[OS / 운영체제] Monolithic Structure, Layered Approach, Microkernels, Modules, Android, Virtual Machine

kernel의 structure를 구성하는 방법에는 여러가지가 있다. 
Monolithic Structure
모든 기능이 하나의 덩어리에 들어가있는 구조. 굉장히 중요한 장점은 속도이다. 모델간의 Interface overhead가 거의 없다.
1973년 Original UNIX가 대표적인 예이다. Linux도 다음과 같은 방법을 선택하고 있다.

Monolithic Structure

논리적으로 구역화가 되어잇지만 한 모듈 안에 다 들어가있는 것을 볼 수 있다,

Layered Approach
구조화 시키는 방법 중 하나. Computer System을 여러 가지 계층으로 구성하는 방식. 가장 가운데에 Hardware가 있고 Layer1에는 가장 기본적인 기능들이 구현되어있다. 그것들을 바탕으로 layer2를 구성하는 방식으로 계속 진행이 된다. 모든 layer는 자기보다 밑의 쪽 Layer의 기능을 사용할 수 있지만 그 역은 성립하지 않는다. 

Layered Approach
디버깅 하는 데에 굉장히 편리하다. N 번째 Layer에 에러가 발생하면 그곳에만 집중하면 찾기 쉬울 수 있다. 자신 보다 Low level이거나
high level layer를 신경 쓸 필요가 전혀 없다. 

Layered Approach
두 가지의 모듈이 있을 때 어느 모듈을 아래에 둘지 위에 둘 지를 결정해야 한다. Backing Store의 기능을 Memory manager가 사용하게 된다. 경우에 따라서 모듈 간의 계층 구조를 결정하기 힘든 경우가 있다. 예를 들어 Backing Store driver와 CPU scheduler가 있다.

Layered Approach
효율적이지 못하다는 것. 위에서 사용자가 이용을 하면 call이 계속 이루어지는데 Performance의 손실이 이루어진다. Layer를 큼직큼직 하게 잘라서 반복되는 call을 줄이면 좋을 것이라는 의견이 있다. 하지만 이러면 Layer의 장점이 없어질 수 있다.

Microkernels
운영 체제에서 kernel은 정부와 같은 역할을 하는데, kernel은 작을 수록 좋다는 것에서 시작한다. kernel은 kernel mode에서 동작을 하는데 따라서 kernel mode에 Bug인 코드가 돌아가면 System 전체가 피해를 받게 된다. 정말 핵심적이고 Preveledge가 필요한 기능이 아니며 다 user mode로 보내자는 것이다. 대부분의 기능을 User mode에 위치해놓게 만들었다. Application이 Request를 보내는 경우를 살펴보자.
Message Passing Mechanism을 통해서 kernel이 Message를 받아서 처리를 하고 원래 Application한테 돌려보내는 역할을 한다. Server도 물론 서비스를 제공하지만 user mode이고 kernel 은 전달자 역할을 한다. 즉, Communication 이 중요한 역할을 한다는 것이다. Interprocess Communication은 Kernel mode안에 들어와야 하는 핵심 기능인 것이다.

Microkernels
핵심 기능이라고 말할 수 있는 것들은 무엇이 있는가. management와 communication 기능이 핵심 기능이 된다. System call이 보통 Message passing에 의해서 이루어진다. Microkernel의 가장 큰 단점으로 Performance 저하를 뽑을 수 있게 된다. MicroKernel 속에 있는 message passing을 빠른 속도로 처리할 수 있도록 구현을 하고 있는 중이다.

Microkernel
Porting하기 좋고, 확장하기 편하다는 것이다. usermode 에 Process를 추가하면 된다는 것이다. Kernel을 고치지 않아도 기능을 추가할 수 있다는 것이다. System에서 System으로 이동할 때 Porting이 편해진다. 여러가지 서비스를 User level에서 실행하기 때문에 시스템 전체의 영향을 적게 받아 안전하다는 점이 있다. 단점으로는 Performance decrease 가 된다는 점이다. 

Modules
LKM, Monolity kernel의 유연성을 강화하기 위해 만들어졌다. Monolity kernel의 단점 중 하나가 확장성이다. 확장성을 위해 만들어진 구조가 Loadable kernel module 인 것이다. Microkernel과 비슷하지만 Loadable kernel 모드는 모두다 kernel mode에서 돌아간다는 차이점이 있다. 직접 Preveledge Instruction을 이용해서 구현을 할 수 있다. 또한 훨씬 더 빠르고 쉬운 Interface를 사용할 수 있다는 것이다. 빠른 속도를 유지하면서 유연성을 보강할 수 있다는 점이 있다. OS가 Booting하고 있는 동안에도 설치되거나 제거될 수 있다, 이런 kernel을 이용하는 곳은 Device Driver 부분이다. LKM으로 제공하므로 써 현재 있는 Device에 Driver를 설치할 수 있도록 하는 것이다. Shutdown 하지 않고도 설치를 할 수 있고 돌아가는 kernel 속에 Dynamic 하게 붙을 수 도 있다.

Modules
core 서비스를 다 가지고 있으면서 dynamic하게 추가하거나 제거할 수 있다. Layered Structure와는 달리 조금 더 Flexible하다는 것이다. Micro Kernel은 user level에서 돌아가지만 UKL의 경우 kernel mode에서 돌아간다. 

Hybrid System
여러가지 Structure의 장점을 모아서 사용하고 있는 것이 있다. 예를 들어 Linux와 Solaris는 Mono의 빠른 것을 장점을 활용하고 Modular를 통해 확장성을 취하고 있다. 이런 복합적인 모듈이 등장하고 있다,

MacOS, iOS
MacOS는 바닥에 OS가 들어가 있다. Darwin이라는 kernel 환경이 있다. 그 위에 core framework는 Quicktime 동영상 플레이어나 OpenGL Graphics Library가 추가되어있다. application의 경우 Swift 프로그래밍 언어와 Cocoa, Cocoa Touch를 프레임 워크를 사용하고 있다,.

macOS, iOS
kenel의 바닥에는 Mach Kernel이 있고 그 위에 BSD Unix의 기능을 사용하고 있다. 

Android
가장 아래 Hardware가 있고, Linux 의 kernel를 변형해서 사용하고 있다. 그 위에 Bionic layer가 있다. 이는 unix의 glibc를 저장하고 제공하는 Library의 모바일 버전이라고 할 수 있다. 기본적인 C의 function을 제공하는 layer가 Bionic layer이다. HAL, HardWare Abstraction Layer Device마다 가지고 있는 Hardware가 다르기 때문에 여러가지의 Hardware를 Abstraction을 통해서 하나의 통일된 Interface를 제공하고 있다.

Virtual Machine
현재 host 위에 가상의 컴퓨터를 만들어서 외부와 분리된 가상 환경을 만들어주는 것을 의미한다. 

Virtual Machines
일반적인 OS는 왼쪽과 같다. Hardware과 kernel 그 위에 Process(user mode)가 존재한다. Virtual의 경우 오른쪽 사진처럼 VM이 들어가게 된다. VM이 각각의 Virtual을 만들어내게 된다. 각각 Hardware 의 kernel이 돌아간다. 

Virtual Machine
각 Machine 별로 CPU와 메모리가 있다고 착각하고 돌아가게 된다. HOST CPU가 하나의 virtual을 가지고 있다고 해보자. scheduling의 time machine에 의해서 동시에 사용하고 있는 듯한 착각을 줄 수 있다. VM의 메모리는 Host의 메모리 사이즈의 영향을 잘 받지 않는다. 하지만 Disk의 경우 제한을 받는다. Virtual Machine은 Host보다 디스크가 작을 수 밖에 없다. Virtual Disk는 Host에서 파일 하나에 해당하게 된다. 많은 경우 Virtual Disk는 사이즈를 제외하고 다른 것들은 Host와 동일한 성능을 제공한다.

Virtual Machine
Host HardWare와 똑같은 가상환경을 제공할 수 있다. Dual Mode operation의 경우 문제가 생긴다. kernel에서만 preveledge를 실행시킬 수 밖에 없다. 이와 같이 Virtual도 user와 kernel mode 둘 다 존재해야 한다 하지만 Virtual이 user mode 상에 존재한다는 문제가 있다. Virtual의 kernel이 user mode에 있다는 것이다. 

Virtual Machine
장점, 외부와 차단된 환경이기 때문에 안전한 환경이라는 것이다. OS를 개발하기에 굉장히 좋은 Tool이다. 

Virtual Machine
Disk의 크기가 작을 수 밖에 없다는 것이고 속도가 느리다는 것.

Storage Management
OS가 일종의 Abstract를 제공하는데 하나의 디스크 구조를 포장해서 file Interface를 제공해주는 것이 OS이다,
File을 우리가 저장한다면 실제로 Physical한 Disk에 저장해주는 것이 OS의 역할이다

Device Driver
어떤 Device를 사용할 때 그 Device의 Interface를 정의해주는 Software가 있는데 그것이 Driver이다. Device Controller와의 구분을 할 필요가 있다.
Controller의 경우 Hardware Component와 Bus의 관계이고 Device Driver는 Software의 관계에 있다. 그럼 어떤 역할을 하는가
Device Driver는 Software 적으로 통일해주는 역할을 한다. File access와 동일한 역할을 한다. 

Storage Management
File System을 어떻게 처리하는 지에 대한 정보가 중요하다.

Cashing
Cashing은 속도 차이가 큰 두 공간을 연결할 때 필요한 기술이다. Main Memory를 읽어올 때 cache에 복사본을 저장해놓고
반복해서 접근을 할 때 cache에 있는 정보만 가지고 사용을 할 수 있다.