리눅스의 필수 지식인 [Linux kernel]리눅스 커널의 이론과 핵심 사항

1. 리눅스의 커널

리눅스의 커널이란?

• Linux 커널은 운영 체제의 핵심 구성 요소
• 하드웨어와 상호 작용하고 시스템 리소스를 관리하며 다른 소프트웨어에 필수 서비스를 제공합니다.

즉, 하드웨어와 소프트웨어 계층 사이의 다리 역할을 하여 필수 서비스, 리소스 관리를 제공하고 시스템의 다른 부분 간의 통신을 용이하게 하는 것

2. Linux 커널에 대한 핵심 사항

Linux 시스템이 부팅될 때 실행되는 첫 번째 프로그램으로 하드웨어 및 필수 시스템 구성 요소 초기화를 담당

• 하드웨어 상호 작용: 커널은 CPU(중앙 처리 장치), 메모리, 저장 장치, 입/출력 장치 및 네트워크 인터페이스와 같은 리소스를 관리하면서 하드웨어와 직접 상호 작용합니다. 다양한 하드웨어 구성 요소와 통신할 수 있는 드라이버를 제공하고 적절한 기능을 지원합니다.

하드웨어 상호 작용 1 : 장치 드라이버

커널은 운영 체제가 하드웨어 장치와 통신할 수 있도록 하는 소프트웨어 모듈인 장치 드라이버를 제공
장치 드라이버는 중개자 역할을 하여 커널이 다양한 하드웨어 구성 요소의 기능을 제어하고 활용할 수 있도록 합니다.

하드웨어 상호 작용 2 : 하드웨어 추상화

커널은 상위 수준 소프트웨어에서 하드웨어 관련 세부 정보를 숨기는 추상화 계층을 제공

추상화를 통해 응용 프로그램 및 시스템 구성 요소는 특정 하드웨어 구현에 관계없이 일관되고 표준화된 방식으로 하드웨어 장치와 함께 작동할 수 있습니다.

하드웨어 상호 작용 3 : 인터럽트 처리

하드웨어 장치는 운영 체제의 즉각적인 주의가 필요한 신호 이벤트에 대한 인터럽트를 생성

커널은 인터럽트를 처리하고 적절한 인터럽트 핸들러를 할당하여 들어오는 네트워크 패킷, 디스크 I/O 완료 또는 사용자 입력과 같은 특정 이벤트에 응답합니다.

하드웨어 상호 작용 4 : I/O 작업

입/출력(I/O) 작업을 관리하여 하드웨어 장치와 나머지 시스템 간의 데이터 전송을 가능하게 합니다.

애플리케이션이 디스크 읽기 또는 쓰기, 네트워크 패킷 송수신, 주변 장치와의 상호 작용과 같은 I/O 작업을 수행할 수 있도록 API 및 인터페이스를 제공

하드웨어 상호 작용 5 : 전원 관리

커널은 에너지 소비를 최적화하고 휴대용 장치의 배터리 수명을 연장하기 위해 하드웨어 구성 요소의 전원 상태를 제어하는 ​​전원 관리를 담당

CPU 주파수 스케일링 관리, 시스템 절전 상태 및 장치 전원 관리와 같은 작업을 처리합니다.

하드웨어 상호 작용 6 : 버스 통신

커널은 PCI, USB, SATA 등과 같은 다양한 버스와의 통신을 처리합니다.

연결된 장치를 식별하고 데이터 전송 프로토콜을 협상하며 시스템과 이러한 버스를 통해 연결된 장치 간의 데이터 흐름을 관리합니다.

• 프로세스 관리: 커널은 프로그램 인스턴스를 실행하는 프로세스를 관리합니다. 실행을 예약하고 시스템 리소스(ex: CPU 시간, 메모리 및 장치)를 할당하고 프로세스 간 통신을 용이하게 합니다.

• 메모리 관리: 커널은 메모리 관리, 프로세스 및 해당 데이터에 대한 시스템 메모리 할당 및 관리를 처리합니다. 가상 메모리, 메모리 페이징 및 메모리 스와핑과 같은 기술을 활용하여 효율적인 메모리 활용을 보장합니다.

• 파일 시스템 지원: 커널은 다양한 파일 시스템에 대한 지원을 제공하여 저장 장치에서 파일을 구성, 저장 및 검색할 수 있도록 합니다. 파일 권한, 디렉토리 구조 및 시스템 호출을 통한 파일 액세스를 처리합니다.

• 장치 드라이버: 커널에는 시스템이 하드웨어 장치와 통신할 수 있도록 하는 장치 드라이버가 포함되어 있습니다. 이러한 드라이버는 프린터, 스캐너, 그래픽 카드, 네트워크 어댑터 등과 같은 주변 장치와 상호 작용하는 데 필요한 인터페이스를 제공합니다.

• 시스템 호출: 커널은 사용자 공간 응용 프로그램이 커널에서 서비스를 요청하는 인터페이스인 시스템 호출을 노출합니다. 시스템 호출은 커널 기능에 대한 액세스를 제공하여 프로세스가 파일 작업, 프로세스 관리, 네트워크 통신 및 장치 제어와 같은 작업을 수행할 수 있도록 합니다.

• 네트워킹: 커널은 네트워킹 스택을 통합하여 TCP/IP, UDP, IPv4, IPv6 등과 같은 다양한 네트워크 프로토콜을 지원합니다. 네트워크 연결, 라우팅을 처리하고 네트워킹 서비스에 필요한 인프라를 제공합니다.

• 보안: 커널은 시스템 보안에서 중요한 역할을 합니다. 액세스 제어 정책을 시행하고 사용자 권한을 관리하며 안전한 통신을 위한 메커니즘을 제공합니다. 또한 방화벽, 암호화 서비스 및 보안 가상화와 같은 보안 기능도 포함합니다.

• 커널의 개발: Linux 커널은 전 세계 수천 명의 기여자가 참여한 공동 작업을 통해 개발되었습니다. 개발 프로세스는 소스 코드를 자유롭게 사용할 수 있는 오픈 소스 원칙을 따르므로 사용자와 개발자가 커널을 기여, 검토 및 개선할 수 있습니다.

정리를 해보자면 커널이란?

Linux 커널은 하드웨어 리소스를 관리하고 핵심 서비스를 제공하며 Linux 기반 시스템에서 소프트웨어 실행을 가능하게 하는 Linux 운영 체제의 기반 역할을 합니다.