[프로그래밍 언어 활용4과목] 3장. 응용 SW 기초 기술 활용

141 운영체제의 개념

◈ 운영체제(OS)의 개요

  - 운영체제는 컴퓨터 시스템의 자원들을 효율적으로 관리하며 사용자가 컴퓨터를 편리하고 효과적으로 사용할 수 있도록 환경을 제공하는 여러 프로그램의 모임

  - 스스로는 어떤 유용한 기능도 수행하지 않음

  - 컴퓨터 사용자와 컴퓨터 하드웨어 간의 인터페이스로서 동작하는 시스템 소프트웨어의 일종으로 다른 응용 프로그램이 유용한 작업을 할 수 있도록 환경을 제공

  - 유틸리티와 하드웨어 사이에 존재함

 

◈ 운영체제의 목적

  - 처리 능력 향상, 사용 가능도 향상, 신뢰도 향상, 반환 시간 단축 등

  - 처리 능력 : 일정 시간 내에 시스템이 처리하는 일의 양

  - 반환 시간 : 시스템 작업을 의뢰한 시간부터 처리가 완료될 때까지 걸린 시간

  - 사용 가능도 : 시스템을 사용할 필요가 있을 때 즉시 사용 가능한 정도

  - 신뢰도 : 시스템이 주어진 문제를 정확하게 해결하는 정도

 

◈ 운영체제의 기능

  - 프로세서(처리기, Processor), 기억장치(주기억장치, 보조기억장치), 입출력 장치, 파일 및 정보 등의 자원을 관리

  - 자원을 효율적으로 관리하기 위해 자원의 스케줄링 기능을 제공

  - 사용자와 시스템 간의 편리한 인터페이스를 제공

  - 시스템의 각종 하드웨어와 네트워크를 관리, 제어

  - 데이터를 관리하고, 데이터 및 자원의 공유 기능을 제공

  - 시스템의 오류를 검사하고 복구

  - 자원 보호 기능을 제공

  - 입출력에 대한 보조 기능을 제공

  - 가상 계산기 기능을 제공

※ 스케줄링 : 어떤 자원을 누가, 언제, 어떤 방식으로 사용할지 결정해주는 것

 

◈ 운영체제의 주요 자원 관리

  - 프로세스 관리 : 프로세스 스케줄링 및 동기화, 프로세스 생성과 제거, 시작과 정지, 메시지 전달 등의 기능 담당

  - 기억장치 관리 : 프로세스에게 메모리 할당 및 회수 관리 담당

  - 주변장치 관리 : 입출력 장치 스케줄링 및 전반적인 관리 담당

  - 파일 관리 : 파일의 생성과 삭제, 변경, 유지 등의 관리 담당

 

◈ 운영체제의 종류

  - 단일 작업 처리 시스템에는 MS-DOS, 다중 작업 처리 시스템에는 Windows, UNIX, LINUX, MacOS 등이 사용

  - Windows, MacOS, MS-DOS는 개인용, UNIX, LINUX는 서버용 운영체제

 1) Window

  - 마이크로소프트 사가 개발한 운영 체제

  - 인터페이스 : GUI

 2) UNIX

  - AT&T벨 연구소, MIT, General Electric이 공동 개발한 운영체제

  - 인터페이스 : CLI

 3) LINUX

  - UNIX와 호환 가능한 커널

  - 누구나 제한 없이 활용 및 재배포 가능

  - 인터페이스 : CLI

 4) MacOS

  - Apple이 만든 UNIX 기반 운영체제

  - 인터페이스 : GUI

 5) MS-DOS

  - Window이전에 사용

  - 인터페이스 : CLI

CUI(Graphic User Interface) : 그래픽 사용자 인터페이스

CLI(Command Line Interface) : 키보드로 명령어를 직접 입력해서 사용하는 사용자 인터페이스

 

142 Windows

◈ Windows의 개요

  - Windows는 마이크로사가 개발한 운영체제

  - 특징 : GUI, 선점형 멀티태스킹, OLE, PnP 등

 

◈ 그래픽 사용자 인터페이스(GUI, Graphic User Interface)

  - 키보드로 명령어를 직접 입력하지 않고 마우스로 아이콘이나 메뉴를 선택하여 모든 작업을 수행하는 방식

 

◈ 선점형 멀티태스킹(Preemptive Multi-Tasking)

  - 동시에 여러 개의 프로그램을 실행하는 멀티태스킹을 하면서 운영체제가 각 작업의 CPU 이용 시간을 제어하여 응용 프로그램 실행 중 문제가 발생하면 해당 프로그램을 강제 종료시키고 모든 시스템 자원을 반환하는 방식

  - 하나의 응용 프로그램이 CPU를 독점하는 것을 방지할 수 있어 시스템 다운 현상 없이 더욱 안정적인 작업을 할 수 있음

※ 멀티태스킹 : 여러 개의 프로그램을 동시에 열어 두고 다양한 작업을 동시에 진행하는 것

 

◈ PnP(Plug and Play, 자동 감지 기능)

  - PnP는 컴퓨터 시스템에 프린터나 사운드 카드 등의 하드웨어를 설치했을 때 해당 하드웨어를 사용하는 데 필요한 시스템 환경을 운영체제가 자동으로 구성해 주는 기능

  - 운영체제가 하드웨어의 규격을 자동으로 인식하여 동작하게 해 주므로 PC 주변장치를 연결할 때 사용자가 직접 환경을 설정하지 않아도 됨

  - PnP 기능을 활용하기 위해서는 하드웨어와 소프트웨어 모두 PnP를 지원하여야 함

 

◈ OLE(Object Linking and Embedding)

  - OLE는 다른 여러 응용 프로그램에서 작성된 문서나 그림 등의 개체(Object)를 현재 작성 중인 문서에 자유롭게 연결(Linking)하거나 삽입(Embedding)하여 편집할 수 있게 하는 기능

  - OLE로 연결된 이미지를 원본 프로그램에서 수정하거나 편집하면 그 내용이 그대로 해당 문서에 반영

 

◈ 255자의 긴 파일명

  - Windows에서는 파일 이름을 저장할 때 VFAT(Virtual File Allocation Table)을 이용하여 최대 255자까지 지정할 수 있음

  - 파일 이름으로는 몇 가지 특수문자를 제외한 모든 문자 및 공백을 사용할 수 있으며 한글의 경우 127자까지 지정할 수 있음

 

◈ Single-User 시스템

  - 컴퓨터 한 대를 한 사람만이 독점해서 사용

 

143 UNIX/LINUX/MacOS

◈ UNIX의 개요 및 특징

- 벨 연구소, MIT, General Electric이 공동 개발한 운영체제

- 시분할 시스템을 위해 설계된 대화식 운영체제로 소스가 공개된 개방형 시스템

- 대부분 C로 작성되어 있어 이식성이 높으며 장치, 프로세스 간의 호환성이 높음

- 크기가 작고 이해하기 쉬움

- 다중 사용자(Multi-User), 다중 작업(Multi-Tasking)을 지원함

- 많은 네트워킹을 제공하므로 통신망(Network) 관리용 운영체제로 적합

- 트리 구조의 파일 시스템을 가짐

- 전문적인 프로그램 개발에 용이함

- 다양한 유틸리티 프로그램들이 존재

- 각 프로세스는 시스템 호출(프로세스가 커널에 접근하기 위한 인터페이스를 제공하는 명령어)을 통해 커널의 기능을 사용하며 프로세스 간 통신은 시그널(간단한 메시지), 파이프(단방향 통신), 소켓(쌍방향 통신) 등을 사용

 

◈ UNIX 시스템의 구성

 1) 커널(Kernel)

  - UNIX의 가장 핵심적인 부분

  - 컴퓨터가 부팅될 때 주기억장치에 적재된 후 상주하면서 실행

  - 하드웨어를 보호하고, 프로그램과 하드웨어 간의 인터페이스 역할을 담당

  - 프로세스(CPU 스케줄링) 관리, 기억장치 관리, 파일 관리, 입출력 관리, 프로세스 간 통신, 데이터 전송 및 변환 등 여러 가지 기능을 수행

 2) 쉘(Shell)

  - 사용자의 명령어를 인식하여 프로그램을 호출하고 명령을 수행하는 명령어 해석기

  - 시스템과 사용자 간의 인터페이스 역할을 담당

  - DOS의 COMMAND.COM과 같은 기능을 수행

  - 주기억장치에 상주하지 않고, 명령어가 포함된 파일 형태로 존재하며 보조 기억장치에서 교체 처리가 가능

  - 파이프라인(둘 이상의 명령어를 함께 묶어 처리한 결과를 다른 명령의 입력으로 전환하는 기능) 기능을 지원하고 입출력 재지정을 통해 출력과 입력의 방향을 변경할 수 있음

  - 공용 Shell이나 사용자 자신이 만든 Shell을 사용할 수 있음

 3) Utility Program

  - 일반 사용자가 작성한 응용 프로그램을 처리하는 데 사용

  - DOS에서의 외부 명령어에 해당

  - 유틸리티 프로그램에서는 에디터, 컴파일러, 인터프리터, 디버거 등이 있음

 

◈ LINUX의 개요 및 특징

  - 리누스 토발즈가 UNIX를 기반으로 개발한 운영체제

  - 프로그램 소스 코드가 무료로 공개되어 있기 때문에 프로그래머가 원하는 기능을 추가할 수 있고, 다양한 플랫폼에 설치하여 사용이 가능하며, 재배포가 가능

  - UNIX와 완벽하게 호환

  - 대부분의 특징이 UNIX와 동일

 

◈ MacOS의 개요 및 특징

  - Apple이 UNIX를 기반으로 개발한 운영체제

  - 아이맥(iMac)과 맥북(MacBook) 등 애플 사에서 생산하는 제품에서만 사용이 가능

  - 드라이버 설치 및 intall과 uninstall의 과정이 단순함

 

144 기억장치 관리의 개요

◈ 기억장치 계층 구조의 특성

  - 기억장치는 레지스터, 캐시 기억장치, 주기억장치, 보조기억장치를 계층 구조로 분류할 수 있음

  - 계층 구조에서 상위의 기억장치일수록 접근 속도와 접근 시간이 빠르지만, 기억 용량이 적고 고가임

  - 주기억장치는 각기 자신의 주소를 갖는 워드 또는 바이트들로 구성되어 있으며, 주소를 이용하여 액세스 할 수 있음

  - 레지스터, 캐시 기억장치, 주기억장치의 프로그램과 데이터는 CPU가 직접 액세스 할 수 있으나 보조기억장치에 있는 데이터는 직접 액세스 할 수 없음

  - 보조기억장치에 있는 데이터는 주기억장치에 적재된 후 CPU에 의해 액세스 될 수 있음

 

◈ 기억장치의 관리 전략의 개요

  - 보조기억장치의 프로그램이나 데이터를 주기억장치에 적재시키는 시기, 적재 위치 등을 지정하여 한정된 주기억장치의 공간을 효율적으로 사용하기 위한 것으로 반입(Fetch) 전략, 배치(Placement) 전략, 교체(Replacement) 전략이 있음

 

◈ 반입(Fetch) 전략

  - 반입 전략은 보조기억장치에 보관중인 프로그램이나 데이터를 언제 주기억장치로 적재할 것인지를 결정하는 전략

  - 요구 반입(Demand Fetch) : 실행중인 프로그램이 특정 프로그램이나 데이터 등의 참조를 요구할 때 적재하는 방법

  - 예상 반입(Anticipatory Fetch) : 실행 중인 프로그램에 의해 참조될 프로그램이나 데이터를 미리 예상하여 적재하는 방법

 

◈ 배치(Placement) 전략

  - 배치 전략은 새로 반입되는 프로그램이나 데이터를 주기억장치의 어디에 위치시킬 것인지를 결정하는 전략

  - 최초 적합(First Fit) : 프로그램이나 데이터가 들어갈 수 있는 크기의 빈 영역 중에서 첫 번째 분할 영역에 배치시키는 방법

  - 최적 적합(Best Fit) : 프로그램이나 데이터가 들어갈 수 있는 크기의 빈 영역 중에서 단편화(빈 기억 공간)를 가장 작게 남기는 분할 영역에 배치시키는 방법

  - 최악 적합(Worst Fit) : 프로그램이나 데이터가 들어갈 수 있는 크기의 빈 영역 중에서 단편화를 가장 많이 남기는 분할 영역에 배치시키는 방법

※ 단편화 : 데이터를 할당할 경우 생기는 빈 기억 공간

 

◈ 교체(Replacement) 전략

  - 교체 전략은 주기억장치의 모든 영역이 이미 사용 중인 상태에서 새로운 프로그램이나 데이터를 주기억장치에 배치하려고 할 때 이미 사용되고 있는 영역 중에서 어느 영역을 교체하여 사용할 것인지를 결정하는 전략

  - 교체 전략에는 FIFO, OPT, LRU, LFU, NUR, SCR 등이 있음

 

145 주기억장치 할당 기법

◈ 주기억장치 할당의 개념

- 주기억장치 할당 기법은 프로그램이나 데이터를 실행시키기 위해 주기억장치에 어떻게 할당할 것인지에 대한 내용이며 연속 할당 기법과 분산 할당 기법으로 분류할 수 있음

 1) 연속 할당 기법

  - 프로그램을 주기억장치에 연속적으로 할당하는 기법

  - 단일 분할 할당 기법(오버레이, 스와핑)

  - 다중 분할 할당 기법(고정 분할 할당 기법, 동적 분할 할당 기법)

 2) 분산 할당 기법

  - 프로그램을 특정 단위의 조각으로 나누어 주기억장치 내에 분산하여 할당하는 기법

  - 페이징 기법

  - 세그먼테이션 기법

 

◈ 단일 분할 할당 기법

  - 단일 분할 할당 기법은 주기억장치를 운영체제 영역과 사용자 영역으로 나누어 한 순간에는 오직 한 사용자만의 주기억장치의 사용자 영역을 사용하는 기법

  - 가장 단순한 기법으로 초기의 운영체제에 많이 사용하던 기법

  - 운영체제를 보호하고 프로그램이 사용자 영역만을 사용하기 위해 운영체제 영역과 사용자 영역을 구분하는 경계 레지스터(Boundary Register)가 사용됨

  - 프로그램의 크기가 작을 경우 사용자 영역이 낭비될 수 있음

  - 초기에는 주기억장치보다 큰 사용자 프로그램은 실행할 수 없었으나 오버레이 기법을 사용하면서 이 문제가 해결되었음

 1) 오버레이(Overlay) 기법

  - 오버레이 기법은 주기억장치보다 큰 사용자 프로그램을 실행하기 위한 기법

  - 보조기억장치에 저장된 하나의 프로그램을 여러 개의 조각으로 분할한 후 필요한 조각을 차례로 주기억장치에 적재하여 프로그램을 실행

  - 프로그램이 실행되면서 주기억장치의 공간이 부족하면 주기억장치에 적재된 프로그램의 조각 중 불필요한 조각이 위치한 장소에 새로운 프로램의 조각을 중첩(Overlay)하여 적재

  - 프로그램을 여러 개의 조각으로 분할하는 작업은 프로그래머가 수행해야 하므로 프로그래머는 시스템 구조나 프로그램 구조를 알아야 함

 2) 스와핑(Swiping) 기법

  - 스와핑 기법은 하나의 프로그램 전체를 주기억장치에 할당하여 사용하다 필요에 따라 다른 프로그램과 교체하는 기법

  - 주기억장치에 있는 프로그램이 보조기억장치로 이동되는 것을 Swipe Out, 보조기억장치에 있는 프로그램이 주기억장치로 이동되는 것을 Swipe In이라고 함

  - 하나의 사용자 프로그램이 완료될 때까지 교체과정을 여러 번 수행할 수 있음

  - 가상기억장치의 페이징 기법으로 발전되었음

 

◈ 다중 분할 할당 기법

 1) 고정 분할 할당 기법(정적 할당 기법)

  - 고정 분할 할당은 프로그램을 할당하기 전에 운영체제가 주기억장치의 사용자 영역을 여러 개의 고정된 크기로 분할하고 준비상태 큐에서 준비 중인 프로그램을 각 영역에 할당하여 수행하는 기법

  - 프로그램을 실행하려면 프로그램 전체가 주기억장치에 위치해야 함

  - 프로그램이 분할된 영역보다 커서 영역 안에 못 들어가는 경우가 발생할 수 있음

  - 일정한 크기의 분할 영역에 다양한 크기의 프로그램이 할당되므로 내부 단편화 및 외부 단편화가 발생하여 주기억장치의 낭비가 많음

  - 실행할 프로그램을 미리 알고 있어야 함

  - 다중 프로그래밍을 위해 사용되었으나 현재는 사용되지 않음

 2) 가변 분할 할당 기법(동적 할당 기법)

     - 고정 분할 할당 기법의 단편화를 줄이기 위한 것으로 미리 주기억장치를 분할해 놓는 것이 아니라 프로그램을 주기억장치에 적재하면서 필요한 만큼의 크기로 영역을 분할하는 기법

     - 주기억장치를 효율적으로 사용할 수 있으며 다중 프로그래밍의 정도를 높일 수 있음

     - 고정 분할 할당 기법에 비해 실행될 프로세스 크기에 대한 제약이 적음

     - 단편화를 상당 부분 해결할 수 있으나 영역과 영역 사이에 단편화가 발생할 수 있음

※ 내부 단편화 : 프로그램이 할당된 후 사용되지 않고 남아있는 공간

※ 외부 단편화 : 프로그램이 할당될 수 없어 사용되지 않고 빈 공간으로 남아있는 분할된 전체 영역

 

146 가상기억장치 구현 기법/페이지 교체 알고리즘

◈ 가상기억장치의 개요

  - 가상기억장치는 보조기억장치(하드디스크)의 일부를 주기억장치처럼 사용하는 것으로 용량이 적은 주기억장치를 마치 큰 용량을 가진 것처럼 사용하는 기법

  - 프로그램을 여러 개의 작은 블록 단위로 나누어서 가상 기억장치에 보관해 놓고 프로그램 실행 시 요구되는 블록만 주기적 장치에 불연속적으로 할당하여 처리

  - 주기억장치의 용량보다 큰 프로그램을 실행하기 위해 사용

  - 주기억장치의 이용률과 다중 프로그래밍의 효율을 높일 수 있음

  - 가상기억장치에 저장된 프로그램을 실행하려면 가상 기억장치의 주소를 주기억장치의 주소로 바꾸는 주소 변환 작업이 필요

  - 블록 단위로 나누어 사용하므로 연속 할당 방식에서 발생할 수 있는 단편화를 해결할 수 있음

  - 가상기억장치의 일반적인 구현 방법에는 블록의 종류에 따라 페이징 기법과 세그먼테이션 기법으로 나눌 수 있음

 

◈ 페이징(Paging) 기법

  - 페이징 기법은 가상 기억장치에 보관되어 있는 프로그램과 주기억장치의 영역을 동일한 크기로 나눈 후 나눠진 프로그램(페이지)을 동일하게 나눠진 주기억장치의 영역(페이지 프레임)에 적재시켜 실행하는 기법

  - 프로그램을 일정한 크기로 나눈 단위를 페이지(Page)라고 하고 페이지 크기로 일정하게 나누어진 주기억장치의 단위를 페이지 프레임(Page Frame)이라고 함

  - 외부 단편화는 발생하지 않으나 내부 단편화는 발생할 수 있음

  - 주소 변환을 위해서 페이지의 위치 정보를 가지고 있는 페이지 맵 테이블(Page Map Table)이 필요함

  - 페이지 맵 테이블 사용으로 비용이 증가되고 처리 속도가 감소됨

  - 페이지 크기가 4KB이고 사용할 프로그램이 17KB라면 프로그램은 페이지 단위로 4KB씩 나누어지게 되는데 이때 마지막 페이지의 실제 용량은 1KB가 되고 이것이 주기억장치에 적재되면 3KB의 내부 단편화가 발생함

 

◈ 세그멘테이션(Segmentation) 기법

  - 세그먼테이션 기법은 가상 기억장치에 보관되어 있는 프로그램을 다양한 크기의 논리적인 단위로 나눈 후 주기억장치에 적재시켜 실행시키는 기법

  - 프로그램을 배열이나 함수 등과 같은 논리적인 크기로 나눈 단위를 세그먼트(Segment)라고 하며 각 세그먼트는 고유한 이름과 크기를 가짐

  - 기억장치의 사용자 관점을 보존하는 기억장치 관리 기법

  - 세그먼테이션 기법을 이용하는 궁극적인 이유는 기억공간을 절약하기 위해서임

  - 주소 변환을 위해서 세그먼트가 존재하는 위치 정보를 가지고 있는 세그먼트 맵 테이블(Segment Map Table)이 필요함

  - 연속적인 가상주소가 반드시 연속적인 실기억 주소로 변환되지 않아도 되는데 이를 인위적 연속성(Artificial Contiguity)이라고 함

  - 세그먼트가 주기억장치에 적재될 때 다른 세그먼트에게 할당된 영역을 침범할 수 없으며 이를 위해 기억장치 보호키(Storage Protection Key)가 필요함

  - 내부 단편화는 발생하지 않으나 외부 단편화는 발생할 수 있음

 

◈ 페이지 교체 알고리즘

- 페이지 교체 알고리즘은 페이지 부재(Page Fault)가 발생했을 때 가상 기억장치의 필요한 페이지를 주기억장치에 적재해야 하는데 이때 주기억장치의 모든 페이지 프레임이 사용 중이면 어떤 페이지 프레임을 선택하여 교체할 것인지를 결정하는 기법

- 페이지 교체 알고리즘에는 OPT, FIFO, LRU, LFU, NUR, SCR 등이 있음

 1) OPT(OPTimal replacement, 최적 교체)

  - OPT는 앞으로 가장 오랫동안 사용하지 않을 페이지를 교체하는 기법

  - 벨레이디가 제안한 것으로 페이지 부재 횟수가 가장 적게 발생하는 가장 효율적인 알고리즘

 2) FIFO(First In First Out)

  - FIFO는 각 페이지가 주기억장치에 적재될 때마다 그때의 시간을 기억시켜 가장 먼저 들어와서 가장 오래 있었던 페이지를 교체하는 기법

 3) LRU(Least Recently Used)

  - LRU는 최근에 가장 오랫동안 사용하지 않은 페이지를 교체하는 기법

  - 각 페이지마다 계수기(Counter)나 스택(Stack)을 두어 현시점에서 가장 오랫동안 사용하지 않은 즉 가장 오래전에 사용된 페이지를 교체

  - 숫자를 증가시키며 가장 큰 것을 대체하고 갱신되면 초기값으로 돌아옴

 4) LFU(Least Frequently Used)

  - LFU는 사용 빈도가 가장 적은 페이지를 교체하는 기법

  - 활발하게 사용되는 페이지는 사용 횟수가 많아 교체되지 않고 사용

 5) NUR(Not Used Recently)

  - LRU와 비슷한 알고리즘으로 최근에 사용하지 않은 페이지를 교체하는 기법

  - 최근에 사용되지 않은 페이지는 향후에도 사용되지 않을 가능성이 높다는 것을 전제로 LRU에서 나타나는 시간적인 오버헤드를 줄일 수 있음

  - 최근의 사용 여부를 확인하기 위해서 각 페이지마다 두 개의 비트(참조 비트와 변형 비트)가 사용

  - 참조 비트와 변형 비트의 값에 따라 교체될 페이지의 순서가 결정

참조 비트	0	0	1	1
변형 비트	0	1	0	1
교체 순서	1	2	3	4

 6) SCR(Second Chance Replacement, 2차 기회 교체)

  - SCR은 가장 오랫동안 주기억장치에 있던 페이지 중 자주 사용되는 페이지의 교체를 방지하기 위한 것으로 FIFO 기법의 단점을 보완하는 기법

 

147 가상기억장치 기타 관리 사항

◈ 페이지 크기

  - 페이징 기법을 사용하면 프로그램을 페이지 단위로 나누게 되는데 페이지의 크기에 따라 시스템에 미치는 영향이 다름

 1) 페이지 크기가 작을 경우

  - 페이지 단편화가 감소하고 한 개의 페이지를 주기억장치로 이동하는 시간이 줄어듦

  - 불필요한 내용이 주기억장치에 적재될 확률이 낮으므로 효율적인 워킹 셋을 유지할 수 있음

  - Locality에 더 일치할 수 있기 때문에 기억장치 효율이 높아짐

  - 페이지 정보를 갖는 페이지 맵 테이블의 크기가 커지고 매핑 속도가 늦어짐

  - 디스크 접근 횟수가 많아져서 전체적인 입출력 시간을 늘어남

 2) 페이지 크기가 클 경우

  - 페이지 정보를 갖는 페이지 맵 테이블의 크기가 작아지고 매핑 속도가 빨라짐

  - 디스크 접근 횟수가 줄어들어 전체적인 입출력의 효율성이 증가됨

  - 페이지 단편화가 증가되고 한 개의 페이지를 주기억장치로 이동하는 시간이 늘어남

  - 프로세스(프로그램) 수행에 불필요한 내용까지도 주기억장치에 적재될 수 있음

 

◈ Locality

  - Locality(국부성, 지역성, 구역성, 국소성)는 프로세스가 실행되는 동안 주기억장치를 참조할 때 일부 페이지만 집중적으로 참조하는 성질이 있다는 이론

  - 스래싱을 방지하기 위한 워킹 셋 이론의 기반이 되었음

  - 프로세스가 집중적으로 사용하는 페이지를 알아내는 방법 중 하나로 가상 기억장치 관리의 이론적인 근거가 됨

  - 데닝(Denning) 교수에 의해 구역성의 개념이 증명되었으며 캐시 메모리 시스템의 이론적 근거임

  - Locality의 종류에는 시간 구역성(Temporary Locality)과 공간 구역성(Spatial Locality)이 있음

 1) 시간 구역성

  - 시간 구역성은 프로세스가 실행되면서 하나의 페이지를 일정 시간 동안 집중적으로 액세스 하는 현상

  - 한 번 참조한 페이지는 가까운 시간 내에 계속 참조할 가능성이 높음을 의미

  - 시간 구역성이 이루어지는 기억 장소 : Loop, 스택, 부 프로그램, Counting, 집계에 사용되는 변수

 2) 공간 구역성

  - 공간 구역성은 프로세스 실행 시 일정 위치의 페이지를 집중적으로 액세스 하는 현상

  - 어느 하나의 페이지를 참조하면 그 근처의 페이지를 계속 참조할 가능성이 높음을 의미

  - 공간 구역성이 이루어지는 기억 장소 : 배열 순회, 순차적 코드의 실행, 프로그래머들이 관련된 변수들을 서로 근처에 선언하여 할당되는 기억 장소, 같은 영역에 있는 변수를 참조할 때 사용

 

◈ 워킹 셋(Working Set)

  - 워킹 셋은 프로세스가 일정 시간 동안 자주 참조하는 페이지들의 집합

  - 데닝(Denning)이 제안한 프로그램의 움직임에 대한 모델로 프로그램의 Locality 특징을 이용

  - 자주 참조되는 워킹 셋을 주기억장치에 상주시킴으로써 페이지 부재 및 페이지 교체 현상이 줄어들어 프로세스의 기억장치 사용이 안정됨

  - 시간이 지남에 따라 자주 참조하는 페이지들의 집합이 변화하기 때문에 워킹 셋은 시간이 지남에 따라 변경됨

 

◈ 페이지 부재 빈도 방식

  - 페이지 부재(Page Fault)는 프로세스 실행 시 참조할 페이지가 주기억장치에 없는 현상이며 페이지 부재 빈도는 페이지 부재가 일어나는 횟수를 의미함

  - 페이지 부재 빈도 방식은 페이지 부재율에 따라 주기억장치에 있는 페이지 프레임의 수를 늘리거나 줄여 페이지 부재율을 적정 수준으로 유지하는 방식

  - 운영체제는 프로세스 실행 초기에 임의의 페이지 프레임을 할당하고 페이지 부재율을 지속적으로 감시하고 있다가 부재율이 상한선을 넘어가면 좀 더 많은 페이지 프레임을 할당하고 부재율이 하한선을 넘어가면 페이지 프레임을 회수하는 방식을 사용

 

◈ 프리페이징(Prepaging)

  - 프리페이징은 처음의 과도한 페이지 부재를 방지하기 위해 필요할 것 같은 모든 페이지를 한꺼번에 페이지 프레임에 적재하는 기법

  - 기억장치에 들어온 페이지들 중에서 사용되지 않는 페이지가 많을 수도 있음

 

◈ 스래싱(Thrashing)

  - 스래싱은 프로세스의 처리 시간보다 페이지 교체에 소요되는 시간이 더 많아지는 현상

  - 다중 프로그래밍 시스템이나 가상 기억장치를 사용하는 시스템에서 하나의 프로세스 수행 과정 중 자주 페이지 부재가 발생함으로써 나타나는 현상으로 전체 시스템의 성능이 저하됨

  - 다중 프로그래밍의 정도가 높아짐에 따라 CPU의 이용률은 어느 특정 시점까지는 높아지지만 다중 프로그래밍의 정도가 더욱 커지면 스래싱이 나타나고 CPU의 이용률은 급격히 감소함

  - 스래싱 현상 방지 방법

   * 다중 프로그래밍의 정도를 적정 수준으로 유지

   * 페이지 부재 빈도를 조절하여 사용

   * 워킹 셋을 유지

   * 부족한 자원을 증설하고 일부 프로세스를 중단시킴

   * CPU 성능에 대한 자료의 지속적 관리 및 분석으로 임계치를 예상하여 운영

 

148 프로세스의 개요

◈ 프로세스(Process)의 정의

  - 프로세스는 일반적으로 프로세서(처리기, CPU)에 의해 처리되는 사용자 프로그램, 시스템 프로그램, 즉 실행 중인 프로그램을 의미하며, 작업, 태스크라고도 함

  - PCB를 가진 프로그램

  - 실기억 장치에 저장된 프로그램

  - 프로세서가 할당되는 실체로서, 디스패치가 가능한 단위

  - 프로시저가 활동 중인 것

  - 비동기적 행위를 일으키는 주체

  - 지정된 결과를 얻기 위한 일련의 계통적 동작

  - 목적 또는 결과에 따라 발생되는 사건들의 과정

  - 운영체제가 관리하는 실행 단위

※ 프로시저 : 한 프로그램을 여러 개의 작은 프로그램으로 분할

 

◈ PCB(Process Control Block, 프로세스 제어 블록)

  - PCB는 운영체제가 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장해 놓는 곳으로 Task Control Block 또는 Job Control Block이라고도 함

  - 각 프로세스가 생성될 때마다 고유의 PCB가 생성되고 프로세스가 완료되면 PCB는 제거됨

  - PCB에 저장되어 있는 정보

   * 프로세스의 현재 상태 : 준비, 대기, 실행 등의 프로세스 상태

   * 포인터 : 부모 프로세스에 대한 포인터, 자식 프로세스에 대한 포인터, 프로세스가 위치한 메모리에 대한 포인터, 할당된 자원에 대한 포인터

   * 프로세스 고유 식별자 : 프로세스를 구분할 수 있는 고유의 번호

   * 스케줄링 및 프로세스의 우선순위 : 스케줄링 정보 및 프로세스가 실행될 우선순위

   * CPU 레지스터 정보 : Accumulator(누산기), 인덱스 레지스터, 범용 레지스터, 프로그램 카운터(PC)에 대한 정보

   * 주기억장치 관리 정보 : 기준 레지스터, 페이지 테이블에 대한 정보

   * 입출력 상태 정보 : 입출력 장치, 개방된 파일 목록

   * 계정 정보 : CPU 사용 시간, 실제 사용 시간, 한정된 시간

 

◈ 프로세스 상태 전이

  - 프로세스 상태 전이는 프로세스가 시스템 내에 존재하는 동안 프로세스의 상태가 변화하는 것을 의미함

  - 프로세스의 상태는 제출, 접수, 준비, 실행, 대기 상태로 나눌 수 있으며 이 중 주요 세 가지 상태는 준비, 실행, 대기 상태

   ① 제출(Submit)

   * 작업을 처리하기 위해 사용자가 작업을 시스템에 제출한 상태

   ② 접수(Hold)

   * 제출된 작업이 스풀 공간인 디스크의 할당 위치에 저장된 상태

   ③ 준비(Ready)

   * 프로세스가 프로세서를 할당받기 위해 기다리고 있는 상태

   * 프로세스는 준비상태 큐에서 실행을 준비하고 있음

   * 접수 상태에서 준비 상태로의 전이는 Job 스케줄러에 의해 수행

   ④ 실행(Run)

   * 준비상태 큐에 있는 프로세스가 프로세서를 할당받아 실행되는 상태

   * 프로세스 수행이 완료되기 전에 프로세스에게 주어진 프로세서 할당 시간이 종료되면 프로세스는 준비 상태로 전이

   * 실행 중인 프로세스에 입출력처리가 필요하면 실행 중인 프로세스는 대기 상태로 전이

   * 준비 상태에서 실행 상태로의 전이는 CPU스케줄러에 의해 수행

   ⑤ 대기(Wait), 보류, 블록(Block)

   * 프로세스에 입출력 처리가 필요하면 현재 실행 중인 프로세스가 중단되고 입출력 처리가 완료될 때까지 대기하고 있는 상태

   ⑥ 종료(Terminate)

   * 프로세스의 실행이 끝나고 프로세스 할당이 해제된 상태

 

◈ 프로세스 상태 전이 관련 용어

  - Dispatch : 준비 상태에서 대기하고 있는 프로세스 중 하나가 프로세서를 할당받아 실행 상태로 전이되는 과정

  - Wake Up : 입출력 작업이 완료되어 프로세스가 대기 상태에서 준비 상태로 전이되는 과정

  - Spooling : 입출력 장치의 공유 및 상대적으로 느린 입출력 장치의 처리 속도를 보완하고 다중 프로그래밍 시스템의 성능을 향상하기 위해 입출력할 데이터를 직접 입출력 장치에 보내지 않고 나중에 한꺼번에 입출력하기 위해 디스크에 저장하는 과정

  - 교통량 제어기(Traffic Controller) : 프로세스의 상태에 대한 조사와 통보를 담당

 

◈ 스레드(Thread)

  - 스레드는 프로세스 내에서의 작업 단위로서 시스템의 여러 자원을 할당받아 실행하는 프로그램의 단위

  - 하나의 프로세스에 하나의 스레드가 존재하는 경우에는 단일 스레드 그리고 하나 이상의 스레드가 존재하는 경우에는 다중 스레드라고 함

  - 프로세스의 일부 특성을 갖기 때문에 경량 프로세스라고도 함

  - 스레드 기반 시스템에서 스레드는 독립적인 스케줄링의 최소 단위로서 프로세스의 역할을 담당

  - 동일 프로세스 환경에서 서로 독립적인 다중 수행이 가능

  - 스레드의 분류

   ① 사용자 수준의 스레드

   * 사용자가 만든 라이브러리를 사용하여 스레드를 운용

   * 속도는 빠르지만 구현이 어려움

   ② 커널 수준의 스레드

   * 운영체제의 커널에 의해 스레드를 운용

   * 구현이 쉽지만 속도가 느림

  - 스레드 사용의 장점

   * 하나의 프로세스를 여러 개의 스레드로 생성하여 병행성을 증진

   * 하드웨어, 운영체제의 성능과 응용 프로그램의 처리율을 향상

   * 응용 프로그램의 응답 시간을 단축

   * 실행 환경을 공유시켜 기억 장소의 낭비가 줄어듦

   * 프로세스들 간의 통신이 향상

   * 스레드는 공통적으로 접근 가능한 기억장치를 통해 효율적으로 통신

 

149 스케줄링

◈ 스케줄링(Scheduling)의 개요

  - 스케줄링은 프로세스가 생성되어 실행될 때 필요한 시스템의 여러 자원을 해당 프로세스에게 할당하는 작업

  - 프로세스가 생성되어 완료될 때까지 프로세스는 여러 종류의 스케줄링 과정을 거침

  - 스케줄링의 종류에는 장기 스케줄링, 중기 스케줄링, 단기 스케줄링이 있음

1) 장기 스케줄링

  - 어떤 프로세스가 시스템의 자원을 차지할 수 있도록 할 것인가를 결정하여 준비상태 큐로 보내는 작업

  - 작업 스케줄링, 상위 스케줄링이라고도 하며 작업 스케줄러에 의해 실행

 2) 중기 스케줄링

  - 어떤 프로세스들이 CPU를 할당받을 것인지를 결정하는 작업

  - CPU를 할당받으려는 프로세스가 많을 경우 프로세스를 일시 보류시킨 후 활성화해서 일시적으로 부하를 조절

 3) 단기 스케줄링

  - 프로세스가 실행되기 위해 CPU를 할당받는 시기와 특정 프로세스를 지정하는 작업

  - 프로세스 스케줄링, 하위 스케줄링이라고도 함

  - 프로세서 스케줄링 및 문맥 교환은 프로세서 스케줄러에 의해 수행

※ 문맥 교환 : 하나의 프로세스에서 다른 프로세스로 CPU가 할당되는 과정에서 발생되는 것으로 새로운 프로세스에 CPU를 할당하기 위해 현재 CPU가 할당된 프로세스의 상태 정보를 저장하고 새로운 프로세스의 상태 정보를 설정한 후 CPU를 할당하여 실행되도록 하는 작업

 

◈ 스케줄링의 목적

  - 공정성 : 모든 프로세스가 공정하게 할당

  - 처리율(량) 증가 : 단위 시간당 프로세스를 처리하는 비율(양)을 증가

  - CPU 이용률 증가 : 프로세스 실행 과정에서 주기억장치를 액세스 한다든지, 입출력 명령 실행 등의 원인에 의해 발생할 수 있는 CPU의 낭비 시간을 줄이고 CPU가 순수하게 프로세스를 실행하는 데 사용되는 시간 비율을 증가

  - 우선순위 제도 : 우선순위가 높은 프로세스를 먼저 실행

  - 오버헤드 최소화 : 오버헤드를 최소화

  - 응답 시간 최소화 : 작업을 지시하고, 반응하기 시작하는 시간을 최소화

  - 반환 시간 최소화 : 프로세스가 준비상태 큐에서 대기하는 시간을 최소화

  - 균형 있는 자원의 사용 : 메모리, 입출력 장치 등의 자원을 균형 있게 사용

  - 무한 연기 회피 : 자원을 사용하기 위해 무한정 연기되는 상태를 회피

  - 스케줄링의 성능 평가 기준 : CPU 이용률, 처리율, 반환 시간, 대기 시간, 응답 시간

 

◈ 프로세스 스케줄링의 기법

 1) 비선점(Non-Preemptive) 스케줄링

  - 이미 할당된 CPU를 다른 프로세스가 강제로 빼앗아 사용할 수 없는 스케줄링 기법

  - 프로세스가 CPU를 할당받으면 해당 프로세스가 완료될 때까지 CPU를 사용

  - 모든 프로세스에 대한 요구를 공정하게 처리할 수 있음

  - 프로세스 응답 시간의 예측이 용이하며 일괄 처리 방식에 적합

  - 중요한 작업이 중요하지 않은 작업을 기다리는 경우가 발생할 수 있음

  - 비선점 스케줄링의 종류에는 FCFS, SJF, 우선순위, HRN, 기한부 등의 알고리즘이 있음

 2) 선점(Preemptive) 스케줄링

  - 하나의 프로세스가 CPU를 할당받아 실행하고 있을 때 우선순위가 높은 다른 프로세스가 CPU를 강제로 빼앗아 사용할 수 있는 스케줄링 기법

  - 우선순위가 높은 프로세스를 빠르게 처리할 수 있음

  - 주로 빠른 응답 시간을 요구하는 대화식 시분할 시스템에 사용

  - 많은 오버헤드를 초래함

  - 선점이 가능하도록 일정 시간 배당에 대한 인터럽트용 타이머 클록이 필요

  - 선점 스케줄링의 종류에는 Round Robin, SRT, 선점 우선순위, 다단계 큐, 다단계 피드백 큐 등이 있음

 

150 환경 변수

◈ 환경 변수의 개요

  - 환경 변수란 시스템 소프트웨어의 동작에 영향을 미치는 동적인 값들의 모임

  - 환경 변수는 변수명과 값으로 구성

  - 환경 변수는 시스템의 기본 정보를 저장

  - 환경 변수는 자식 프로세스에 상속

  - 환경 변수는 시스템 전반에 걸쳐 적용되는 시스템 환경 변수와 사용자 계정 내에서만 적용되는 사용자 환경 변수로 구분

 

◈ Windows에서의 환경 변수

  - Windows에서 환경 변수를 명령어나 스크립트에서 사용하려면 변수명 앞뒤에 '%'를 입력

  - set을 입력하면 모든 환경 변수와 값을 표시

  - PATH, SYSTEMDRIVE, TEMP 등

 

◈ UNIX / LINUX에서의 환경 변수

  - UNIX나 LINUX에서 환경 변수를 명령어나 스크립트에서 사용하려면 변수명 앞에 '$'를 입력

  - set, env, printenv를 입력하면 모든 환경 변수와 값을 표시

  - PWD, PATH, HOME, MAIL 등

 

151 운영체제 기본 명령어

◈ 운영체제 기본 명령어의 개요

- 운영체제를 제어하는 방법은 크게 CLI, GUI로 구분할 수 있음

- CLI(Command Line Interface)는 키보드로 명령어를 직접 입력하여 작업을 수행하는 사용자 인터페이스

- GUI(Graphic User Interface)는 키보드로 명령어를 직접 입력하지 않고 마우스로 아이콘이나 메뉴를 선택하여 작업을 수행하는 그래픽 사용자 인터페이스

 

◈ Windows 기본 명령어

  - CLI 기본 명령어 : 명령 프롬프트 창에 명령어를 입력하여 작업을 수행하는 것

  - 주요 명령어

   * DIR : 파일 목록 표시

   * COPY : 파일 복사

   * TYPE : 파일 내용 표시

   * REN : 파일 이름 변경

   * DEL : 파일 삭제

   * MD : 디렉터리 생성

   * CD : 디렉터리 위치 변경

   * CLS : 화면 내용 지우기

   * ATTRIB : 파일 속성 변경

   * FIND : 파일 찾기

   * CHKDSK : 디스크 상태 점검

   * FORMAT : 디스크 표면을 트랙과 섹터로 나누어 초기화

   * MOVE : 파일 이동

  - GUI 기본 명령어 : 바탕 화면이나 Windows 탐색기에서 마우스로 아이콘을 더블클릭하여 프로그램을 실행하는 것

 

◈ UNIX/LINUX 기본 명령어

  - CLI 기본 명령어 : 쉘(Shell)에 명령어를 입력하여 작업을 수행하는 것

  - UNIX/LINUX의 주요 기본 명령어

   * cat : 파일 내용을 화면에 표시

   * chdir : 현재 사용할 디렉터리의 위치를 변경

   * chmod : 파일의 사용 허가 지정

   * chown : 소유자 변경

   * cp : 파일 복사

   * exec : 새로운 프로세스 수행

   * find : 파일 찾기

   * fork : 새로운 프로세스를 생성

   * fsck : 파일 시스템 검사, 보수

   * getpid : 자신의 프로세스 아이디 얻기

   * getppid : 부모 프로세스 아이디 얻기

   * ls : 현재 디렉터리 내의 파일 목록 확인

   * mount/unmount : 파일 시스템을 마운팅(새로운 파일 시스템을 서브 디렉터리에 연결하는 것)/마운팅 해제

   * rm : 파일 삭제

   * wait : fork 후 exec에 의해 실행되는 프로세스의 상위 프로세스가 하위 프로세스 종료 등의 event를 기다림

  - GUI 명령어 : UNIX/LINUX는 기본적으로 CLI를 기반으로 운영되는 시스템이지만 X Window라는 별도의 프로그램을 설치하여 GUI 방식으로 운영할 수 있음

 

152 인터넷

◈ 인터넷의 개요

  - 인터넷이란 TCP/IP 프로토콜을 기반으로 하여 전 세계 수많은 컴퓨터와 네트워크들이 연결된 광범위한 컴퓨터 통신망

  - 미 국방성의 ARPANET에서 시작

  - 유닉스 운영체제 기반

  - 통신망과 컴퓨터가 있는 곳이라면 시간과 장소에 구애받지 않고 정보를 교환

  - 인터넷에 연결된 모든 컴퓨터는 고유한 IP 주소를 가짐

  - 컴퓨터 또는 네트워크를 서로 연결하기 위해서는 브리지, 라우터, 게이트웨이가 사용

  - 다른 네트워크 또는 같은 네트워크를 연결하여 중추적 역할을 하는 네트워크로 보통 인터넷의 주가 되는 기간망을 일컫는 용어를 백본(Backbone)이라고 함

 

◈ IP 주소(Internet Protocol Address)

  - IP 주소는 인터넷에 연결된 모든 컴퓨터 자원을 구분하기 위한 고유한 주소

  - 숫자로 8비트씩 4 부분으로 총 32비트 구성

  - IP 주소는 네트워크 부분의 길이에 따라 A 클래스에서 E 클래스까지 총 5단계로 구성

 1) A Class

  - 국가나 대형 통신망에 사용

  - 0~127로 시작

  - 2^24개의 호스트 사용 가능

 2) B Class

  - 중대형 통신망에 사용

  - 128~191로 시작

  - 2^16개의 호스트 사용 가능

 3) C Class

  - 소규모 통신망에 이용

  - 192~223로 시작

  - 2^8개의 호스트 사용 가능

 4) D Class

  - 멀티캐스트(한 명 이상의 송신자들이 특정한 한 명이상의 수신자들에게 데이터를 전송하는 방식)용으로 사용

  - 224~339로 시작

 5) E Class

  - 실험적 주소이며 공용되지 않음

 

◈ 서브네팅(Subnetting)

  - 서브네팅은 할당된 네트워크 주소를 다시 여러 개의 작은 네트워크로 나누어 사용하는 것

  - 4바이트의 IP 주소 중 네트워크 주소와 호스트 주소를 구분하기 위한 비트를 서브넷 마스크(Subnet Mask)라고 하며 이를 변경하여 네트워크 주소를 여러 개로 분할하여 사용

  - 서브넷 마스크는 각 클래스마다 다르게 사용

 

◈ IPv6(Internet Protocol version 6)의 개요

  - IPv6은 현재 사용하고 있는 IP 주소 체계인 IPv4의 주소 부족 문제를 해결하기 위해 개발

  - 128비트의 긴 주소를 사용하여 주소 부족 문제를 해결할 수 있으며, IPv4에 비해 자료 전송 속도가 빠름

  - 인증성, 기밀성, 데이터 무결성(인가된 사용자만 수정 가능)의 지원으로 보안 문제를 해결

  - IPv4와 호환성이 뛰어남

  - 주소의 확장성, 융통성, 연동성이 뛰어나며 실시간 흐름 제어로 향상된 멀티미디어 기능을 지원

  - Traffic Class, Flow Label을 이용하여 등급별, 서비스별로 패킷을 구분할 수 있어 품질 보장이 용이

 

◈ IPv6의 구성

  - 16비트씩 8 부분, 128비트로 구성

  - 각 부분을 16진수로 표현하고 콜론(:)으로 구분

  - IPv6은 다음과 같이 세 가지 주소 체계로 나누어짐

   * 유니캐스트 : 단일 송신자와 단일 수신자 간의 통신(1 대 1 통신)

   * 멀티캐스트 : 단일 송신자와 다중 수신자 간의 통신(1 대 다 통신)

   * 애니캐스트 : 단일 송신자와 가장 가까이 있는 단일 수신자 간의 통신(1 대 1 통신)

 

◈ 도메인 네임(Domain Name)

  - 도메인 네임은 숫자로 된 IP 주소를 사람이 이해하기 쉬운 문자 형태로 표현한 것

  - 호스트 컴퓨터 이름, 소속 기관 이름, 소속 기관의 종류, 소속 국가명 순으로 구성되며 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 상위 도메인을 의미

  - 문자로 된 도메인 네임을 컴퓨터가 이해할 수 있는 IP주소로 변환하는 역할을 하는 시스템을 DNS(Domain Name System)라고 하며 이런 역할을 하는 서버를 DNS 서버라고 함

 - ex) www.hankook.co.kr

   * www : 호스트 컴퓨터 이름

   * hankook : 소속 기관 이름

   * co : 소속 기관 종류

   * kr : 소속 국가

 

153 OSI 참조 모델

◈ OSI(Open System Interconnection) 참조 모델의 개요

  - OSI 참조 모델은 다른 시스템 간의 원활한 통신을 위해 ISO(국제 표준화 기구)에서 제안한 통신 규약(Protocol)

  - 개방형 시스템 간의 데이터 통신 시 필요한 장비 및 처리 방법 등을 7단계로 표준화하여 규정

  - OSI 7 계층은 1~3계층을 하위 계층, 4~7계층을 상위 계층이라 함

   * 하위 계층 : 물리 계층, 데이터 링크 계층, 네트워크 계층

   * 상위 계층 : 전송 계층, 세션 계층, 표현 계층, 응용 계층

 

◈ OSI 참조 모델의 목적

  - 서로 다른 시스템 간을 상호 접속하기 위한 개념을 규정

  - OSI 규격을 개발하기 위한 범위를 정함

  - 관련 규정의 적합성을 조절하기 위한 공통적 기반을 제공

 

◈ OSI 참조 모델에서의 데이터 단위

  - 프로토콜 데이터 단위(PDU; Protocol Data Unit) : 동일 계층 간에 교환되는 정보의 단위

  - 물리 계층 : 비트

  - 데이터 링크 계층 : 프레임

  - 네트워크 계층 : 패킷

  - 전송 계층 : 세그먼트

  - 세션, 표현, 응용 계층 : 메시지

  - 서비스 데이터 단위(SDU; Service Data Unit) : 서비스 접근점(SAP)을 통해 상하위 계층끼리 주고받는 정보의 단위

 

◈ 물리 계층(Physical Layer)

  - 물리 계층은 전송에 필요한 두 장치 간의 실제 접속과 절단 등 기계적, 전기적, 기능적, 절차적 특성에 대한 규칙을 정의

  - RS-232C 등의 표준이 있음

  - 관련 장비 : 리피터, 허브

 

◈ 데이터 링크 계층(Data Link Layer)

  - 두 개의 인접한 개방 시스템들 간에 신뢰성 있고 효율적인 정보 전송

  - 송신 측과 수신 측의 속도 차이를 해결하기 위한 흐름 제어 기능

  - 프레임의 시작과 끝을 구분하기 위한 프레임의 동기화 기능

  - 오류 검출과 회복을 위한 오류 제어 기능

  - 프레임의 순서적 전송을 위해 순서 제어 기능

  - HDLC, LAPB, LLC 등의 표준이 있음

  - 관련 장비 : 랜카드, 브리지, 스위치

 

◈ 네트워크 계층(Network Layer)

  - 개방 시스템들 간의 네트워크 연결을 관리하는 기능과 데이터의 교환 및 중계 기능

  - 네트워크 연결을 설정, 유지, 해제하는 기능

  - 경로 설정(Routing), 데이터 교환 및 중재, 트래픽 제어, 패킷 정보 전송을 수행

  - IP 등의 표준이 있음

  - 관련 장비 : 라우터

 

◈ 전송 계층(Transport Layer)

  - 논리적 안정과 균일한 데이터 전송 서비스를 제공함으로써 종단 시스템(End-to-End) 간에 투명한 데이터 전송

  - OSI 7계층 중 하위 3 계층과 상위 3 계층의 인터페이스를 담당

  - 종단 시스템 간의 전송 연결 설정, 데이터 전송, 연결 해제 기능

  - 주소 설정, 다중화, 오류 제어, 흐름 제어를 수행

  - TCP, UDP 등의 표준이 있음

  - 관련 장비 : 게이트웨이

 

◈ 세션 계층(Session Layer)

  - 송수신 측 간의 관련성을 유지하고 대화 제어를 담당

  - 대화 구성 및 동기 제어, 데이터 교환 관리 기능

  - 송수신 측 간의 대화 동기를 위해 전송하는 정보의 일정한 부분에 체크점을 두어 정보의 수신 상태를 체크하며 이때의 체크점을 동기점(Synchronization Point)이라고 함

  - 동기점은 오류가 있는 데이터의 회복을 위해 사용하는 것으로 종류에는 소동 기점과 대동 기점이 있음

 

◈ 표현 계층(Presentation Layer)

  - 응용 계층으로부터 받은 세션 데이터를 세션 계층에 보내기 전에 통신에 적당한 형태로 변환하고 세션 계층에서 받은 데이터는 응용 계층에 맞게 변환하는 기능

  - 서로 다른 데이터 표현 형태를 갖는 시스템 간의 상호 접속을 위해 필요한 계층

  - 코드 변환, 데이터 암호화, 데이터 압축, 구문 검색, 정보 형식 변환, 문맥 관리 기능

 

◈ 응용 계층(Application Layer)

  - 사용자가 OSI 환경에 접근할 수 있도록 서비스를 제공

  - 응용 프로세스 간의 정보 교환, 전자 사서함, 파일 전송, 가상 터미널 등의 서비스를 제공

 

154 네트워크 관련 장비

◈ 네트워크 인터페이스 카드(NIC; Network Interface Card)

  - 네트워크 인터페이스 카드는 컴퓨터와 컴퓨터 또는 컴퓨터와 네트워크를 연결하는 장치

  - 정보 전송 시 정보가 케이블을 통해 전송될 수 있도록 정보 형태를 변경

  - 이더넷 카드(LAN 카드) 혹은 네트워크 어댑터라고 함

 

◈ 허브(Hub)

  - 한 사무실이나 가까운 거리의 컴퓨터들을 연결하는 장치

  - 각 회선을 통합적으로 관리하며 신호 증폭 기능을 하는 리피터의 역할도 포함

  - 허브의 종류에는 더미 허브, 스위칭 허브가 있음

 1) 더미 허브(Dummy Hub)

  - 네트워크에 흐르는 모든 데이터를 단순히 연결하는 기능만을 제공

  - LAN이 보유한 대역폭을 컴퓨터 수만큼 나누어 제공

  - 네트워크에 연결된 각 노드를 물리적인 성형 구조로 연결

 2) 스위칭 허브(Switching Hub)

  - 네트워크상에 흐르는 데이터의 유무 및 흐름을 제어하여 각각의 노드가 허브의 최대 대역폭을 사용할 수 있는 지능형 허브

  - 최근에 사용되는 허브는 대부분 스위칭 허브

 

◈ 리피터(Repeater)

  - 리피터는 전송 신호가 원래 형태와 다르게 왜곡되거나 약해질 경우 원래의 신호 형태로 재생하여 다시 전송하는 역할을 수행

  - 물리 계층에서 동작하는 장비

  - 근접한 네트워크 사이에 신호를 전송하는 역할로 전송 거리의 연장 또는 배선의 자유도를 높이기 위한 용도로 사용

 

◈ 브리지(Bridge)

  - 브리지는 LAN과 LAN을 연결하거나 LAN 안에서의 컴퓨터 그룹을 연결하는 기능을 수행

  - 데이터 링크 계층 중 MAC(Media Access Control) 계층에서 사용되므로 MAC 브리지라고도 함

  - 네트워크 상의 많은 단말기들에 의해 발생되는 트래픽 병목 현상을 줄일 수 있음

  - 네트워크를 분산적으로 구성할 수 있어 보안성을 높일 수 있음

  - 브리지를 이용한 서브넷(Subnet) 구성 시 전송 가능한 회선 수는 브리지가 n개일 때 nC2개

 

◈ 스위치(Switch)

  - 스위치는 브리지와 같이 LAN과 LAN을 연결하여 훨씬 더 큰 LAN을 만드는 장치

  - 하드웨어를 기반으로 처리하므로 전송 속도가 빠름

  - 포트마다 각기 다른 전송 속도를 지원하도록 제어할 수 있고 수십에서 수백 개의 포트를 제공

  - 데이터 링크 계층에서 사용

 

◈ 라우터(Router)

  - 라우터는 브리지와 같이 LAN과 LAN의 연결 기능에 데이터 전송의 최적 경로를 선택할 수 있는 기능이 추가된 것

  - 서로 다른 LAN이나 LAN과 WAN의 연결도 수행

  - 네트워크 계층에서 동작하는 장비

  - 접속 가능한 경로에 대한 정보를 라우팅 제어표에 저장하여 보관

  - 3 계층까지의 프로토콜 구조가 다른 네트워크 간의 연결을 위해 프로토콜 변환 기능을 수행

 

◈ 게이트웨이(Gateway)

  - 게이트웨이는 전 계층(1~7 계층)의 프로토콜 구조가 다른 네트워크의 연결을 수행

  - 세션 계층, 표현 계층, 응용 계층 간을 연결하여 데이터 형식 변환, 주소 변환, 프로토콜 변환 등을 수행

  - LAN에서 다른 네트워크에 데이터를 보내거나 다른 네트워크로부터 데이터를 받아들이는 출입구 역할

 

◈ 네트워크 장비 설치 시 고려 사항

  - 증설 고려하여 설계

  - 최신 버전 선정

  - 트래픽 분산시킬 수 있도록 설계

  - 네트워크 관리나 유지 보수가 용이하게 설계

  - 장애 발생 시 즉시 조치할 수 있도록 여유 포트를 고려하여 설계

  - 미래 지향적인 네트워크 시스템 구축

 

155 프로토콜의 개념

◈ 프로토콜(Protocol)의 정의

  - 프로토콜은 서로 다른 기기들 간의 데이터 교환을 원활하게 수행할 수 있도록 표준화시켜 놓은 통신 규약

  - 통신을 제어하기 위한 표준 규칙과 절차의 집합으로 하드웨어와 소프트웨어, 문서를 모두 규정

 

◈ 프로토콜의 기본 요소

  - 구문 : 전송하고자 하는 데이터의 형식, 부호화, 신호 레벨 등을 규정

  - 의미 : 두 기기 간의 효율적이고 정확한 정보 전송을 위한 협조 사항과 오류 관리를 위한 제어 정보를 규정

  - 시간 : 두 기기 간의 통신 속도, 메시지의 순서 제어 등을 규정

 

◈ 프로토콜의 기능

 1) 단편화와 재결합

  - 송신 측에서 전송할 데이터를 자르는 것을 단편화라고 하고 수신 측에서 모으는 것을 재결합이라고 함

  - 단편화를 통해 세분화된 데이터 블록을 프로토콜 데이터 단위(PDU; Protocol Data Unit)이라고 함

  - 데이터를 단편화하여 전송하면 전송 시간이 빠르고 통신 중 오류를 효과적으로 제어할 수 있음

  - 너무 작은 블록으로 단편화하면 비효율적

 2) 캡슐화

  - 캡슐화는 단편화된 데이터에 송수신지 주소, 오류 검출 코드, 프로토콜 기능을 구현하기 위한 프로토콜 제어 정보 등의 정보를 부가하는 것으로 요약화라고도 함

  - 대표적인 예가 데이터 링크 제어 프로토콜의 HDLC 프레임

  - 정보 데이터를 오류 없이 정확하게 전송하기 위해 캡슐화

 3) 흐름 제어

  - 흐름 제어는 수신 측의 처리 능력에 따라 송신 측에서 송신하는 데이터의 전송량이나 전송 속도를 조절하는 기능

  - 정지-대기, 슬라이딩 윈도 방식을 이용

 4) 오류제어

  - 오류제어는 전송 중에 발생하는 오류를 검출하고 정정하는 기능

 5) 동기화

  - 동기화는 송수신 측이 같은 상태를 유지하도록 타이밍을 맞추는 기능

 6) 순서 제어

  - 순서 제어는 전송되는 데이터 블록(PDU)에 전송 순서를 부여하는 기능으로 연결 위주의 데이터 전송 방식에만 사용

  - 송신 데이터들이 순서적으로 전송되도록 함으로써 흐름 제어 및 오류 제어를 용이하게 하는 기능

 7) 주소 지정

  - 주소 지정은 데이터가 목적지까지 정확하게 전송될 수 있도록 목적지 이름, 주소, 경로를 부여하는 기능

 8) 다중화

  - 다중화는 한 개의 통신 회선을 여러 가입자들이 동시에 사용하도록 하는 기능

 9) 경로 제어

  - 송수신 측 간의 송신 경로 중에서 최적의 패킷 교환 경로를 설정하는 기능

 10) 전송 서비스

  - 전송하려는 데이터가 사용하도록 하는 별도의 부가 서비스

  - 우선순위 : 우선순위가 높은 메시지가 먼저 도착

  - 서비스 등급 : 데이터의 요구에 따라 서비스 등급을 부여하여 서비스

  - 보안성 : 액세스 제한과 같은 보안 체제를 구현

 

156 TCP/IP

◈ TCP/IP의 개요(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)

  - TCP/IP는 인터넷에 연결된 서로 다른 기종의 컴퓨터들이 데이터를 주고받을 수 있도록 하는 표준 프로토콜

  - ARPANET에서 사용하기 시작

  - UNIX의 기본 프로토콜로 사용되었고 현재 인터넷 범용 프로토콜로 사용

  - TCP/IP는 다음과 같은 기능을 수행하는 TCP 프로토콜과 IP 프로토콜이 결합된 것

 1) TCP

  - 전송 계층에 해당

  - 신뢰성 있는 연결형 서비스를 제공

  - 패킷의 다중화, 순서 제어, 오류 제어, 흐름 제어 기능을 제공

  - 스트림(Stream) 전송 기능 제공

  - TCP 헤더에는 Source/Destination Port Number, Sequence Number, Ack Number, CheckSum 등이 포함

 2) IP

  - 네트워크 계층에 해당

  - 데이터그램을 기반으로 하는 비연결형 서비스를 제공

  - 패킷의 분해/조립, 주소 제어, 주소 지정, 경로 선택 기능을 제공

  - 헤더의 길이는 20~60Byte

  - IP 헤더에는 Version, Header Length, Destination IP Address 등이 포함

 

◈ TCP/IP의 구조

 1) TCP/IP의 응용 계층

  - OSI의 응용계층, 표현 계층, 세션 계층

  - 응용 프로그램 간의 데이터 송수신 제공

  - TELNET, FTP, SMTP, SNMP, DNS, HTTP 등

 2) TCP/IP의 전송 계층

  - OSI의 전송 계층

  - 호스트들 간의 신뢰성 있는 통신 제공

  - TCP, UDP

 3) TCP/IP의 인터넷 계층

  - OSI의 네트워크 계층

  - 데이터 전송을 위한 주소 지정, 경로 설정을 제공

  - IP, ICMP, IGMP, ARP, RARP

 4) TCP/IP의 네트워크 액세스 계층

  - OSI의 데이터 링크 계층, 물리 계층

  - 실제 데이터를 송수신하는 역할

  - Ethernet, IEEE 802, HDLF, ARQ 등

 

◈ 응용 계층의 주요 프로토콜

  - FTP(File Transfer Protocol) : 파일을 주고받을 수 있도록 하는 원격 파일 전송 프로토콜

  - SMTP(Simple Mail Tranfer Protocol) : 전자우편을 교환하는 서비스

  - TELNET : 원격 접속하여 자신의 컴퓨터처럼 사용할 수 있도록 해주는 서비스로 가상 터미널 기능 수행

  - SNMP(Simple Network Management Protocol) : TCP/IP의 네트워크 관리 프로토콜로 라우터나 허브 등 네트워크 기기의 네트워크 정보를 네트워크 관리 시스템에 보내는 데 사용되는 표준 통신 규약

  - DNS(Domain Name System) : 도메인 네임을 IP 주소로 매핑하는 시스템

  - HTTP(Hyper Text Transfer Protocol) : 월드 와이드 웹(WWW)에서 HTML 문서를 송수신하기 위한 표준 프로토콜

 

◈ 전송 계층의 주요 프로토콜

 1) TCP(Transmission Control Protocol)

  - 양방향 연결형 서비스 제공

  - 가상 회선 연결 형태의 서비스 제공

  - 스트림 위주의 전달(패킷 단위)

  - 신뢰성 있는 경로를 확립하고 메시지 전송을 감독

  - 순서 제어, 오류 제어, 흐름 제어 기능

  - 패킷의 분실, 손상, 지연이나 순서가 틀린 것 등이 발생할 때 투명성이 보장되는 통신을 제공

 2) UDP(User Datagram Protocol)

  - 비연결형 서비스 제공

  - 단순한 헤더 구조로 오버헤드가 작음

  - 빠른 속도를 필요로 하는 경우, 동시에 여러 사용자에게 전달하는 경우, 정기적으로 반복해서 전송할 경우에 사용

  - 실시간 전송에 유리하며 신뢰성보다는 속도가 중요시되는 네트워크에서 사용

  - 헤더에는 Source Port Number, Checksum 등이 포함

 3) RTCP(Real-Time Control Protocol)

  - RTP 패킷의 전송 품질을 제어하기 위한 프로토콜

  - 세션에 참여한 각 참여자들에게 주기적으로 제어 정보를 전송

  - 하위 프로토콜은 데이터 패킷과 제어 피킷의 다중화를 제공

  - 데이터 전송을 모니터링하고 최소한의 제어와 인증 기능만을 제공

  - 항상 32비트의 경계로 끝남

 

◈ 인터넷 계층의 주요 프로토콜

 1) IP(Internet Protocol)

  - 전송할 데이터에 주소를 지정하고 경로를 설정하는 기능

  - 비연결형인 데이터그램 방식을 사용하는 것으로 신뢰성이 보장되지 않음

 2) ICMP(Internet Control Message Protocol)

  - IP와 조합하여 통신 중에 발생하는 오류 처리

 3) IGMP(Internet Group Management Protocol)

  - 멀티캐스트 그룹 유지를 위해 사용

 4) ARP(Address Resolution Protocol)

  - IP 주소를 물리적 주소로 바꾼다.

 5) RARP(Reverse Address Resolution Protocol)

  - 물리적 주소를 IP 주소로 바꿈

 

◈ 네트워크 액세스 계층의 주요 프로토콜

  - Ethernet : CSMA/CD 방식의 LAN

  - IEEE 802 : LAN을 위한 표준 프로토콜

  - HDLC : 비트 위주의 데이터 링크 제어 프로토콜

  - X.25 : 패킷 교환망을 통한 DTE와 DCE 간의 인터페이스를 제공하는 프로토콜

  - RS-232C : 공중전화 교환망을 통한 DTE와 DCE 간의 인터페이스를 제공하는 프로토콜