OS

🔹 OS 구조 이해

1. Linux 커널 vs 사용자 공간 (User Space vs Kernel Space)

📌 아키텍처

+--------------------------------------------------+
|                 사용자 공간(User Space)          |
|  - 응용 프로그램 (bash, python, nginx 등)        |
|  - 라이브러리(glibc 등)                          |
+--------------------------------------------------+
|                 커널 공간(Kernel Space)          |
|  - 시스템 콜 인터페이스(syscall)                 |
|  - 프로세스 관리(Scheduler)                      |
|  - 메모리 관리(Virtual Memory, Page Cache)       |
|  - 파일 시스템(VFS, ext4, xfs, btrfs)            |
|  - 네트워크 스택(TCP/IP)                         |
|  - 디바이스 드라이버 (하드웨어 제어)             |
+--------------------------------------------------+
|               하드웨어(Hardware)                 |
|  CPU, Memory, Disk, NIC                          |
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사용자 공간 (User Space)
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| modprobe / insmod / lsmod |
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            |
            v
커널 공간 (Kernel Space)
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| 커널 모듈 (Module)       |
| - 네트워크 드라이버       |
| - 파일 시스템 드라이버    |
| - 가상 장치 드라이버      |
+---------------------------+
            |
            v
하드웨어 (Hardware)
+---------------------------+
| CPU, Disk, NIC, Memory   |
+---------------------------+

# 동작 예시:
# 1. modprobe e1000e (Intel NIC 모듈 로드)
# 2. 커널이 NIC 초기화 → 시스템에 네트워크 사용 가능
# 3. lsmod로 모듈 상태 확인
# 4. dmesg로 초기화 로그 확인

👉 사용자 공간의 프로그램은 직접 하드웨어에 접근하지 못하고, 시스템 콜(System Call) 을 통해 커널에 요청.

사용자 공간(User Space)

• 사용자가 직접 실행하는 프로그램(bash, python, nginx 등)이 돌아가는 영역

• 제한된 권한을 가진 공간으로, 실행 환경만 제공될 뿐, CPU 레지스터나 메모리, 디스크 같은 하드웨어를 직접 제어불가능

  • 예: cat /etc/passwd 를 실행하면, cat 명령어 자체는 사용자 공간에서 동작

커널 공간(Kernel Space)

• OS의 핵심(커널)이 실행되는 특권 모드(Privileged mode)

• 직접 하드웨어 제어가 가능 (디스크 읽기, 메모리 관리, 네트워크 전송 등)

  • 예: cat 명령어가 파일을 읽으려면 open() → read() 같은 시스템 콜을 호출해서 커널에 “이 파일 좀 열어줘, 읽어줘” 요청

시스템 콜(System Call)

• 사용자 공간에서 하드웨어 자원에 접근하기 위한 유일한 창구(게이트)
  • 예를 들어,

fd = open("/etc/passwd", O_RDONLY);
read(fd, buffer, 100);

→ open()과 read()는 시스템 콜이며, 실제 하드웨어 접근은 커널이 처리합니다.

하드웨어(Hardware)

• CPU, 메모리, 디스크, 네트워크 카드 등 실제 물리 장치들.

• 커널이 드라이버를 통해 제어하며, 사용자 공간에서는 직접 접근 불가.

2. 부트로더 (GRUB2 기본 구조, 커널 파라미터)

📌 부팅 과정

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|        BIOS/UEFI        |
| - POST, 하드웨어 초기화  |
| - 부트 장치 선택        |
+-----------+-------------+
            |
            v
+-------------------------+
|         GRUB2           |
| - 부트 메뉴 표시         |
| - 커널 선택 및 커널 파라미터 전달 |
+-----------+-------------+
            |
            v
+-------------------------+
|       Linux Kernel      |
| - 하드웨어 초기화        |
| - initramfs 마운트      |
| - 기본 디바이스 드라이버 로드 |
+-----------+-------------+
            |
            v
+-------------------------+
|        systemd          |
| - 서비스 관리 (Unit)    |
| - 런레벨/Target 진입     |
| - Multi-user, GUI 등    |
+-------------------------+

1. BIOS/UEFI → 부트로더(GRUB2) 로 제어 전달
2. GRUB2: OS 선택 메뉴 제공 → 커널 이미지(vmlinuz)와 initramfs 로드
3. 커널이 메모리 초기화 후 첫 번째 프로세스 systemd 실행

📌 GRUB2 기본 구조

• /boot/grub/grub.cfg : GRUB 설정 파일
• 메뉴 항목 예시:

menuentry 'Ubuntu 22.04 LTS' {
    linux   /boot/vmlinuz-5.15.0-52-generic root=UUID=xxxx ro quiet splash
    initrd  /boot/initrd.img-5.15.0-52-generic
}

📌 커널 파라미터

• root=UUID=xxx → 루트 파일시스템 지정
• ro → 읽기 전용으로 마운트 후 init에서 rw 전환
• quiet splash → 부팅 메시지 최소화

3. Runlevel / systemd Target

📌 전통적 SysV init (Runlevel)

• Runlevel 0 : Halt (종료)
• Runlevel 1 : Single user mode
• Runlevel 3 : Multi-user, text mode
• Runlevel 5 : Multi-user, GUI
• Runlevel 6 : Reboot

📌 systemd Target (Ubuntu 22 기본 구조)

• poweroff.target (Runlevel 0)
• rescue.target (Runlevel 1)
• multi-user.target (Runlevel 3)
• graphical.target (Runlevel 5)
• reboot.target (Runlevel 6)

👉 확인 명령어:

systemctl get-default      # 현재 기본 target 확인
systemctl set-default multi-user.target
systemctl isolate rescue.target

4. 커널 모듈 (lsmod, modprobe, dmesg)

📌 커널 모듈이란?

• 커널에 동적으로 로드/언로드 가능한 드라이버나 기능 확장 코드
• 예: 파일 시스템 드라이버, 네트워크 카드 드라이버

📌 관련 명령어

lsmod                      # 현재 로드된 모듈 확인
modprobe <module>          # 모듈 로드
modprobe -r <module>       # 모듈 언로드
dmesg | tail -n 20         # 커널 로그 확인

📌 예시

lsmod | grep ext4          # ext4 파일시스템 모듈 확인
sudo modprobe dummy        # 가상 네트워크 인터페이스 모듈 로드
ip link show dummy0        # 인터페이스 생성 확인

🔹 Ubuntu 22.04 실습 시나리오

📘 실습 환경 : Ubuntu 22.04 (VM 또는 물리 서버)

✅ 시나리오 1: User Space vs Kernel Space 이해

1. strace 설치

   sudo apt install strace -y

2. 시스템 콜 추적

   strace ls

   → openat, read, write 같은 시스템 콜이 커널을 통해 실행되는 것 확인

✅ 시나리오 2: GRUB2 및 커널 파라미터 수정

1. /etc/default/grub 수정

   sudo vim /etc/default/grub
   # GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="quiet splash systemd.unit=multi-user.target"

2. 적용

   sudo update-grub
   sudo reboot

3. 부팅 시 텍스트 모드(multi-user.target)로 진입 확인

✅ 시나리오 3: Runlevel / Target 전환

systemctl get-default
sudo systemctl set-default graphical.target
sudo reboot

→ GUI 로그인 화면 확인

✅ 시나리오 4: 커널 모듈 실습

1. 로드된 모듈 확인

   lsmod | head

2. 가상 인터페이스 dummy 모듈 로드

   sudo modprobe dummy
   ip link show dummy0

3. 언로드

   sudo modprobe -r dummy

4. 커널 로그 확인

   dmesg | tail -n 20

🔹 아키텍처 이미지 제안

📌 삽입할 다이어그램:

1. Linux OS 구조 (User space vs Kernel space vs Hardware)
2. 부팅 아키텍처 (BIOS → GRUB2 → Kernel → systemd)
3. systemd target mapping (Runlevel vs Target 표)
4. 커널 모듈 동적 로드 구조도