1. OS (Operating System)

운영체제(OS, Operating System)는 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스다. 한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배해준다. 참고로 운영체제와 유사하지만 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없는 것을 펌웨어(firmware)라고 한다.

1.1. 운영체제의 역할과 구조

1.1.1. 운영체제의 역할

운영체제의 역할은 크게 네 가지가 있다.

1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리 : CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리한다. 2. 메모리 관리 : 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 하는지 관리한다. 3. 디스크 파일 관리 : 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리한다. 4. I/O 디바이스 관리 : I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리한다.

1.1.2. 운영체제의 구조


시스템콜 시스템콜이란 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용한다.

유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩(trap)을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인한 후 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다.

유저 모드에서 파일을 읽지 않고 커널 모드로 들어가 파일을 읽고 다시 유저 모드로 돌아가 그 뒤에 있는 유저 프로그램의 로직을 수행하면 컴퓨터의 자원에 대한 직접 접근을 차단할 수 있고 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있다. 

>용어

• I/O 요청

 입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일

• 드라이버

 하드웨어를 제어하기 위한 소프트 웨어


프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떠한 요청을 할 때 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달된다.

이 시스템콜은 하나의 추상화 계층이다. 그렇기 때문에 이를 통해 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있는 장점이 있다.

modebit 시스템콜이 작동될 때 modebit을 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분한다. modebit은 1 또는 0의 값을 가지는 플래그 변수다. 카메라, 키보드 등 I/O 디바이스는 운영체제를 통해서만 작동해야 한다. 카메라는 켜는 프로그램이 있다고 하면, 만약 유저 모드를 기반으로 카메라가 켜진다면 사용자가 의도하지 않았는데 공격자가 카메라를 갑자기 켤 수 있는 등 나쁜 짓을 하기가 쉽다.

물론 커널 모드를 거쳐 운영체제를 통해 작동한다고 해도 100% 막을 수는 없지만, 운영체제를 통해 작동하게 해야 막기가 쉽다. 이를 위한 장치가 modebit이다.

modebit의 0은 커널 모드, 1은 유저 모드라고 설정된다.


위의 그림처럼 유저 프로그램이 카메라를 이용하려고 할 때 시스템콜을 호출하고 modebit을 1에서 0으로 바꾸며 커널 모드로 변경한 후 카메라 자원을 이용한 로직을 수행한다. 그 이후에 modebit을 0에서 1로 바꿔서 유저 모드로 변경하고 이후 로직을 수행한다.

>용어

• 유저 모드

 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드

• 커널 모드

 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드

• 커널

 운영체제의 핵심 부분이자 시스템콜 인터페이스를 제공하며 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 한다.