드 서비스의 종류

LaaS(Infrastructure as a Service) 인프라형	사용자가 관리할 수 있는 범위가 가장 넓은 클라우드 서비스로, 웹 상에서 구글, 마이크로소프트, 아마존 등에서 제공하는 환경의 네트워크, 보안, 데이터 저장소, 콘테츠 딜리버리 서비스를 포함한 다양한 인프라를 임대하여 이용할 수 있는 서비스이다.
PaaS(Platform as a Service) 플랫폼형	운영체제가 이미 구성되어 있는 상태에서 사용자는 데이터와 애플리케이션만 직접 관리할 수 있는 서비스로, 미리 구축된 플랫폼을 이용하여 관리상의 자유도는 낮지만 개발 자체에 집중할 수 있다는 장점이 있다.
SaaS(Software as a Service) 서비스형	인프라와 운영체제뿐만 아니라 사용할 수 있는 소프트웨어까지 갖추어져 웹상의 로그인만으로 다양한 소프트웨어를 사용한 만큼 비용을 지불해가면서 사용할 수 있는 서비스이다.