Overview of Operating System(1)

1. Operating System

Examples of OS

• UNIX: Free BSD, AIX, HP-UX, System V, Solaris
• LINUX: a variant of UNIX
• Windows 7, 10, 11, Windows Server 2019
• Android Marshmallow, Nought, 8, 9, ...
• macOS 11, 12, 13 / iOS 16 / ipadOS 15 ...
• ChromeOS

What is OS?

1. System SW

• Interface between HW and Apps(Users)
• manages HW and SW resources
• provides common services for computer programs
  

2. resource manager

• H/W(memory)
• S/W(stack, heap, page table)
• Files
• Folders
• Data

3. provides services for Apps&Users

OS Services

1. Program execution

• CPU scheduling, process state transition
  • program이 virtual memory에 적재되는 순간(실행) process가 된다.
  • execve(), fork(), wait(), exit(),...

2. Memory management

• Virtual memory와 physical memory를 mapping하는 것
• mmap(), mprotect(), madvise(),...

3. I/O operations

4. File system manipulation

• creat(), open(), read(), write(), unlink(),...

5. Communications including IPC(Inter-Process Communication)

IPC: 서로 독립적인 메모리 공간을 가진 여러 프로세스가 데이터를 주고받거나 통신하는 기법

• Shared memory, message passing
  • Access to a shared resource allows computation speed-up, data availability. etc.

6. Error detection & handling

• kill process

Multi-user OS

여러 사용자가 동시에 시스템에 접근하더라도 각 사용자는 독립적인 사용 공간을 할당받아 서로 간섭 없이 시스템을 사용할 수 있는 운영체제이다.

Some permit many concurrent users

• UNIX
• All Linux-based OS(Ubuntu)
• Mac OS X
• Windows Server 2022
• IBM AS400
• Banking system, Portal server, DB server

반대로, Single-user OS는 한 순간에 한 명의 사용자만 시스템을 사용할 수 있도록 설계된 운영체제이다. 대표적인 예로는 Windows가 있다.

Time Sharing OS

여러 process가 CPU를 사용할 때, CPU 시간을 아주 짧은 단위로 나누어 공유하는 기법 중 하나이다. 사용자는 이러한 시간 분할을 거의 인지하지 못할 정도로 매우 빠른 속도로 CPU 할당이 전환되어, 동시에 여러 작업을 수행하는 듯한 경험을 하게 된다. single core의 경우 token을 돌려서 사용한다.

Pros

• Each task gets an equal opportunity
• Less chances of duplication of software
• Can idle time can be reduced

Cons

• Reliability problem
  • take care of security and integrity of user programs and data
• Data communication problem

Multi-user or Multi-tasking

• Multi-user와 Multi-tasking은 유사하다.

Processor는 HW를 의미하고, Process는 OS에서 관리하는 실행 단위를 뜻한다.

Functions of OS

OS Functions for ensuring efficient system operations

1. Resource allocation
2. Accounting
   • keep track of and record which users use how much and what kinds of computer resources
   • $top: 현재 시스템 자원 사용 현황 확인 명령어
3. Protection

OS Components

• Process management
• Main memory management
• File management
• I/O system management
• Networking
• Protection & Security system
• Command interpreter system : shell, CLI, GUI

Sharing vs. Protection

Sharing

• Multi-user
• Multi-tasking
• Multi-processing
• Multi-threading

특정한 자원을 공유할 때, 안전한 공유를 위해서는 Protection이 중요하다.

Protection

• Separation
  • Separate UIDs - Root, Normal users
  • Home dir
  • Process address space
  • Virtual machines
  • Separate email accounts on a web portal

서로의 영역을 침범하지 않도록 분리되어 있기 때문에, OS는 process 간 context switching을 수행한다.

Partition

물리적으로 완전히 구분

Virtual address space

Separation

• Processes in separate address spaces
  • In a multi-user system, one user must not be allowed to write or read from another user's memory indiscriminately
• Code, Data, Heap, Lib, Stack
• User space vs Kernel space

각 프로세스는 32bits 기준으로 최대 4GB 크기의 고유한 virtual memory 공간을 할당받는다. 그렇다면 어떻개 수백 개의 프로세스가 동시에 실행될 수 있을까?
$\rightarrow$ virtual memory
이는 각 프로세스의 virtual memory 중 실제로 활성화된 부분만 physical memory에 mapping되기 때문에 가능하다.

Virtualization

최하단에는 Infrastructure(Hardware)가 존재하고, 그 위에 운영체제가 설치된다. 운영체제 위에 Hypervisor(VM ware, virtual box)를 설치하면, 내부에 또 다른 운영체제인 Guest OS를 실행할 수 있다.

• Type1: Type2보다는 빠르지만, VM 자체가 번거롭다.
• Type2: general VM
  • Layer가 깊기 때문에 HW까지 접근하려면 오랜 시간 소요
• Type3: Container
  • Guest OS가 없기 때문에 speed가 매우 빠르지만, separation이 약해 공격에 취약하다.