⚙️ [운영체제] 계층적 구조

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2️⃣ 운영체제의 구조 - 운영체제의 핵심 아키텍처

 

📌 계층적 구조 (Layered Architecture)

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🔹 계층적 구조란?

계층적 구조(Layered Architecture)는 운영체제를 여러 개의 계층(Layer)으로 나누어 각 계층이 고유의 역할을 수행하고, 아래 계층만을 참조하도록 설계된 아키텍처이다.

이 구조는 운영체제의 복잡성을 줄이고 유지보수성을 높이며, 각 구성 요소의 독립성과 모듈화를 보장한다는 점에서 널리 채택되었다.

계층적 구조는 "하나의 계층은 자신보다 아래 계층의 서비스만을 사용하고, 위 계층에게만 서비스를 제공한다"는 단방향 상호작용 원칙에 기반한다.

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1️⃣ 설계 철학과 기본 원리

✅ 핵심 개념

• 운영체제를 여러 추상화 계층으로 나누고, 각 계층이 하나의 명확한 기능을 수행
• 상위 계층은 하위 계층의 세부 구현을 몰라도 서비스 사용 가능
• 각 계층은 인터페이스(Interface)를 통해만 다른 계층과 통신

✅ 주요 목적

• 운영체제를 체계적으로 분할하여 설계, 구현, 테스트, 유지보수의 편의성 향상
• 모듈성(Modularity) 확보 → 특정 계층을 수정해도 전체 시스템에 영향 최소화
• 신뢰성과 보안성 강화 → 낮은 수준에서 발생한 오류가 위로 전파되지 않도록 제한

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2️⃣ 계층 구조 예시

일반적인 계층적 운영체제의 구조는 다음과 같이 구성된다:

┌────────────────────┐
│  사용자 인터페이스  │ ← 가장 상위 계층 (쉘, GUI 등)
├────────────────────┤
│    응용 프로그램    │
├────────────────────┤
│    시스템 호출 API  │
├────────────────────┤
│     파일 시스템     │
├────────────────────┤
│    메모리 관리 계층 │
├────────────────────┤
│    프로세스 관리 계층│
├────────────────────┤
│   장치 드라이버 계층 │
├────────────────────┤
│     하드웨어 제어   │ ← 가장 하위 계층
└────────────────────┘

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3️⃣ 대표적인 예시: THE 운영체제 (Edsger Dijkstra)

THE 시스템의 6개 계층

Edsger Dijkstra가 개발한 THE 운영체제는 계층적 구조의 대표 사례이다.

계층 번호	기능
Layer 0	프로세스 스케줄링 및 CPU 할당
Layer 1	메모리 관리
Layer 2	통신 (I/O 버퍼링 등)
Layer 3	운영체제 콘솔 관리
Layer 4	사용자 프로그램 실행
Layer 5	사용자 인터페이스 (쉘)

각 계층은 하위 계층의 서비스만을 사용하며, 그 위로는 직접 접근하지 않는다.

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4️⃣ 계층적 구조의 장점

✅ 1. 설계 및 구현의 단순화

• 복잡한 운영체제 기능을 단순하고 명확한 단위로 분할 가능
• 각 계층을 독립적으로 설계하고 테스트할 수 있어 개발 효율성 증가

✅ 2. 유지보수 및 확장 용이

• 특정 계층의 기능을 개선하거나 수정해도 다른 계층에 영향을 주지 않음
• 새로운 기능 추가 시 해당 기능에 맞는 계층만 설계하여 통합 가능

✅ 3. 보안성과 안정성 향상

• 계층 간 접근 제한을 통해 불필요한 참조나 예외적 동작을 방지
• 하위 계층에서의 오류가 시스템 전체에 영향을 주지 않도록 격리

✅ 4. 이식성 증가

• 하드웨어 종속적인 코드(예: 장치 드라이버)를 특정 계층에 모아두면
• 운영체제를 다른 하드웨어에 이식할 때 수정 범위가 제한됨

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5️⃣ 계층적 구조의 단점

❌ 1. 성능 저하 가능성

• 상위 계층 → 하위 계층으로 내려가야만 작업 가능
• 단순한 작업이라도 여러 계층을 거치므로 오버헤드 발생

❌ 2. 계층 분할의 어려움

• 기능 간 경계가 모호한 경우, 계층 간 책임 분리가 어려움
• 실시간 시스템이나 고성능 I/O에서는 직접 접근이 더 효율적인 경우도 있음

❌ 3. 의존성 역전이 어려움

• 상위 계층에서 하위 계층의 서비스를 확장하거나 변경하기 어렵다
• 예외 처리가 어려워지는 구조적 한계 존재

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6️⃣ 계층적 구조와 다른 구조 비교

항목	계층적 구조	모놀리식 구조	마이크로커널 구조
구조	명확히 분리된 계층	단일 커널 내부에 모든 기능 포함	최소 커널 + 사용자 공간 서버
유지보수	용이	어려움	매우 용이
성능	중간	빠름	느림
모듈화	뛰어남	낮음	매우 뛰어남
대표 예시	THE, MULTICS	UNIX, MS-DOS	MINIX, QNX, L4

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7️⃣ 현대 운영체제에서의 응용

• Linux는 기본적으로 모놀리식 구조지만, 일부 계층화를 통해 코드 구조를 정리함
• Windows NT 커널은 계층적 아키텍처 설계를 기반으로 하며,
  • 하드웨어 추상화 계층(HAL)
  • 커널 모드 드라이버
  • 사용자 모드 API 등의 계층이 명확히 나뉨
• Microkernel 시스템 역시 내부는 계층적 설계 원칙에 따라 구성

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요약

• 계층적 구조는 운영체제를 기능별로 수직 분할하여 각 계층이 특정 역할만 수행하도록 설계된 아키텍처이다.
• 모듈화, 유지보수, 테스트 편의성, 보안성 측면에서 뛰어난 장점을 제공하며,
• 복잡한 운영체제를 체계적으로 설계하고 확장할 수 있는 토대를 제공한다.
• 다만, 성능 저하와 계층 간 경계 설계의 어려움이라는 단점도 존재하며,
• 현대 운영체제는 계층적 구조의 이점을 흡수하면서 다른 구조와 혼합해 사용하는 방식으로 진화하고 있다.