커널 (컴퓨팅)

3. 커널의 역사

컴퓨터를 실행하는 데 운영 체제(그리고 커널)가 반드시 필요한 것은 아니다. 1950년대와 1960년대 초, 대부분의 초기 컴퓨터는 베어 메탈 머신에 프로그램을 직접 로드하고 실행하는 방식으로 작동했으며, 서로 다른 프로그램을 실행할 때마다 재설정하고 다시 로드해야 했다. 이후 프로그램 로더 및 디버거와 같은 작은 보조 프로그램들이 실행 사이에 메모리에 남아 있거나 ROM에서 로드되면서 초기 운영 체제 커널의 기반이 되었다. "베어 메탈" 방식은 오늘날에도 일부 비디오 게임 콘솔 및 임베디드 시스템에서 사용되지만,^[45] 일반적으로 최신 컴퓨터는 최신 운영 체제와 커널을 사용한다.

1969년, RC 4000 멀티프로그래밍 시스템은 "다양한 목적을 위한 운영 체제를 질서정연한 방식으로 구축할 수 있는" 작은 핵심 시스템 설계 철학을 도입했는데,^[46] 이는 마이크로커널 방식이라고 불린다.

3. 1. 초창기 커널

3. 2. 시분할 시스템

3. 3. 유닉스와 리눅스

3. 4. 마이크로커널의 등장

4. 커널의 종류

커널은 구조와 기능에 따라 여러 종류로 나뉜다.

• '''단일형 커널'''(monolithic kernel): 커널의 다양한 서비스 및 높은 수준의 하드웨어 추상화를 하나의 덩어리(주소 공간)로 묶은 것이다. 운영 체제 개발자 입장에서 유지 보수가 어렵지만 성능이 좋은 편이다.
• '''마이크로커널'''(microkernel): 하드웨어 추상화에 대한 간결한 집합을 제공하고, 서버라고 불리는 응용 소프트웨어를 통해 더 많은 기능을 제공한다.
• '''혼합형 커널'''(hybrid kernel): 마이크로커널과 비슷하지만, 성능 향상을 위해 일부 코드를 커널 공간에 추가하였다. '''수정 마이크로커널'''이라고도 한다.
• '''나노커널'''(nanokernel): 거의 모든 서비스를 책임진다.
• '''엑소커널'''(exokernel): 낮은 수준의 하드웨어 접근을 위한 최소한의 추상화를 제공한다. 엑소커널 시스템에서는 보통 커널이 아닌 라이브러리가 단일형 커널 수준의 추상화를 제공한다.

• '''메커니즘:''' 사용자 로그인 시도는 인증 서버로 라우팅된다.
• '''정책:''' 인증 서버는 데이터베이스에 저장된 암호와 비교하여 확인하는 암호를 요구한다.

4. 1. 모놀리식 커널 (단일형 커널)

• 관련 소프트웨어가 적으므로 더 빠르다.
• 커널은 하나의 소프트웨어이므로 소스 코드 양과 컴파일 후 실행 파일의 크기가 작아진다.
• 코드가 적으므로 버그가 적고, 결과적으로 보안 문제도 비교적 적다.

• 커널 내 코딩은 어렵다. 표준 C 라이브러리를 사용할 수 없고, 디버깅에는 GNU 디버거와 같은 소스 레벨 디버거가 필요하기 때문이다. 따라서 개발 중에는 컴퓨터를 자주 리부팅해야 한다. 이것은 단순히 개발자만의 문제가 아니다. 디버깅이 어렵다는 것은 버그를 수정하기 어렵다는 것이며, 커널에 버그가 남아 있기 쉽다는 것을 의미한다.
• 커널 내 버그가 심각한 부작용을 일으킨다. 커널 내 함수는 모두 권한 있는 상태로 작동하므로, 전혀 무관한 데이터 구조를 (커널 공간 내에서도 사용자 공간 내에서도) 쉽게 파괴할 수 있다. 모듈들은 동일 주소 공간에서 작동하므로 버그로 인해 시스템 전체가 다운될 수 있다.
• 커널이 비대해지기 쉽고, 비대해지면 유지보수가 어려워진다.
• 코드의 결합도가 강하고, 모듈화하여 분리하더라도 그 분리를 제대로 수행하기는 어렵다.
• 이식성이 낮다. 작동시키는 아키텍처마다 다시 작성해야 한다.

4. 2. 마이크로커널

• '''메커니즘:''' 사용자 로그인 시도는 인증 서버로 라우팅된다.
• '''정책:''' 인증 서버는 데이터베이스에 저장된 암호와 비교하여 확인하는 암호를 요구한다.

• AmigaOS
• 미닉스
• QNX
• Hurd
• macOS

4. 3. 하이브리드 커널 (혼합형 커널)

• ReactOS
• BeOS 커널
• 넷웨어 커널

• 모듈 내에서 작동하는 드라이버 개발 시간 단축. (커널이 불안정해지지 않는 한) 테스트를 위해 재부팅할 필요가 없다.
• 새 드라이버나 하위 시스템을 위해 전체 커널을 다시 컴파일할 필요 없이 필요에 따라 기능을 사용할 수 있다.
• 타사 기술의 빠른 통합.

• 통과해야 할 인터페이스가 많아져 버그가 증가할 가능성이 있다(이는 더 많은 보안 취약성을 의미함).
• 일부 관리자는 심볼 차이와 같은 문제를 처리할 때 모듈을 유지 관리하는 것이 어려울 수 있다.

4. 4. 엑소커널

4. 5. 노커널

5. 커널의 기능

커널은 운영 체제의 핵심 부분으로서, 컴퓨터 자원을 관리하고 다른 프로그램들이 이러한 자원을 사용할 수 있도록 하는 역할을 한다.^[59] 주요 기능은 다음과 같다.

• 보안: 커널은 컴퓨터 하드웨어와 프로세스의 보안을 책임진다.
• 자원 관리: 한정된 시스템 자원을 효율적으로 관리하여 프로그램의 실행을 원활하게 한다. 특히 프로세스에 처리기를 할당하는 것을 스케줄링이라 한다.
• 추상화: 다양한 하드웨어에 대해 일관성 있는 인터페이스를 제공하여 프로그래머가 여러 장비에서 작동하는 프로그램을 쉽게 개발할 수 있도록 돕는다. 하드웨어 추상화 계층(HAL)은 드라이버에 의존한다.

• CPU(프로세서): 프로그램 실행을 담당하며, 커널은 실행할 프로그램을 선택한다.
• 메모리: 프로그램과 데이터 저장 공간으로, 커널은 메모리를 할당하고 부족 상황에 대처한다.
• 입출력 장치: 키보드, HDD, USB 등 다양한 장치의 입출력 요청을 처리하고 추상화된 인터페이스를 제공한다.^[65]

5. 1. 프로세스 관리

5. 2. 메모리 관리

5. 3. 장치 관리

• 하드웨어 수준
• 직접 인터페이싱
• 고급 인터페이스 사용(비디오 BIOS)
• 저급 장치 드라이버 사용(디스크 드라이버를 사용하는 파일 드라이버)
• 하드웨어 작업을 시뮬레이션하는 동안 완전히 다른 작업 수행
• 소프트웨어 수준
• 운영 체제가 하드웨어 리소스에 직접 접근할 수 있도록 허용
• 원시 함수만 구현
• TWAIN과 같은 비드라이버 소프트웨어를 위한 인터페이스 구현
• 언어 구현(종종 포스트스크립트와 같은 고급 언어)

5. 4. 시스템 호출

• 소프트웨어 시뮬레이션 인터럽트 사용: 대부분의 하드웨어에서 사용할 수 있는 일반적인 방법이다.
• 콜 게이트 사용: 프로세서가 알고 있는 커널 메모리 위치의 목록에 커널이 저장한 특수 주소를 사용한다.
• 특수 시스템 콜 명령어 사용: 일반적인 아키텍처(x86)에는 없을 수 있지만, 최근 x86 프로세서 모델에는 추가되었다.
• 메모리 기반 큐 사용: 요청 세부 정보를 메모리 영역에 추가하고, 커널이 주기적으로 스캔하여 요청을 처리한다.

6. 커널 설계의 주요 쟁점

커널 설계에는 여러 가지 중요한 쟁점들이 있다.

• 오류 허용 및 악의적인 동작으로부터의 보호: 커널은 오류나 악의적인 공격으로부터 시스템을 보호해야 한다. 이를 위해 보호와 보안을 분리하거나, 계층적 보호 구조를 사용하지 않을 수 있다.^[5]
• 보호 메커니즘: 커널은 다양한 기준에 따라 분류되는 보호 메커니즘을 제공한다.

• 계층적 보호 도메인: 일반적으로 CPU 모드를 사용하여 구현된다.^[10]
• 권한: 커널은 사용자 코드에 제한된 접근 권한을 부여하는 "권한"을 제공한다.
• 예시: 파일 처리 (읽기, 쓰기, 삭제, 실행 등)
• 구현: 커널은 애플리케이션에 "파일 핸들"을 제공하고, 애플리케이션은 이 핸들을 통해 커널에 작업을 요청한다.
• 권한에 대한 하드웨어 지원: 메모리 관리 장치(MMU)를 사용하여 메모리 접근 권한을 확인하는 권한 기반 어드레싱을 사용한다.^[11]
• 권한 시뮬레이션: 하드웨어 지원이 없는 경우, 페이지 테이블 조작 등을 통해 권한을 시뮬레이션할 수 있지만 성능에 영향을 미친다.^[14]
• 언어 기반 보호: 신뢰할 수 있는 언어 컴파일러가 생성한 코드만 실행을 허용하는 방식이다.^[78]
• 장점: 주소 공간 분리가 필요 없고, 유연성이 높다.
• 단점: 애플리케이션 실행 시간이 오래 걸리고, 형식 시스템이 고정된다.
• 예시: JX, 마이크로소프트 Singularity
• 프로세스 간 통신(IPC) 및 동기화: 커널은 프로세스 간 통신 및 동기화를 위한 방법을 제공한다.^[5]
• 예시: 세마포어, 메시지 패싱, 공유 메모리, RPC
• 입출력(I/O) 장치 관리: 커널은 다양한 입출력 장치를 관리하고 추상화된 인터페이스를 제공한다.^[5]
• 페르난도 코르바토와 브린치 한센은 입출력 장치를 "외부 프로세스"로 처리하는 개념을 제안했다.^[25]
• 장치 드라이버나 하드웨어 추상화 계층(HAL)을 통해 장치 관리를 추상화한다.
• 응용 프로그램은 커널에 장치 접근을 요청하고, 커널은 요청을 해당 장치 드라이버에 전달한다. (IPC의 예시)

6. 1. 모놀리식 커널 대 마이크로커널 논쟁

6. 2. 보호 (Protection)

• 주소 공간을 분리할 필요가 없다. 주소 공간의 전환은 느린 작업이며 오버헤드가 되므로, 현대 OS에서는 그 전환을 최대한 줄이도록 많은 노력을 기울이고 있다. 언어 기반 보호 시스템에서는 그러한 전환이 전혀 필요 없으며, 모든 코드를 동일한 주소 공간에 두더라도 안전하게 운영할 수 있다.
• 유연성이 있다. 프로그래밍 언어로 보호 메커니즘을 표현할 수 있도록 설계하면, 이 방식에서는 그것들을 구현할 수 있다. 언어 기반 보호를 구현하기 위해 하드웨어를 새로 설계할 필요가 없다.

• 애플리케이션 실행에 시간이 걸린다. 애플리케이션을 실행할 때 올바른 컴파일러로 생성된 것인지, 또는 소스 코드나 바이트코드에서 재컴파일이 필요 없는지를 확인해야 한다.
• 형식 시스템이 고정된다. 기존 시스템에서는 애플리케이션이 type safety가 아닌 작업을 자주 실행한다. 언어 기반 보호 시스템에서는 그러한 작업은 허용되지 않으므로, 애플리케이션을 변경해야 하며, 경우에 따라 성능이 저하될 수 있다.

6. 3. 프로세스 협력

6. 4. 입출력 장치 관리

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