리눅스 커널에 대한 소개
by flyduck 2001/05/09
커널은 운영체제의 근간을 이루는 핵심적인 구성요소이다.
리눅스 시스템은 수많은 라이브러리와 응용프로그램들로 이루어져 있지만 이들은 모두 커널의 기능에 전적으로 의존한다.
리눅스 커널은 전체 시스템의 규모에 비하면 무척이나 작지만, 이는 오랜시간동안 많은 사람들에 의해 만들어진 기술의 집약체라고 할 수 있다.
목차
컴퓨터를 사용하기 위해서는 컴퓨터에 운영체제가 설치되어 있어야 한다.
운영체제란 컴퓨터 하드웨어와 사용자와의 인터페이스를 제공해주는 프로그램을 말한다.
우리가 접할 수 있는 운영체제의 대표적인 예로는 일반 PC에서 많이 사용하고 있는 마이크로소프트 윈도우즈(Microsoft Windows) 시리즈와 매킨토시에서 사용하는 Mac OS가 있다.
그리고 원래는 PC용 운영체제는 아니었지만 오랜 역사를 자랑하는 유닉스(UNIX)가 있다.
유닉스는 오랜 역사만큼이나 호환되는 운영체제가 많이 개발되었는데, 선 시스템즈(Sun Systems)의 솔라리스(Solaris), HP의 HP-UX, SGI의 IRIX 같은 것이 있으며, 리눅스도 유닉스 호환 운영체제 중 하나이다.
이들은 모두 컴퓨터에 대한 제어권을 가지고 컴퓨터 자원을 관리하며, 프로그램을 위한 일관된 환경을 제공한다.
또한 사용자가 프로그램을 실행하고 실행 결과를 볼 수 있도록 한다.
운영체제의 가장 핵심적인 기능은 컴퓨터에 들어있는 여러 자원들을 관리하는 것이다.
프로세서와 메모리, 디스크, 네트웍, 인터럽트 등 프로그램이 사용하는 모든 자원을 관리하며, 자원을 필요로 하는 프로세스에게 적절하게 배분을 하고, 자원을 잘못 사용하는 것을 막는다.
나아가 프로그램이 좀 더 복잡한 작업을 하는데 필요한 기능들을 제공한다.
이러한 운영체제의 가장 핵심적인 부분을 커널이라고 부른다.
운영체제는 커널 위에 사용자와의 인터페이스를 제공하는 쉘(shell)이 더해져서 만들어진다.
쉘은 컴퓨터를 사용할 때 사용자가 직접 접하는 부분이다.
사용자는 키보드나 마우스 등의 입력장치를 통해 쉘에 명령을 내리면, 쉘은 필요한 작업을 커널에 요청을 해서 실행함으로써 시스템이 동작하게 된다.
리눅스 커널은 프로세스 관리, 메모리 관리, 프로세스간 통신, 파일시스템, 네트워크 등의 운영체제의 기본 기능과 함께 방대한 양의 디바이스 드라이버로 이루어져 있다.
리눅스는 유닉스 호환 운영체제이다.
리눅스를 이해하려면 먼저 유닉스를 알아야 한다.
유닉스의 역사는 30여년전으로 거슬러 올라간다.
유닉스는 1969년 AT&T의 연구소인 벨 연구소의 켄 톰슨(Ken Thompson)이 놀고있던 컴퓨터에 사용하려는 목적으로 만들어졌다.
그는 멀틱스(Multics)라는 방대한 규모의 운영체제 프로젝트를 수행했었는데, 그보다 작고 간단하다는 것을 나타내기 위해 유닉스라고 이름을 붙였다.
처음 만들어진 유닉스는 어셈블리어로 작성되었지만, 데니스 리치(Dennis Ritchie)가 C언어를 발명한 이후, 유닉스는 C 언어로 새로 작성되었다.
고급언어로 개발되었기 때문에 유닉스는 이식성을 지니게 되었고, 이후 새로운 기계가 만들어질 때마다 유닉스는 계속 이식되었다.
유닉스는 연구소와 대학을 중심으로 점점 퍼져나갔고, 소스채 공급되었기 때문에, 불안정한 부분을 직접 수정할 수 있었고 필요한 기능을 구현하여 추가할 수 있었다.
초기부터 유닉스를 사용해온 버클리 대학에서 이런 작업들이 많이 이루어졌다.
이후 AT&T는 유닉스를 상업화하여 벨 연구소에서는 더이상 유닉스 개발이 이루어지지 않게 되었고, 대신 버클리 대학을 중심으로 유닉스의 개발이 계속되었다.
AT&T에서 상업적으로 개발한 유닉스를 시스템V라고 하고 (마지막 릴리즈인 System V Release 4의 약자인 SVR4로도 알려져있다), 버클리대학을 중심으로 하여 개발된 유닉스를 BSD(Berkely Software Distribution)라고 한다.
시스템V와 BSD는 독자적으로 개발이 진행되어 서로 다른 기능과 다른 모습으로 발전하게 되지만, 서로의 앞선 기능을 보완하여 발전하기도 하였다.
이 과정에서 유닉스의 많은 변종이 생겨났고, 유닉스와 호환되는 운영체제들이 개발되었다.
리눅스는 유닉스의 오랜 역사에 기반을 두고 있다.
유닉스는 이미 오랜 세월을 통하여 검증된 운영체제였고, 그 구조도 널리 알려져 있었으며, 표준화가 되어 있었다.
리눅스는 유닉스의 코드를 전혀 사용하지 않는다. 비록 앤드류 탄넨바움(Andrew Tanenbaum)이 교육용으로 제작한 미닉스(Minix)를 바탕으로 개발되기 시작했지만 개발과정에서 미닉스 소스는 완전히 사라지고 커널의 모든 부분이 새로 제작되었다.
리눅스는 단지 유닉스 인터페이스 표준을 정의한 POSIX(Portable Operating System Interface)를 따를 뿐, 유닉스나 유닉스 변종이 아닌, 유닉스와 호환되는 인터페이스를 가진 새로운 운영체제이다 .
1991년 핀란드 헬싱키 대학의 컴퓨터 과학과 학생이던 리누스 토발즈(Linus Benedict Torvalds)는 자신이 구입한 386 PC를 제대로 활용하는 쓸만한 운영체제를 찾고 있었다.
그가 당시 사용할 수 있었던 미닉스는 교육용으로 만들어진 것이었기 때문에 기능이 너무나 적고 제한이 많았으며, 하드웨어의 성능을 제대로 이용하지 못했다.
이에 리누스는 저가형 PC에서 사용할 수 있는 쓸만한 유닉스 호환 운영체제를 만들기로 하고, 미닉스 소스를 고치기 시작했다.
그는 자신이 작업한 것을 인터넷에 공개를 하였고 자신의 이름을 본따 리눅스라고 이름을 붙였다.
인터넷을 통해 많은 사람들이 첫번째 버전인 0.01 커널을 사용해보고, 그 중 일부가 리눅스 개발에 동참하여, 리눅스는 점점 더 빠른 속도로 발전하였다.
얼마지나지 않아 리눅스는 많은 사용자를 확보하게 되었고, GNU에서 만든 소프트웨어들이 리눅스 용으로 포팅되어 완전한 시스템을 구축하게 되었다.
리눅스는 처음에는 인텔 80386 CPU에서만 동작했지만, 알파(Alpha)를 비롯하여 ARM, MIPS, 68000, PowerPC, Sparc 등 여러 CPU로 포팅되어 지금은 광범위하게 하드웨어에서 사용되고 있다.
리눅스 커널의 리누스 혼자서 개발한 것은 아니다.
리눅스는 소프트웨어를 모든 사람이 자유롭게 복사하고 사용할 수 있으며, 마음대로 소스를 수정하여 재배포할 수 있는 GPL(GNU Public License)의 라이선스를 따랐다.
소스가 공개되어 있었기 때문에 관심있는 사람들은 잘못된 코드를 찾아서 수정하거나, 부족한 기능들을 직접 구현할 수 있었다.
자신이 갖고 있는 하드웨어를 리눅스가 지원하지 않으면 이를 만들어서 추가하였다.
이렇게 고쳐진 코드는 리눅스 커널의 관리자인 리누스에게 보내졌고, 그는 여러곳에서 사람들이 보내온 코드를 취합하여 커널을 수정한 후 배포하는 일을 맡았다.
이런 식으로 커널의 버그들이 수정되고 기능이 추가되면서 리눅스 커널은 빠르고 발전하였다.
이처럼 리눅스는 인터넷을 매개로 한 리눅스 공동체를 통해서 발전해왔다. 인터넷을 통하여 먼 곳에 있는 사람도 최신 버전의 리눅스를 사용할 수 있었을 뿐만 아니라, 리눅스 개발에도 참여할 수 있었기 때문이다.
지금도 커널의 주요 개발자들은 세계 각지에 흩어져 있다.
이처럼 소스가 공개되어 있고, 누구나 자유롭게 개발에 참여할 수 있는 개발 모델을 가리켜 오픈 소스(Open Source)라고 한다.
리눅스 커널의 개발은 오픈 소스로 진행되며, 리누스는 여전히 커널 개발에 참여하고 있지만 그의 주된 역할은 전체적인 커널 개발을 조화시키는 것이다.
지금은 리누스와 함께 앨런 콕스(Alan Cox)가 이런 역할을 함께 하고 있다.
커널의 몇몇 기능은 꾸준히 이를 담당하는 사람들이 있으며, 많은 커널 해커들이 커널 개발에 참여하고 있다.
리눅스 커널은 기존 유닉스 시스템이 지닌 특징들 외에도 최신 운영체제가 지원하는 많은 특징들을 가지고 있다.
리눅스 커널의 주된 특징으로는 :
- 멀티태스킹(multi-tasking), 멀티유저(multi-user) 시스템 : 시분할(time sharing)으로 동시에 여러개의 프로세스를 실행할 수 있으며, 하나의 시스템을 여러명의 사용자가 동시에 사용할 수 있다.
- 멀티프로세서(multi-processor) 시스템 : 하나의 시스템에 두개 이상의 CPU가 들어 있는 대칭형 멀티프로세싱(Symmetric Multi Processing; SMP)을 지원한다.
- 멀티플랫폼(multi-platform) : 리눅스 커널의 대부분은 고수준 언어인 C 언어로 작성되어 있어 여러 하드웨어 플랫폼으로 이식할 수 있다. 리눅스는 인텔 IA-32를 비롯하여 알파(alpha), 스팍(sparc), 파워피씨(PowerPC), 암(ARM), 밉스(MIPS) 등의 여러 플랫폼에서 동작한다.
- POSIX 표준을 따른다 : 유닉스 시스템의 표준 인터페이스를 정의한 POSIX 표준과 호환된다.
- 페이징(paging) : 메모리를 페이지 단위로 관리한다. 페이지 단위로 메모리를 할당하고, 스왑(swap)을 하며, 필요한만큼만 메모리를 사용하도록 하여 메모리를 효율적으로 관리한다.
- 시스템 V IPC 지원 : 세마포어(semaphore), 메시지 큐(message queue), 공유 메모리(shared memory) 같은 시스템 V의 프로세스간 통신 메커니즘을 지원한다.
- 다양한 파일시스템 지원 : 리눅스에서 기본으로 사용하는 ext2를 비롯하여, 마이크로 소프트 윈도우즈에서 사용하는 FAT, VFAT, NTFS, CD-ROM에서 사용하는 ISO 9660, 조일렛(Joilet) 등 다양한 파일시스템을 지원한다.
- 다양한 실행파일 형식 지원 : 기본적으로 리눅스 환경에서 작성된 a.out이나 ELF 형식의 파일을 지원하며, 다른 운영체제에서 동작하는 실행파일도 지원할 수 있다.
- 네트워킹 : 리눅스의 강점 중의 하나는 강력한 네트워킹이다. TCP/IP를 비롯하여 IPX/SPX, 애플토크(Appletalk), SLIP(Serial Line IP), PPP 등의 여러 네트워킹 프로토콜을 지원하며, 각종 네트워킹 서비스들을 제공한다. BSD 소켓을 통하여 응용프로그램이 네트워킹 기능을 활용할 수 있다.
- 공유 라이브러리(shared library) : 여러개의 프로그램이 똑같이 사용하는 코드를 프로그램마다 따로 가지지 않고 이를 공유하는 공유 라이브러리를 지원한다.
- 모듈(module) : 기존의 유닉스 시스템은 새로운 하드웨어를 지원하거나 기능을 추가하려면 커널 전체를 교체하거나 새로 컴파일을 해야 한다. 리눅스 커널은 새로운 하드웨어를 위한 디바이스 드라이버나 새로운 기능을 담은 코드를 모듈의 형태로 제공하여, 커널을 교체하지 않고 모듈을 로드함으로써 커널에 새로운 기능을 추가할 수 있다.
- 광범위한 주변장치 지원 : 리눅스 커널은 네트웍 카드, 사운드 카드, CD-ROM, SCSI, USB, PCMCIA, IrDA 등 다양한 종류의 수많은 하드웨어를 지원한다.
커널 버전은 메이저 버전(major version), 마이너 버전(minor version), 패치 버전(patch version) 세가지로 구성된다.
메이저 버전은 커널에 아주 큰 변화가 일어났을 때 바뀌며, 커널에 상당한 변화가 일어난 경우 마이너 버전이 바뀐다.
패치 버전은 기능과 구조 상에 별다른 변화없이 기능 개선이나 버그 수정 등을 하였을 때 바뀐다.
커널은 동시에 두개의 버전이 개발된다. 하나는 마이너 버전이 짝수인 버전으로 안정 커널이라고 부른다.
다른 하나는 마이너 버전이 홀수인 버전으로 개발 커널이라고 부르며, 다음 버전의 커널을 개발하는 단계이다.
현재 2.4.x 커널이 안정 커널이며, 곧 다음 버전으로 가는 개발 커널 2.5.x 커널 작업이 시작할 것이다.
최초의 리눅스 커널은 1991년 리누스가 발표한 0.01버전이었다.
여러해의 개발 기간을 거쳐 94년 3월 1.0 커널이 완성되었다.
이후 1.1, 1.2, 1.3버전을 거쳐서 96년 7월 2.0버전, 99년 1월 2.2버전을 거쳐 지금의 2.4버전에 이르렇다.
커널 버전이 바뀔 때마다 커널의 구조도 바뀌고, 기능상의 변화도 있는데, 여기서는 2.0버전부터 시작하여 2.4버전에 이르기까지 주된 커널의 변화를 2.4버전을 중심으로 살펴보도록 한다.
2.0버전은 이전 1.x버전과 비교하여 구조와 기능상에 많은 변화가 있었다.
대표적인 것으로 처음으로 대칭형 멀티프로세싱인 SMP를 지원하여 엔터프라이즈 급으로 성장하는 토대를 쌓았고, 모듈(module) 개념이 도입되어 커널을 바꾸지 않고도 디바이스 드라이버 등을 추가할 수 있게 되었다.
모듈과 함께 동적으로 모듈을 로드하고 언로드하게 해주는 kerneld가 등장했다.
APM(Advanced Power Management)을 지원하였고, HPFS를 비롯하여 MS 윈도우즈에서 사용하는 VFAT, MS 윈도우즈에서 공유하는 파일을 마운트할 수 있는 SMBFS(Server Message Buffer Fiile System) 등의 파일 시스템이 추가되었다.
보안을 위한 IP 터널링(tunneling), 하나의 IP를 공유하여 사용하는 IP 마스쿼레이딩(masquerading), 패킷을 여러곳으로 동시에 전송할 수 있는 MBONE(Multicast Backbone)을 위한 IP 멀티캐스트 라우팅(Multicast Routing)이 등장하였고, ISDN을 지원하였다.
이밖에 자바(Java) 이진파일을 바로 실행할 수 있고, 디스크의 사용 용량을 제한하는 쿼타(quota) 지원 등 많은 기능들이 도입되어 본격적으로 다른 운영체제와 경쟁하게 되었다.
99년 1월에 발표된 리눅스 커널 2.2는 1.x버전에서 2.0버전으로의 변화에 비하면 적지만 상당한 변화가 있었다.
우선 SMP에서의 성능이 많이 향상되었다. MCA 버스를 지원하였고, PCI 서브시스템이 바뀌었다.
집 드라이브(Zip drive)같이 병렬 포트를 통해 연결되는 IDE 장치와 적외선 통신인 IrDA를 지원하기 시작하였다.
NTFS(읽기전용)와 FAT32, 마이크로 소프트 조일렛(Joliet), HFS, ROM, 자동으로 마운트되는 autofs 등의 파일시스템이 추가되었고, Unix98 방식의 pty같은 Unix98 표준을 반영하였다.
IP 파이어월(firewall)은 IP 체인(chains)으로 대체되었고 네트워킹 성능이 향상되었다.
2.4 버전의 가장 큰 특징 중 하나는 엔터프라이즈급(enterprise level)의 커널이라는 점이다.
현재 리눅스는 서버급에서 많이 사용되고 있는데, 커널의 여러 제한을 없애고 대용량 작업을 가능하게 하여 대용량 서버로서의 입지를 갖춘 것이다.
이런 점으로 SMP 시스템에서의 성능이 크게 향상되었고, 동시에 실행되는 프로세스가 많을 때의 스케줄링이 더 효율적으로 이루어지게 하였다.
사용자와 그룹의 갯수를 32비트로 늘려 40억명이 넘는 사용자를 수용할 수 있고, 물리적인 메모리를 64GB까지 사용할 수 있다.
16개의 이더넷 카드와 10개의 IDE 컨트롤러를 사용할 수 있으며, IA-32에서 하나의 파일의 크기가 2GB로 제한되던 것도 없어졌다.
생성할 수 있는 프로세스의 숫자를 무한대로 늘릴 수도 있다.
- 프로세스간 통신(IPC) : 공유메모리 방식이 POSIX 표준과 호환되도록 바뀌었다.
- 버스 : ISA 장치들이 PCI에서와 같은 플러그앤플레이 기능을 지원할 수 있도록 확장한 ISAPnP를 완전히 지원하여 부팅할 때 이들 장치들을 사용할 수 있다. PCI에서 OS 독립적인 드라이버를 사용할 수 있는 I2O(Intelligent Input/Output)를 지원한다. PCMCIA 지원이 강화되었고 USB, IEEE1394(firewire) 등 최근의 하드웨어를 대부분 수용한다.
- 하드웨어 지원 : 장치들을 체계적으로 관리하는 디바이스 파일시스템(device filesystem; DevFS)이 도입되어 장치를 다루는 방법이 바뀌었다. 장치의 이름과 위치가 바뀌고, 디바이스 드라이버를 로드할 때 장치 이름이 /dev에 등록되도록 하여, 이전처럼 /dev 밑에 모든 장치들의 목록이 나오는 것이 아니라 현재 사용할 수 있는 장치들만 나오도록 하였다. 자원 관리 서브시스템의 변화와 함께 완전한 플러그앤플레이(plug and play)를 지원한다. 인텔에서 새로 발표하는 IA-64와 임베디드 시스템(embedded system)에서 많이 사용하고 있는 SH(Super Hitachi) CPU 지원이 추가되었다.
- 블럭 장치들 : 가장 주목할만한 변화는 엔터프라이즈급의 기능으로 디스크 볼륨(volume)을 자유자재로 관리할 수 있는 LVM(Logical Volume Manager)이 추가된 것이다. 그리고 블럭 디바이스를 위한 API가 바뀌어서 디바이스 드라이버들이 수정되었다. IDE 컨트롤러를 10개까지 지원하며, PCI IDE 컨트롤러, IDE 플로피, IDE 테잎, DVD 등을 지원한다.
- 문자 장치들 : USB 키보드, 마우스, 프린터, 스캐너 등 USB 장치들을 지원하고, 병렬 포트에서 UDMA(Ultra Direct Memory Access)를 지원한다.
- 네트워킹 : IP 파이어월(firewall) 부분이 이전의 IP 체인(chains)에서 패킷 필터링(packet filtering)과 네트웍 주소 변환(Network Address Translation; NAT)을 이용하는 것으로 바뀌었고, SMP에서의 성능이 향상되었다.
- 커널 레벨 웹 데몬 : khttpd라는 커널 레벨에서 처리하는 웹 데몬이 추가되었다. 이는 아파치같은 본격적인 웹서버가 아니라, 정적인 데이터만 처리하고, 처리할 수 없는 것은 사용자 모드에 있는 웹 데몬으로 통과시키는 역할을 한다.
리눅스 커널은 크게 프로세스 관리, 메모리 관리, 프로세스간 통신, 파일시스템, 네트웍, 디바이스 드라이버로 나눌 수 있다.
- 메모리 관리 : 시스템의 중요한 자원중의 하나인 메모리를 관리한다. 가상 메모리를 통하여 실제 존재하는 메모리보다 많은 메모리를 사용할 수 있게 해주며, 페이징(paging)을 비롯한 여러가지 기법을 이용하여 메모리를 효율적으로 사용할 수 있게 한다. 프로세스들 사이에 메모리를 보호하여 안정된 시스템을 구축한다.
- 프로세스 관리 : 프로세스의 생성과 종료를 담당하며, 실행할 수 있는 여러개의 프로세스가 존재할 때 스케줄링(scheduling)을 통해서 공정하게 CPU를 할당한다.
- 프로세스간 통신 : 프로세스간에 데이터를 전달하고 서로의 작업을 조절할 수 있게 한다. 시그널(signal)이나 파이프(pipe)같은 전통적인 통신 방법부터 세마포어같은 최근에 등장한 방법도 지원한다.
- 파일시스템 : 디스크를 비롯한 여러가지 블럭 장치상에 파일시스템을 구축하고 이를 사용할 수 있게 한다. 가상 파일시스템을 통하여 EXT2, FAT, FAT32, ISO9660같은 다르게 구현되는 여러 종류의 파일시스템을 일관된 인터페이스로 사용할 수 있게 한다.
- 네트웍 : 이더넷이나 PPP같은 네트웍 장치를 이용하여 가장 대표적인 네트웍 프로토콜인 TCP/IP를 비롯하여 여러가지 통신 프로토콜을 통해 데이터를 주고 받는다. BSD 소켓 인터페이스를 통해 다른 프로토콜을 일관된 인터페이스로 사용할 수 있게 한다.
- 디바이스 드라이버 : 하드웨어 장치를 직접적으로 제어하며, 소프트웨어적으로 장치를 만들 수도 있다. 리눅스에서는 장치를 문자 장치, 블럭 장치, 네트웍 장치로 분류하며, 파일시스템을 통하여 접근할 수 있다.
커널 소스는 여러 디렉토리에 나누어져 들어가 있다.
소스들은 각각의 기능에 따라 체계적으로 분류되어 있으며, 아키텍쳐마다 다른 부분과 아키텍쳐 독립적인 부분으로 나뉜다.
여기서는 각 디렉토리에 어떠한 일을 하는 소스가 들어있는지 간단히 살펴보도록 한다.
문서 :
Documentation/ 이 디렉토리는 커널 소스는 아니지만 커널 소스와 함께 배포되는 문서들을 가지고 있다. 커널의 모든 부분을 다루지는 않지만, 꽤 유용한 내용을 많이 다루고 있다. CHANGES 파일은 이전 버전에서 달라진 부분들을 세세하게 다룬다. 커널에 대해 궁금한 것이 있을 때 여기서 문서를 찾아보는 것이 도움이 될 때가 많다.
헤더 파일 :
include/linux/ 리눅스 커널의 공통 헤더파일을 가진다.
include/asm/ 아키텍쳐 의존적인 헤더파일이 들어간다. 이 디렉토리는 컴파일하려고 하는 아키텍쳐에 해당하는 디렉토리와 심볼릭 링크(symbolic link)로 연결된다. IA-32에서는 include/asm-i386/ 디렉토리와 연결된다.
아키텍쳐 독립 소스 :
init/ 커널 부팅에 관련된 소스가 들어있다.
kernel/ 프로세스 관리, 타이머, 인터럽트, 시그널, 모듈 관리 등 커널의 핵심적인 부분에 관련된 소스가 들어있다.
mm/ 메모리 관리와 관련된 소스가 들어있다.
ipc/ 프로세스간 통신(IPC)과 관련된 소스가 들어있다.
fs/ 파일 시스템과 관련된 소스가 들어있다. 각 파일 시스템별로 서브 디렉토리로 나뉜다.
net/ 네트웍과 관련된 소스가 들어있다. 각 프로토콜별로 서브 디렉토리로 나뉜다.
drivers/ 디바이스 드라이버 소스가 들어있다. 리눅스 커널 소스 전체로 보면 커널의 대부분이라고 할 수 있을만큼 방대하다. 드라이버 종류별로 여러가지 서브 디렉토리로 나뉜다.
lib/ 커널은 표준 C 라이브러리를 사용하지 않는다. 여기서는 문자열 처리같은 몇가지 필수적인 라이브러리 함수를 구현하는 소스가 들어있다.
아키텍쳐 의존 소스 :
arch/i386/boot/ IA-32에서의 부팅과 관련된 소스가 들어있다.
arch/i386/kernel/ 공통 소스의 kernel/에 해당한다.
arch/i386/mm/ 공통 소스의 mm/에 해당한다.
arch/i386/lib/ 위 두가지로 분류하기 어려운 소스가 들어있다.
arch/i386/math-emu/ 실수연산을 처리하는 보조프로세서(coprocessor)가 없는 시스템을 위한 실수 연산 에뮬레이션 소스가 들어있다.
리눅스의 장점 중의 하나는 커널 소스가 공개되어 있다는 것이다.
이는 개발자에게는 커널의 내부 구조를 살펴볼 수 있게 하고, 사용자 입장에서는 자신의 시스템에 맞는 가장 효율적인 커널을 재구성할 수 있게 한다.
커널 컴파일은 현재 설치된 커널을 다른 버전으로 바꾸거나, 커널의 다른 기능을 테스트해보고 싶은 경우에 한다.
커널 컴파일은 커널의 수많은 옵션들의 사용여부를 직접 결정해야 하고, 제대로 모르고 있는 옵션들은 도움말을 보면서 확인해야 하며, 컴파일을 하는데에 꽤나 시간을 잡아먹는 조금은 지루한 작업이지만, 커널을 분석하는 첫걸음이기도 하다.
사용하고자 하는 버전의 커널 소스가 현재 시스템에 설치되어 있지 않다면 커널 소스를 다른 곳에서 가져와서 설치를 해야 한다.
어떤 버전의 리눅스 커널이든 http://www.kernel.org/pub/linux/kernel이나 ftp://ftp.kernel.org/pub/linux/kernel에서 소스를 구할 수 있다.
여기에서 처음 리누스 토발즈가 발표한 커널부터 가장 최신 버전의 커널까지 모두 구할 수 있다.
국내의 미러 사이트로는 http://www.kr.kernel.org/pub/linux/kernel과 ftp://ftp.kr.kernel.org/pub/linux/kernel이 있다 (미러 사이트이므로 원래 사이트보다 등록이 조금 늦을 수 있다).
커널 소스는 소스 전체를 담은 파일과, 바로 앞 버전에서 달라진 것들만을 가지고 있는 패치파일 두가지 형태로 배포된다.
우선 2.4.0 커널 소스 전체를 다운로드 받았다고 하면 (파일이름은 linux-2.4.0.tar.gz이다) :
cd /usr/src
rm -f linux
tar zxvf linux-2.4.0.tar.gz
mv linux linux-2.4.0
ln -s linux-2.4.0 linux
일반적으로 리눅스 커널 소스는 /usr/src/linux에 설치한다.
다른 위치에 설치할 수도 있겠지만, 대부분 소스가 여기에 있다고 가정하고 있으며, 현재 커널의 헤더파일의 위치도 여기로 지정되어 있기 때문에 다른 곳에 설치하면 컴파일이 되지 않는다.
tar 파일로 묶여있는 커널 소스를 풀면 현재 디렉토리에 linux 디렉토리를 만들어 여기에 설치된다.
이미 존재하고 있는 linux 디렉토리는 실제 디렉토리일 수도 있고, 다른 버전의 소스 디렉토리를 가리키는 심볼릭 링크(symbolic link)일 수도 있다.
실제 디렉토리라면 디렉토리 이름을 다른 것으로 바꾸고, 단지 심볼릭 링크라면 위에서처럼 rm linux 명령으로 링크를 제거한다.
커널 소스를 바로 linux 디렉토리에 넣을 수도 있겠지만, 시스템에 여러 버전의 커널 소스가 있을 수 있으므로 위에서처럼 해당하는 버전 이름으로 디렉토리 이름을 바꾸어 링크를 시켜주는 것이 좋다.
앞에서처럼 커널 소스 전체를 다운로드 받을 수도 있지만, 이전 버전의 소스가 설치되어 있다면 크기가 작은 패치파일만을 다운로드 받아서 패치를 적용할 수도 있다.
시스템에 2.4.0 커널 소스가 설치되어 있고, 2.4.1 패치파일을 적용하려면 (파일이름은 patch-2.4.1.gz이다) :
cd /usr/src
gzip -cd patch-2.4.1.gz | patch -p0
rm linux
mv linux-2.4.0 linux-2.4.1
ln -s linux-2.4.1 linux
2.4.0 커널 소스가 설치되어 있고, 패치를 통하여 2.4.3 버전으로 업그레이드를 하고 싶다면 2.4.1, 2.4.2, 2.4.3 패치파일을 가져와서 낮은버전의 패치파일부터 차례로 적용을 하면 된다.
이제 커널에 포함시킬 요소들과 CPU를 비롯한 여러 환경들을 설정한다.
각각이 의미하는 바는 도움말을 보면 기술적인 설명이 있다.
설정하는 프로그램은 환경마다 약간의 차이가 있는데, 다음 세가지 명령중 하나를 사용하면 된다.
설정을 마친 후에 설정 내용을 저장하고 종료하면 된다.
설정은 .config 파일에 저장되며, 설정 내용을 다른 파일로 저장할 수도 있고, 다른 파일에서 설정 내용을 읽어올 수도 있다.
make config => 텍스트모드에서 하나씩 문답식으로 설정
make menuconfig => 텍스트모드에서 메뉴식으로 설정
make xconfig => X 윈도우상에서 설정
make dep => 의존성 검사
make zImage 또는 make bzImage => 커널 컴파일
make modules => 모듈 컴파일
make modules_install => 모듈 설치
커널 컴파일이 성공적으로 끝나면 커널 이미지와 모듈들이 만들어진다.
만들어지는 커널 이미지는 make zImage의 경우 arch/i386/boot/zImage, make bzImage의 경우 arch/i386/boot/bzImage이다.
zImage와 bzImage의 차이는 부팅시에 처음에 이미지가 로드되는 메모리의 위치인데, bzImage는 1M 윗부분을 사용하므로 zImage보다 더 큰 이미지를 만들 수 있다.
컴파일하면 모듈은 각각의 디렉토리 아래에 생기는데, 모듈 설치를 하면 /lib/modules 밑에 해당 버전의 디렉토리를 만들고 그 아래 설치된다.
커널 컴파일을 마쳤으면 새로운 커널로 부팅을 한다.
이 때 새로만든 커널에 문제가 발생할 수 있으므로, 이전 버전의 커널로 부팅할 수 있는 방법을 남겨두어야 한다.
새로운 커널로 부팅은 디스켓이나 하드디스크로 할 수 있다. 디스켓으로 부팅할려면 (이미지가 bzImage라고 하면) :
dd if=bzImage of=/dev/fd0
rdev -R /dev/fd0 /dev/hda1
rdev 명령에서 끝에 넘겨주는 인자는 부팅하는데 사용할 루트 파티션으로 현재 시스템에서 사용하는 루트 파티션을 지정해주면 된다.
잘못된 루트 파티션을 넘겨주면 부팅할 때 시스템 패닉(panic)이 발생한다.
LILO를 이용하여 하드 디스크에서 직접 부팅할 수도 있다.
먼저 커널 이미지를 /boot 밑에 복사를 하고, /etc/lilo.conf 파일을 수정한 후 LILO를 다시 설치하도록 한다.
2.4.0 커널 이미지 bzImage를 사용한다면 :
cp arch/i386/boot/bzImage /boot/vmlinuz-2.4.0
cp System.map /boot/System.map-2.4.0
/etc/lilo.conf 파일에 다음을 추가한다.
image=/boot/vmlinuz-2.4.0
label=linux-2.4.0
root=/dev/hda1
read-only
여기서 root에 지정되는 것 역시 루트 파티션의 위치이다.
lilo를 실행하면 수정한 내용이 LILO 프로그램에 반영된다.
이제 시스템을 리부팅 하고, LILO 메시지가 나올 때 탭 키를 눌러서 앞에서 지정한 라벨을 적어주면 새로운 커널로 부팅한다.
커널 컴파일은 성공적으로 했더라도 부팅했을 때 문제가 발생할 수 있다. 이 때는 커널 설정 단계부터 차근차근 문제를 파악해서 다시 시도해보도록 한다.
운영체제를 설계하는 방식은 크게 모놀리딕 커널과 마이크로 커널 두가지로 나뉜다.
모놀리딕 커널은 전통적인 운영체제 설계 방법으로, 프로세스 관리, 메모리 관리, 파일시스템 같은 커널의 모든 기능들이 하나의 커널에 들어가 있고, 모두 커널 모드에서 실행되는 것을 말한다.
여기서는 각 구성요소들이 서로의 자료구조를 공유하며 서로의 기능을 자유롭게 활용하므로 요소들 사이에 많은 의존성을 가지게 된다.
이 방식은 효율성을 극대화시킬 수 있지만, 모두 같은 메모리 상에서 실행되므로 한 부분에서 발생한 문제 때문에 시스템 전체가 망가질 수 있다.
또한 각 구성요소들이 서로의 자료구조를 공유하기 때문에 규모가 커질수록 개발과 디버깅이 어려워진다. 이러한 설계의 대표적인 예로는 유닉스가 있다.
이에 반해 마이크로 커널에서는 운영체제의 기능을 프로세스 관리 서비스, 메모리 관리 서비스, 파일시스템 서비스 같이 여러개의 서버 프로세스로 분할하고 각 프로세스가 일련의 서비스를 제공하도록 한다.
이들 서버는 사용자 모드에서 실행되고 다른 서버 프로세스나 사용자 프로세스에게 서비스를 제공한다.
커널 모드에서는 메시지 전송과 하드웨어를 직접적으로 다루는 부분을 비롯한 최소한의 기능만 동작하며, 이렇게 최소화된 커널을 마이크로 커널이라고 한다.
서비스는 마이크로 커널에 구현된 메시지 전송 기능을 통하여 서비스를 요청하고 결과를 돌려받음으로써 이루어진다.
이 방식의 장점은 운영체제의 대부분의 기능이 사용자 모드에서 동작하기 때문에 한 부분에서 발생한 문제가 시스템 전체를 망가뜨리지 않으며, 해당 서버만을 교체함으로써 시스템 복구가 가능하다.
또한 하드웨어에 의존하는 부분을 최소화하여 이식성이 높다.
마이크로 커널은 안정적인 시스템이지만, 서비스를 사용하는 과정에서 여러번의 메시지 전송과 컨텍스트 스위칭(context switching)이 발생하기 때문에 실용적인 면에서는 속도가 느리다는 단점이 있어 실제로 마이크로 커널 방식만으로 구현되는 시스템은 많지 않다.
이러한 설계의 대표적인 예로 카네기 멜론 대학에서 만든 마크(Mach)가 있으며, 리눅스가 등장하기 전에 GNU에서 개발하던 허드(Hurd)도 마이크로 커널 방식을 따른다.
리눅스는 모놀리딕 커널 방식이다.
리누스 토발즈가 리눅스를 제작하던 당시에는 마이크로 커널 방식이 이식성이 뛰어나다는게 일반적인 견해였다.
그러나 실용적인 측면에서 마이크로 커널은 실험적이고, 모놀리딕 커널 방식보다 복잡하고 느렸으며, 모놀리딕 커널 방식으로도 이식성이 뛰어난 커널을 제작할 수 있다고 판단했기 때문에 리누스 토발즈는 모놀리딕 커널 방식으로 커널을 제작하기로 하였다.
이와 관련하여 리누스 토발즈와 앤드류 탄넨바움 사이에서 벌어진 유명한 모놀리딕 커널과 마이크로 커널 논쟁이 있다.
이 논쟁은 1992년 초반 comp.os.minix 뉴스그룹에서 벌어졌으며, <오픈소스(Open Source)> 책의 부록에도 글의 일부가 실려있다.
Last Updated : 2001/05/09
First Written : 2001/05/09
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