운영체제 OS

우리가 일상에서 컴퓨터나 스마트폰을 사용하면서 인터넷 서핑을 하거나, 문서를 작성하고, 사진을 편집하는 등 다양한 활동들은 모두 운영체제 위에서 동작하는 프로그램이나 앱들 덕분입니다. 이런 일련의 활동들이 가능한 것은 운영체제가 하드웨어와 소프트웨어 간의 복잡한 상호작용을 중재하고 관리해주기 때문입니다.

운영체제는 컴퓨터 시스템의 핵심적인 소프트웨어로, 컴퓨터 하드웨어와 응용 프로그램 사이에 인터페이스를 제공하여 사용자가 컴퓨터를 효과적으로 제어하고 사용할 수 있게 해줍니다. 그렇기 때문에 우리는 웹 브라우저를 클릭하면 웹 페이지가 열리게 되고, 파일 아이콘을 더블클릭하면 문서가 열리는 것입니다.

하지만 우리 대부분은 이런 기능들이 얼마나 복잡한 과정을 거쳐 이루어지는지 잘 모릅니다. 그래서 이번 글에서는 운영체제라는 중요한 개념에 대해 들여다보려 합니다.

운영체제란

운영체제(Operating System)는 컴퓨터 시스템의 하드웨어, 소프트웨어적인 자원들을 효율적으로 운영 및 관리함으로써 사용자가 컴퓨터를 편리하고, 효과적으로 사용할 수 있도록 하는 시스템 소프트웨어입니다.

최초의 운영체제 중 하나는 UNIVAC I^{Universal Automatic Computer I}의 운영체제인 EXEC I이었습니다. 이 시스템은 1951년에 개발되었으며 배치 처리 시스템의 초기 형태로 사용되었습니다. 1960년대에는 IBM이 IBM OS/360을 개발하여 대형 컴퓨터 운영체제의 패러다임을 정립했습니다. 이것은 여러 컴퓨터 모델에서 실행되는 단일 운영체제였습니다. 1970년대에는 유명한 Unix 운영체제가 탄생했으며 오픈소스로 개발되어 다양한 환경에서 사용되었습니다. MS-DOS^{Microsoft Disk Operating System}는 1980년대에 개발된 Microsoft의 운영체제로서, 개인용 컴퓨터 역사에서 중요한 역할을 했습니다. 그 후 Microsoft Windows 운영체제가 PC 환경에서 더욱 사용자 친화적인 인터페이스를 제공하여 성공을 거두고 지금에 이르렀습니다.

운영체제는 컴퓨터와 같은 하드웨어 바로 위에 설치되어 사용자 및 다른 소프트웨어와 하드웨어를 연결하는 소프트웨어 계층 즉, 중개자 역할을 해주는 프로그램입니다.

운영체제의 구성 요소

크롬, 엑셀, 카카오톡 같은 프로그램과 실제 하드웨어 사이에 통신을 시켜주는 것을 운영체제(OS)라고 했다. 운영체제는 커널, 네트워킹, 보안, 사용자 인터페이스등의 구성요소로 이루어져있다².

커널

커널은 운영체제의 핵심 부분으로, 다른 모든 구성 요소의 상호 작용을 관리합니다. 커널은 다음과 같은 주요 역할을 수행합니다.

프로그램 실행: 커널은 프로그램을 실행하고 관리합니다. 프로세스를 생성하고 감시하며, CPU 자원을 프로세스에 할당합니다.
인터럽트: 하드웨어 이벤트나 소프트웨어 요청에 대한 인터럽트를 처리합니다. 이를 통해 예기치 않은 상황을 처리하고 시스템 동작을 유지합니다.
모드: 커널은 CPU 실행 모드를 관리합니다. 사용자 모드와 커널 모드 사이의 전환을 처리하여 보안을 유지하고 불필요한 접근을 제한합니다.
메모리 관리: 커널은 시스템 메모리를 효율적으로 할당 및 관리합니다. 이는 프로세스의 메모리 할당, 페이지 교체, 메모리 보호를 포함합니다.
가상 메모리: 가상 메모리는 물리적인 메모리와 논리적인 메모리 주소를 관리합니다. 커널은 페이지 파일을 통해 물리적 메모리의 한계를 확장하고 프로세스 간 메모리를 격리시킵니다.
멀티태스킹: 커널은 여러 프로세스를 동시에 실행하고 관리합니다. 시분할 스케줄링을 통해 CPU를 공유하며, 각 프로세스에 일정 시간을 할당합니다.
디스크 접근 및 파일 시스템: 커널은 디스크 및 파일 시스템과 상호 작용하여 파일을 읽고 쓰며, 파일 및 디렉토리를 관리합니다. 이것은 파일의 생성, 삭제, 읽기, 쓰기, 권한 관리를 포함합니다.
장치 드라이버: 하드웨어 장치(예: 프린터, 그래픽 카드)와 상호 작용하기 위해 장치 드라이버를 관리합니다. 드라이버는 장치와 커널 간의 통신을 도와주며, 하드웨어를 제어합니다.

네트워킹

네트워킹은 운영체제의 한 부분으로, 컴퓨터 간의 통신 및 원격 자원 접근을 관리합니다. 네트워킹은 다음과 같은 역할을 수행합니다.

네트워킹은 운영체제의 한 부분으로, 컴퓨터 간의 통신 및 원격 자원 접근을 관리합니다. 네트워킹은 다음과 같은 역할을 수행합니다:
네트워크 연결 관리: 컴퓨터가 네트워크에 연결하고 통신할 수 있도록 도와줍니다. 이는 유선 및 무선 연결 관리를 포함합니다.
프로토콜 지원: 다양한 네트워크 프로토콜(예: TCP/IP)을 지원하여 데이터 패킷을 전송하고 수신합니다.
보안: 네트워크에서 데이터의 기밀성과 무결성을 유지하기 위한 보안 기능을 제공합니다. 방화벽 및 가상 사설망(VPN)을 관리합니다.
웹 서버 및 클라이언트 지원: 웹 브라우징 및 웹 서버 호스팅과 같은 웹 기능을 지원합니다.

보안

보안은 중요한 운영체제 구성 요소 중 하나로, 시스템의 안전성을 보장합니다. 보안은 다음과 같은 역할을 수행합니다.사용자 인증 및 권한 관리: 사용자 계정을 생성하고 관리하며, 각 사용자에 대한 권한을 설정합니다.

암호화: 데이터의 암호화와 복호화를 처리하여 데이터 기밀성을 유지합니다.
방화벽 설정: 외부 공격으로부터 시스템을 보호하고, 네트워크 트래픽을 제어합니다.
시스템 로깅 및 감시: 시스템의 동작을 모니터링하고, 로그를 생성하여 보안 사고를 탐지하고 대응합니다.

사용자 인터페이스

사용자 인터페이스는 운영체제와 사용자 간의 상호 작용을 담당합니다. 이는 사용자가 운영체제 및 응용 프로그램을 조작하는 방법을 제공합니다. 사용자 인터페이스는 보편적으로 크게 두 가지 주요 유형으로 나뉩니다.

커맨드 라인 인터페이스(CLI): 사용자가 명령어를 입력하여 시스템 명령을 실행하는 텍스트 기반 인터페이스입니다.
그래픽 사용자 인터페이스(GUI): 사용자가 그래픽 요소(아이콘, 창, 메뉴)를 사용하여 시스템 및 응용 프로그램을 조작하는 시각적 환경을 제공합니다.

운영체제의 역할 과 목적

운영체제는 다음과 같은 역할을 통해 하드웨어 자원을 효율적으로 활용하고 프로세스 간의 협력을 용이하게 만들며, 파일 및 데이터의 보안을 유지합니다. 또한 사용자의 관리 및 보안을 통해 시스템의 안전성을 확보합니다.

리소스 관리

운영체제는 하드웨어 리소스를 관리하는 역할을 합니다. 이는 중앙처리장치(CPU), 메모리, 저장장치, 입출력 장치와 같은 하드웨어 자원을 효율적으로 할당하고 관리하는 것을 포함합니다.

운영체제는 중앙처리장치(CPU), 메모리, 저장장치, 그리고 입출력 장치와 같은 하드웨어 자원을 프로세스에 할당합니다. 이를 효율적으로 관리하여 모든 프로세스가 적절한 자원을 사용할 수 있도록 합니다.
운영체제는 자원을 효율적으로 활용하기 위해 스케줄링 알고리즘을 사용합니다. 이로써 CPU와 메모리 등의 자원이 최대한 효율적으로 사용됩니다.
운영체제는 다수의 프로세스가 공유 자원에 접근할 때 충돌을 방지하고, 데이터 무결성을 보호하기 위한 메커니즘을 제공합니다.

프로세스 관리

운영체제는 여러 프로세스(프로그램 실행 단위)를 관리합니다. 이것은 프로세스 생성, 중지, 스케줄링, 및 간섭 관리를 포함합니다.

운영체제는 프로세스를 생성하고 초기화하여 프로그램의 실행을 시작합니다.
여러 프로세스가 실행 중일 때, 운영체제는 어떤 프로세스가 CPU를 사용할지 결정합니다. 이를 스케줄링 알고리즘을 통해 관리합니다.
프로세스 간의 데이터 교환 및 통신을 관리합니다. 이를 통해 다른 프로세스와의 협력이 가능해집니다.
데드락 상황을 탐지하고 해결하는 메커니즘을 제공하여 시스템의 안정성을 유지합니다.

파일 시스템 관리

파일 시스템은 데이터를 저장하고 관리하는 데 사용됩니다. 운영체제는 파일을 생성, 삭제, 읽기, 쓰기 및 보호하는데 필요한 서비스를 제공합니다.

파일 시스템은 파일과 디렉토리를 생성, 삭제, 읽기, 쓰기 등의 작업을 허용합니다.
파일 시스템은 파일 및 디렉토리에 대한 액세스 권한을 관리하고, 데이터의 기밀성을 보호합니다.
파일 시스템은 파일의 구조를 유지하고 데이터를 저장하며, 손상된 파일을 복구하는 기능을 제공합니다.

사용자 및 권한 관리

운영체제는 사용자의 계정을 관리하고, 각 사용자가 어떤 작업을 수행할 수 있는지 규제하는 권한 관리 역할을 합니다.

운영체제는 사용자 계정을 생성, 삭제, 관리하고 사용자에게 고유한 식별자를 부여합니다.
각 사용자 및 그룹에 대한 권한을 설정하고, 어떤 작업을 수행할 수 있는지 제어합니다.
사용자가 시스템에 로그인할 때, 사용자 이름 및 암호를 검증하여 인증을 제공합니다.

컴퓨터 운영체제의 유형

다음은 컴퓨터 시스템의 다양한 유형에 관한 내용입니다. 각 유형은 고유한 특징과 용도를 갖고 있으며, 컴퓨터 시스템의 다양한 요구에 따라 선택되거나 혼합하여 사용됩니다.

일괄처리 시스템(Batch processing system): 유사한 작업들을 묶어서 일정량 또는 시간에 처리하는 방식입니다. 초기에는 펀치 카드 처리 시스템이나 ORM 카드와 같은 방식으로 사용되었습니다. 예를 들러 초기 Punch Card 처리 시스템, ORM카드 등등이 포함됩니다.
다중 프로그래밍 시스템(Multi programming system): 하나의 CPU와 주기억 장치를 이용하여 여러 개의 프로그램을 동시에 처리하는 방식입니다. CPU와 대화하면서 처리가 가능하여 CPU 사용률과 처리량이 증가합니다.
시분할 시스템(Time sharing system): 시간을 분할하여 여러 사용자에게 컴퓨터 자원을 번갈아가며 할당하는 방식입니다. 사용자는 자신이 컴퓨터를 독점하고 있다는 느낌을 받지 않습니다.
실시간 시스템(Real-Time system): 단말기의 요청을 즉시 처리하여 결과를 반환하는 시스템입니다. 예를 들어, 원자로 / 공장 제어, 미사일, 반도체 장비, 로봇 제어 등이 이에 해당합니다.
다중처리 시스템(Multi-processing system): 여러 대의 CPU와 하나의 주기억장치를 이용하여 여러 개의 프로그램을 동시에 처리하는 방식입니다. 단일 운영체제에 의해 관리되며, 하나의 CPU가 고장 나더라도 시스템의 신뢰성과 안정성을 보장할 수 있습니다.
분산 컴퓨팅(Distributed computing): 네트워크로 연결된 여러 대의 컴퓨터들의 처리 능력을 이용하여 복잡한 계산 문제를 해결하려는 분산 처리 모델입니다.

운영체제의 기능

운영체제는 프로세스 및 파일 관리, 네트워크 및 메모리 관리, 보조 스토리지 및 입출력 장치 관리, 보안, 명령어 해석 등을 포함하며, 각각의 기능은 시스템을 효율적으로 운영하고 사용자와 상호 작용을 지원합니다.

프로세스 관리: OS는 동시에 실행되는 여러 프로세스를 효율적으로 관리합니다. 이는 프로세스의 생성, 중단, 일시 중단, 복구 등을 포함합니다. 또한 CPU를 효율적으로 할당하여 시스템의 성능을 최적화합니다.
파일 관리: OS는 파일 시스템을 통해 파일의 생성, 수정, 삭제, 읽기, 쓰기와 같은 작업을 관리합니다. 또한 파일의 보안과 권한, 디렉터리 구조 등을 유지하며 데이터를 올바르게 유지합니다.
네트워크 관리: 네트워크 관리는 네트워크 서비스의 설정, 성능 모니터링, 오류 해결, 프로비저닝, 품질 관리 등을 포함합니다. OS는 네트워크 리소스를 관리하여 효율적으로 사용하고 네트워크 기능을 안정적으로 유지합니다.
메인 메모리 관리: OS는 메모리를 추적하고 프로세스에 필요한 메모리를 할당합니다. 이는 가상 메모리 시스템을 통해 실제 물리적 메모리와 프로세스 간의 관계를 관리하며 메모리 부족 시 스왑 등의 기술을 사용합니다.
보조 스토리지 관리: OS는 하드 디스크 및 기타 보조 스토리지 장치를 관리합니다. 이는 스토리지 할당, 여유 공간 관리, 디스크 스케줄링과 같은 작업을 포함하며 파일 시스템과 함께 보조 스토리지를 효과적으로 사용합니다.
입출력 장치 관리: OS는 입출력 장치를 효율적으로 관리하여 데이터의 흐름을 조절하고 버퍼링 및 캐싱 시스템을 제공합니다. 또한 장치 드라이버를 통해 하드웨어와 소프트웨어 간의 통신을 관리합니다.
보안 관리: 시스템 보안을 유지하기 위해 OS는 접근 제어, 사용자 인증, 암호화 및 다른 보안 메커니즘을 관리합니다. 이는 시스템의 무단 접근이나 오류로 인한 손상을 방지합니다.
명령어 해석 시스템: 사용자와 시스템 간의 상호 작용을 담당합니다. 이는 명령어 해석기, 인터프리터, 쉘 등을 포함하며 사용자가 시스템과 효과적으로 소통할 수 있도록 합니다. 사용자 명령을 해석하고 실행하는 역할을 합니다.

대표적인 운영체제

운영체제는 다양하며 아래는 대표적으로 사용되는 운영체제의 종류들입니다.

Windows

특징: Microsoft에서 개발한 Windows 운영체제는 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 운영체제 중 하나입니다. 사용자 친화적인 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)와 다양한 애플리케이션 지원으로 유명합니다. 다양한 버전이 존재하며, 각각의 버전은 특정 사용 사례와 요구 사항에 맞게 설계되었습니다.
용도: Windows는 개인용 컴퓨터, 기업 환경, 서버 운영체제로 사용됩니다. 다양한 데스크톱 및 노트북 컴퓨터에 미리 설치되어 있으며, 다양한 비즈니스 애플리케이션 및 게임을 지원합니다.

macOS

특징: Apple이 개발한 macOS는 Mac 컴퓨터에서 사용되는 운영체제로, 고급 사용자 및 디자이너들에게 인기가 있습니다. 사용자 경험과 디자인에 중점을 둡니다. macOS는 Macbook, iMac, Mac Mini 등 Apple의 하드웨어와 완벽하게 통합됩니다.
용도: macOS는 크리에이터, 디자이너, 개발자 및 일반 사용자를 대상으로 하며, 그래픽 및 멀티미디어 작업에 적합합니다.

Linux

특징: Linux는 오픈소스 운영체제로, 커뮤니티와 기업에 의해 개발 및 유지됩니다. 다양한 배포판이 존재하며, 커스터마이징이 용이하며 무료로 이용 가능합니다. Linux는 안정성, 보안 및 다중 사용자 지원을 강조합니다.
용도: Linux는 서버, 개발 및 연구 컴퓨팅, 임베디드 시스템, IoT 장치 및 개인 컴퓨터 등 다양한 영역에서 사용됩니다. 대표적인 배포판에는 Ubuntu, Fedora, Debian, CentOS, Arch Linux 등이 있습니다.

Android

특징: Android는 Google에서 개발한 모바일 운영체제로, 스마트폰 및 태블릿에 사용됩니다. Android는 오픈소스 기반으로, 대부분의 스마트폰 제조사들이 Android를 사용합니다. 풍부한 앱 생태계를 지원합니다.
용도: Android는 모바일 디바이스에서 사용되며, 다양한 애플리케이션, 게임 및 모바일 서비스를 제공합니다.

iOS/iPadOS

특징: iOS는 Apple의 모바일 운영체제로, iPhone 및 iPad에서 동작합니다. iOS는 안정성, 보안 및 사용자 경험에 중점을 둡니다. iPadOS는 iPad를 위한 버전으로 멀티태스킹 및 펜슬 지원이 강화되어 있습니다.
용도: iOS 및 iPadOS는 Apple의 모바일 디바이스에서 사용되며, 앱 스토어를 통해 다양한 애플리케이션과 게임을 제공합니다.

Chrome OS

특징: Chrome OS는 Google에서 개발한 클라우드 기반 운영체제로, 주로 Chromebook이라고 불리는 노트북에서 사용됩니다. 가벼우면서 빠르며, 주로 웹 기반 활동에 적합하며 안정성과 보안을 강조합니다. Chrome OS 더 알아보기
용도: Chrome OS는 웹 브라우징, 온라인 문서 편집, 비디오 스트리밍 및 클라우드 서비스를 주로 활용하는 사용자를 대상으로 합니다. 특히 교육 분야에서 널리 사용됩니다.