운영체제 11-15강

yoneeki·2025년 4월 5일

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운영체제 11강

장치 관리와 입출력 시스템

✅ 장치의 개념

입출력 장치(I/O devices)는 프로세스 실행 시 데이터 입출력에 사용
CPU, 메모리 외: 디스크, 키보드, 마우스, 프린터, 네트워크 카드 등

● 장치 종류

전용장치: 하나의 프로세스에만 할당 (예: 프린터)
공유장치: 여러 프로세스에 동시에 할당 가능 (예: 디스크)
가상장치: 공용장치를 전용처럼 보이게 함 (예: 스풀링 프린터)

✅ 장치 구성

장치제어기(Controller): 장치를 직접 제어하는 하드웨어
장치드라이버(Driver): 운영체제와 장치제어기 사이 소프트웨어 인터페이스
운영체제가 입출력 명령을 장치제어기가 이해할 수 있는 형태로 전달

✅ 메모리 매핑 입출력

장치제어기의 레지스터를 메모리 공간에 매핑
CPU는 메모리 접근처럼 I/O 장치를 제어

✅ 입출력 처리 방식

● 1. 프로그램 방식

CPU가 장치 상태를 직접 반복 확인하며 입출력 처리 (Polling)

● 2. 인터럽트 방식

장치가 입출력 가능 상태가 되면 인터럽트 신호 발생
CPU는 인터럽트를 받아 입출력 처리

● 3. DMA (Direct Memory Access)

CPU를 거치지 않고, DMA 제어기가 메모리와 I/O 장치 간 데이터를 직접 전송
CPU는 명령만 내리고, 데이터 이동은 DMA가 수행
데이터 전송 완료 후 인터럽트로 CPU에 알림

✅ 입출력 최적화 기법

● 버퍼링(Buffering)

I/O 장치와 프로세스 간 속도 차이를 보완
중간 버퍼를 통해 병렬 처리 가능

● 스풀링(Spooling)

데이터를 디스크에 임시 저장 후 출력
출력 장치를 전용처럼 사용 가능 (예: 인쇄 작업 큐)

✅ 요약

장치 관리의 핵심은 하드웨어 제어, 입출력 방식, 최적화 기법
프로그램/인터럽트/DMA 방식으로 입출력 처리
효율적 입출력을 위한 버퍼링, 스풀링 사용

운영체제 12강

저장장치 종류, 디스크 스케줄링, 파일 관리

✅ 저장장치의 종류

● 자기 디스크 (Hard Disk)

자기 성질을 띤 디스크 표면에 데이터를 기록
구성: 플래터, 트랙, 섹터, 실린더
헤드 암이 트랙 이동, 섹터에서 읽기/쓰기

● 광 디스크 (Optical Disk)

레이저 반사 이용 (예: CD-ROM, DVD, 블루레이)
하나의 나선형 트랙

● 플래시 메모리 (SSD 등)

비휘발성, 고속, 저전력
자기 디스크보다 빠르나 가격이 높고 수명 짧음

✅ 디스크 스케줄링 알고리즘

목표: 탐색시간(헤드 이동), 회전지연시간 최소화

● FCFS (First-Come First-Serve)

도착 순서대로 처리 → 공평하나 평균 응답시간 김

● SSTF (Shortest Seek Time First)

현재 위치에서 가장 가까운 요청부터 처리
Belady 현상 없음, 기아 상태 가능

● SCAN (엘리베이터 알고리즘)

한 방향으로 진행하다 끝에서 방향 전환
끝 트랙은 한 번만 처리됨

● C-SCAN (Circular SCAN)

한 방향으로만 이동하고 끝에서 다시 시작점으로 이동
응답 시간 편차 최소화, 기아 방지

● LOOK / C-LOOK

SCAN/C-SCAN 최적화, 요청 있는 트랙까지만 이동

✅ 파일 시스템 개요

파일: 저장된 데이터 집합
파일 시스템: 파일을 저장하고 관리하는 OS의 핵심 구성

● 기능

접근/보호
저장 공간 할당
데이터 무결성 보장

✅ 파일의 저장 방식

● 순차 파일

논리적 순서 = 물리적 순서
테이프 등 순차 접근 매체에 적합

● 인덱스 순차 파일

키 기반 논리 순서, 주요 레코드 주소를 인덱스로 관리
순차/직접 접근 모두 가능

● 직접 파일

키 → 물리 주소로 직접 매핑
해시 함수 등으로 구현

✅ 공간 할당 방식

● 연속 할당

연속된 블록에 파일 저장
빠른 접근, 외부 단편화 발생, 파일 확장 어려움

● 연결 할당

블록 단위로 저장, 포인터로 연결
단편화 해결, 랜덤 접근 비효율

✅ 요약

저장장치는 자기 디스크, 광 디스크, 플래시 메모리 등
디스크 스케줄링은 FCFS, SSTF, SCAN, C-SCAN 등 존재
파일은 순차, 인덱스, 직접 방식으로 저장 가능
공간 할당은 연속/연결 방식으로 이루어짐

운영체제 13강

분산 운영체제 개요

✅ 분산 운영체제란?

네트워크로 연결된 여러 대의 컴퓨터가 단일 시스템처럼 동작하게 만드는 운영체제
자원 공유, 병렬 처리, 고장 허용, 투명성 제공 등

✅ 분산 운영체제의 특징

● 자원 공유

네트워크를 통해 프린터, 저장장치 등 공유
예: 1000대 컴퓨터가 각각 256GB 저장장치를 공유

● 병렬 처리

작업을 여러 프로세서에 나눠 병렬 수행
다수의 클라이언트 요청을 여러 서버가 처리

● 고장 허용성

일부 컴퓨터에 장애가 발생해도 다른 컴퓨터가 대체 수행
중복된 하드웨어/데이터 구성으로 신뢰성 확보

● 투명성

사용자에게는 하나의 시스템처럼 보임
파일 이동, 자원 접근 등이 자동화됨

✅ 네트워크 구조

구조	특징	장단점
완전연결	모든 노드 직접 연결	신뢰성↑, 비용↑
트리형	계층적 연결	고장에 민감
스타형	중심 노드 중심	중심 고장 시 전체 연결 끊김
링형	이웃과만 연결	일부 고장 시 분리 위험
버스형	공유 버스 연결	버스 고장 시 전체 중단

✅ 자원 투명성

로컬/원격 자원의 구분 없이 접근 가능
운영체제가 자동으로 처리
종류:
- 데이터 이주: 데이터를 원격지로 가져옴
- 계산 이주: 연산을 원격에서 수행
- 프로세스 이주: 전체 프로세스를 원격지로 이동

✅ 분산 파일 시스템

host:local_name 형식으로 파일 식별
원격 디렉터리를 로컬 디렉터리에 마운트 가능

mount -t nfs 10.10.10.10:/backups /var/backups

✅ 분산 메모리

원격 메모리 접근 또는 분산 공유 메모리
주소 형식: <(net#, host#, port#), block, offset>

● 장점

확장성 우수
복잡한 데이터 처리에 유리
큰 가상 메모리 공간 제공

● 단점

느린 접근 속도
보호 메커니즘 필요
직접 제어 어려움

✅ 원격 프로시저 호출 (RPC)

로컬처럼 보이지만, 원격 서버에서 함수 실행
스텁(stub)이 네트워크 메시지 생성/전송 처리

● 특징

호출/응답은 메시지 형태
메모리 주소 반환 불가능 (다른 주소 공간이기 때문)
수신자는 유사한 환경에서 실행되어야 함

● RPC 동작 흐름 요약

클라이언트가 원격 함수 호출
스텁이 메시지 포장 및 전송
서버 수신 → 함수 실행 → 결과 전송
클라이언트 스텁이 응답 수신 및 반환

✅ 요약

분산 운영체제는 여러 시스템을 하나처럼 사용하게 해줌
자원 공유, 병렬 처리, 고장 허용성, 투명성 등이 핵심
분산 파일/메모리 시스템, RPC 등의 기술로 구현됨

운영체제 14강

운영체제 보안

✅ 운영체제 보안 개요

자원의 독립성과 안전한 공유 보장
각 프로세스의 영역 보호
인증/암호화를 통해 합법적 사용만 허용
시스템 신뢰성과 무결성 보장

✅ 보안의 3요소

요소	설명
기밀성	허가되지 않은 접근 방지 (정보 유출 방지)
무결성	정보가 불법적으로 변경되지 않도록 보장
가용성	합법적인 사용자는 언제든지 자원을 사용할 수 있어야 함

✅ 보안 침해 예시

권한 도용, 비인가 접근 (기밀성 침해)
데이터 변경/삽입 (무결성 침해)
시스템 파괴, 서비스 불가 (가용성 침해)

✅ 악성 코드 유형

유형	설명
트로이 목마	사용자 권한으로 시스템 침투
백도어	인증절차 없이 우회 접근 허용
은밀 채널	비인가된 경로로 데이터 교환
웜	자기 복제로 전파
바이러스	다른 프로그램 감염 후 전파

✅ 보안 정책과 메커니즘

보안 정책: 무엇을 어떻게 보호할지에 대한 기준 (접근제어, 최소권한 등)
보안 메커니즘: 보호 방법 (암호화, 인증, 등급 관리 등)

✅ 접근 제어

주체(사용자)가 객체(자원)를 어떤 방식으로 접근할지 결정
식별: ID 등으로 사용자 구별
인증: 사용자 신원 확인

✅ 접근 제어 방식

● 능력 기반 (DAC)

자원 소유자가 권한 부여
자원 공유 중심, 유연하나 추적 어려움

● 강제 접근 제어 (MAC)

등급 기반 제어 (주체/객체 등급 비교)
보안 정책 강제 적용, 공유 어려움

● 역할 기반 (RBAC)

역할에 따라 권한 부여
제약, 역할 계층, 세션 개념 포함

✅ 최소 권한 원칙 & 감사

최소 권한: 임무 수행에 필요한 권한만 부여
감사(Audit): 이벤트 기록 및 추적
로그 변조 방지 → 접근제어 및 암호화 사용

✅ 보안 기능 구현 방법

● 사용자 식별 및 인증

고유 ID 부여, 비밀번호/다요소 인증 사용

● 접근 제어

접근제어 리스트(ACL), 유닉스 권한 체계 등

● 보안등급 관리

사용자/자원에 등급 부여, 로그 암호화 저장
관리자 권한 세분화

✅ 운영체제 수준 보호 방법

● 모드 분리

사용자 모드 / 커널 모드
특권 명령은 커널 모드에서만 실행

● 메모리 보호

기준 레지스터 / 한계 레지스터로 주소 제한

● CPU 보호

타이머 장치로 무한 루프 방지

● I/O 보호

입출력은 커널 모드에서만 가능

✅ 암호 기법

방식	특징
대칭키	하나의 비밀키로 암호화/복호화, 속도 빠름
공개키	공개키로 암호화, 개인키로 복호화
전자서명	공개키 기반 인증

✅ 운영체제 보안 모델

● 참조 모니터

주체의 접근 요청을 감시 및 허용 여부 판단

● 보안 커널

참조 모니터 포함, 핵심 보안 기능 포함한 커널 영역

✅ 보안 모델 예시

● BLP 모델 (Bell-LaPadula)

기밀성 중심
"읽기는 낮게, 쓰기는 높게" → 정보 유출 방지

● Biba 모델

무결성 중심
"읽기는 높게, 쓰기는 낮게" → 데이터 오염 방지

✅ 요약

보안의 핵심은 기밀성, 무결성, 가용성 보장
침입 방지 위해 정책/메커니즘 구분하여 적용
운영체제는 접근제어, 모드 구분, 암호화 등으로 보호
보안 모델(BLP, Biba)로 정책을 시스템에 적용

운영체제 15강

운영체제 응용 및 최신 동향 (Linux, Windows, Android 등)

✅ MINIX

교육용 소형 운영체제
마이크로커널 구조 기반
소스코드 공개 → 필요 없는 부분 제거 가능
리눅스 개발에 영감 제공

✅ Linux

대부분 C 언어로 작성되어 이식성 뛰어남
모듈화 구조: 커널 교체 없이 기능 추가 가능
IPC 기능: 세마포어, 메시지 큐, 공유 메모리 등
파일 시스템 지원: ext4, FAT, NTFS, HPFS 등
무료, 오픈소스, 많은 사용자와 개발자 생태계
최신 동향을 빠르게 반영
실시간 시스템 대응 가능 (제약 있음)

● 임베디드 시스템에서의 Linux

센서, 제어기 등을 통한 정보 수집/처리
소용량 메모리 환경 → OS 크기 최소화 필요
저성능 CPU 환경 → 성능 최적화 필수
경성/연성 실시간 시스템 대응 필요

구분	설명
경성 실시간	반드시 마감시간 내 작업 완수 (예: 항공 제어, 심박동기)
연성 실시간	마감시간 내 수행이 바람직하지만 실패해도 허용 (예: 동영상 재생)

✅ Windows

Win32 API, POSIX, OS/2 등 지원
사용자 친화성과 보안, 신뢰성 결합 (NT 기반)
커널 모드 구성요소:
- I/O 관리자, 보안 참조 모니터, GDI, LPC, 가상 메모리, 객체 관리자 등
사용자 모드: Win32, OS/2, POSIX 하위 시스템 운영

● 특징

NT API가 커널/사용자 모드를 연결
자원 접근 여부 및 보안 처리
모든 자원을 객체로 간주
프로세스 간 정보교환 및 자원 관리 구조화

✅ Android

저전력, 무선 연결, 터치 중심 인터페이스
고수준 UI + 저수준 OS의 결합 형태
Java 기반, 다양한 하드웨어에 이식 가능
기기별 파편화 이슈 존재

● 성능 처리 방식

설치 시 중간 코드 → 기계어 변환 수행 (AOT 컴파일)
이후 실행 시 변환된 코드 재사용
설치 시간이 오래 걸리지만 실행 성능은 향상

✅ 요약

운영체제는 다양한 응용 환경에 적합하게 진화 중
Linux: 모듈화, 오픈소스, 임베디드/실시간 대응
Windows: NT 기반 구조, 보안/신뢰성 강화
Android: 모바일 친화, 파편화 이슈 및 AOT 컴파일 방식 채택

yoneeki

Working Abroad ...

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