Computer Science Knowledge Storage

프로세스는 메모리에 올라와 실행되는 프로그램을 의미합니다. 이는 독립적인 메모리 공간을 할당하여 운영체제로부터 자원을 할당받는 작업의 단위를 의미합니다. 각 프로세스들은 서로 통신을 하기 위해 공유 메모리, 메시지 큐 등을 이용합니다.

스레드는 프로세스의 작업단위를 의미합니다. 프로세스와 다르게 메모리를 공유하며 작동합니다.

스케줄러의 종류에는 세가지가 있습니다.

첫번째 장기 스케줄러는 수행해야 하는 작업 중 어느 것을 선택할 지 결정하는 스케줄러입니다. 프로세스 흐름 상 Ready Queue에 적재하는 스케줄러입니다.

두번째 단기 스케줄러는 CPU가 차지할 프로세스를 선별하는 작업을 합니다. CPU는 실행 흐름에서 하나의 작업만 수행할 수 있기에 어느 프로세스를 실행시킬지 단기 스케줄러가 할당합니다. 예를 들어 IO 작업을 하는 프로세스가 있을 때는 실행하는 프로세스를 교체하는 역할을 합니다.

마지막으로 중기 스케줄러는 요즘 운영체제에는 존재하지 않지만 우선순위가 낮은 프로세스를 교체하는 역할을 합니다. 이는 메모리를 효율적을 관리할 수 있게 도와줍니다.

CPU는 프로세스 작업을 수행하기에 어느 프로세스를 선택할 지 판단하는 CPU 스케줄링 알고리즘이 존재합니다.

해당 알고리즘은 선점형과 비선점형으로 나뉘며

선점형에는 Round-Robin, SRC, 다단계 큐가 있으며

비선점형에는 FCFS, SJF, 우선순위가 있습니다.

선점형 

라운드 로빈

• Round Robin은 현대 컴퓨터가 쓰는 선점형 알고리즘 스케줄링 방법으로 각 프로세스는 동일한 할당 시간을 주고 그 시간안에 끝나지 않으면 다시 준비 큐에 넣는 알고리즘
• 할당 시간이 너무 크면 FCFS가 되고 짧으면 컨텍스트 스위칭이 잦아져 비용이 증가.
• 로드 밸런서에서 트래픽 분산 알고리즘으로도 사용됨.

SRF

• 실행 시간이 더 짧은 작업이 들어와도 기존 짧은 작업을 모두 수행하고 그 다음 짧은 작업을 이어감.

다단계 큐

• 우선 순위에 따른 준비 큐를 여러개 사용하고 큐마다 라운드로빈이나 FCFS등 다른 스케줄링 알고리즘을 적용한 방법.
• 큐 간의 프로세스 이동이 안되므로 스케줄링 부담이 적지만 유연성이 떨어짐.

비선점형

FCFS

• First Come, First Served는 가장 먼저 온 것을 가장 먼저 처리하는 알고리즘
• 길게 수행되는 프로세스 때문에 준비 큐에서 오래 기다리는 현상(convoy effect)가 발생.

SJF(Shortest Job First)

• 실행 시간이 가장 짧은 프로세스를 가장 먼저 실행하는 알고리즘.
• 긴 시간을 가진 프로세스가 실행되지 않는 현상(starvation)이 일어나며 평균 대기 시간이 가장 짧음
• 실제로 실행 시간을 알 수 없음.

우선순위

• SJF 스케줄링의 경우 starvation이 발생.
• 오래된 작업일 수록 우선순위를 높이는 방법을 사용하여 보완.

동기와 비동기의 차이에는 시간과 연관이 있습니다.

동기는 요청과 그 결과가 동시에 이루어지는 것이고,요청한 자리에서 결과를 계속해서 기다립니다. 설계과 직관적이고 간단하지만 다른 프로그램이 해당 결과를 기다리기 위해 정지하고 있어야하며 시스템의 효율이 저하될 수 있습니다.

비동기는 요청과 결과가 동시에 이루어지지 않습니다. 설계가 복잡하지만 그 시간동안 다른 일을 처리할 수 있으므로 자원을 효율적으로 사용할 수 있게 됩니다.

blocking과 non-blocking은 제어권이 어디에 있느냐가 관점입니다.
작업을 시킨 주체에게 제어권이 있는지 혹은 작업을 처리하는 주체에게 제어권이 있는지에 대한 것입니다.

blocking은 직접 제어할 수 없는 대상의 작업이 끝날때까지 기다려야하는 경우를 의미하고

non-blocking은 직접 제어할 수 없는 대상의 작업이 완료되기 전에 제어권을 넘겨준 경우를 의미합니다.

멀티 프로세스 하나의 프로그램을 여러 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업을 처리하는 것을 의미합니다. 

장점으로는 하나의 프로세스에 오류가 발생하여도 프로그램은 동작하지만 단점은 Context-Switch 비용이 발생하고 통신 기법을 사용해야합니다. 

멀티 쓰레드는 프로그램을 여러개의 스레드로 구성하여 각 스레드가 task를 처리하는 것을 의미합니다.

장점으로는 스레드 간 데이터를 공유하므로 Context-Switch가 멀티 프로세스에 비해 빠르며 응답시간이 단축됩니다. 단점으로는 동일한 메모리를 관리하기에 동기화 이슈가 발생합니다. 

운영체제는
1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리
2. 메모리관리
3. 디스크 파일 관리

4. IO 디바이스 관리

가 있습니다.

1은 CPU 소유권과 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리합니다.

2는 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마큼 할당해야하는지 관리합니다.

3은 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리합니다.

4는 IO 디바이스들을 관리합니다. 

PCB(Process Control Block)은 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터를 의미합니다.
프로세스가 생성되면 운영체제는 프로세스마다 PCB를 할당합니다.

프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 프로세스 주소 값들에 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리를 할당하고 메타데이터를 관리합니다. PCB는 프로세스의 가장 중요한 부분이기에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 앞부분에 관리됩니다.

메모리 계층에는 레지스터, 캐시, 메모리, 저장장치로 구성되어 있습니다. 먼저 말한 순서대로 기억용량이 작은 반면 접근 속도가 빠릅니다. 반대로 저장장치 쪽으로는 기억용량이 크고 접근 속도가 느립니다. 저장장치에서 보조기억장치를 제외한 모든 메모리는 휘발성입니다.

운영체제와 컴퓨터

운영체제의 역할과 구조

운영체제의 역할

1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리
   CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리
2. 메모리관리
   한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야하는지 관리
3. 디스크 파일
   관리 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리
4. IO 디바이스 관리
   IO 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리.

운영체제의 구조

• 유저 프로그램 밑에 인터페이스(GUI, CUI)가 있고 시스템 콜 , 커널, 드라이버가 있으며 가장 하단에는 하드웨어가 있는 구조.
• GUI, 시스템 콜, 커널, 드라이버 부분이 운영체제

💡 커널
운영체제의 핵심부분. 시스템 콜 인터페이스를 제공하고, 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, IO 디바이스 요청 관리 등의 역할을 제공.

시스템 콜

• 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스.
• 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 쓰임
• 유저 프로그램이 IO 요청으로 트랩(trap)을 발동하면 올바른 IO 요청인지 확인 후 유저모드에서 커널모드로 변환되어 실행됨.
  • 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단하고 다른 시스템으로부터 보호할 수 있기에 해당 사이클로 관리.

mode bit

• 시스템 콜이 작동할 때 mode bit을 참고하여 유저모드와 커널모드를 구분.

컴퓨터의 요소

CPU + DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져있음.

CPU

• 산술 논리 연산 장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치.
• 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행.
• 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 CPU가 이를 처리

제어장치

• 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품.
• 입출력 장치 간 통신을 제어하고 명령어를 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서 결정

레지스터

• CPU 안에 있는 매우 빠른 임시 기억 장치.
• CPU와 직접 연결되어 있어 연산속도가 메모리보다 매우 빠름.
• 적은양의 데이터를 저장. CPU에게 데이터 제공

산술 논리 장치

• ALU라고 불리며, 덧셈, 뺄셈과 같은 산술 연산과 배타적 논리함, 논리 곱과 같은 논리 연산 처리 회로

CPU 연산처리

1. 제어 장치가 메모리 및 레지스터에 계산할 값을 로드.
2. 제어 장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술 논리 연산 장치에 명령.
3. 제어장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 값을 저장.

💡 인터럽트
어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 의미. 키보드, 마우스 등 IO 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생합니다.

인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수가 모여있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행됨. 인터럽트 간에는 우선순위가 존재하고 우선순위에 따라 실행되고 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트가 존재

인터럽트 핸들러 함수
인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수. 커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며 인터럽트 핸들러 함수를 등록 가능.

하드웨어 인터럽트
키보드 연결 및 마우스 연결 등 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트

소프트웨어 인터럽트
트랩. 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템 콜을 호출할 때 발동.

DMA 컨트롤러

• IO 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치.
• CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 줄여줌.

메모리

• 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치.
• RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리.
• 메모리가 크면 많은 일을 동시에 할 수 있음

타이머

• 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간을 제한을 다는 역할.

디바이스 컨트롤러

• 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU를 의미.
• 로컬 버퍼는 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리.

메모리

CPU는 메모리에 올라와있는 프로그램의 명령을 실행할 뿐.

메모리 계층

메모리 계층은 레지스터, 캐시, 메모리, 저장장치로 구성

                                                                                     용량 업 →
레지스터 → 캐시 → 메모리(주기억장치) → 저장장치(보조기억장치)
← 속도 업

• 레지스터 CPU 안에 있는 작은 메모리. 휘발성, 속도 가장 빠름, 용량이 제일 작음
• 캐시 L1, L2 캐시. 휘발성, 속도 빠름, 용량 작음. L3 캐시도 존재
• 주 기억장치 RAM. 휘발성, 속도 보통, 기억 용량 보통
• 보조 기억 장치 HDD, SDD. 비 휘발성, 속도 낮음, 기억 용량 많음.

램은 하드 디스크로부터 데이터를 복사하여 임시 저장하고 CPU로 전달하는 역할.

로딩중 → RAM으로 전송하는 과정이 끝나지 않음을 의미.

캐시

• 데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소.
• 병목 현상을 줄이기 위한 메모리.
• 데이터 로딩 시간을 줄이고 계산하는 시간을 절약
• 캐시 직접 설정 ⇒ 지역성의 원리
  • 시간 지역성
    • 최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성.
  • 공간 지역성
    • 최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간이나 가까운 공간에 접근하는 특성.

캐시 히트와 캐시 미스

• 캐시히트
  • 캐시에서 원하는 값을 찾음
  • CPU 내부 버스를 기반으로 작동하기에 빠름
• 캐시 미스
  • 캐시에서 원하는 값이 없어 주 메모리로 가서 데이터를 찾아오는 것.
  • 시스템 버스를 기반으로 작동하기에 느림

캐시 매핑

웹 브라우저의 캐시

소프트웨어의 대표적 캐시는 쿠키, 로컬 스토리지, 세션 스토리지가 존재.

• 쿠키
  • 만료기한이 있는 키-값 저장소.
  • 보안을 위해 만료 기한을 걸고 httponly 옵션을 거는 것이 중요.
• 로컬 스토리지
  • 만료 기한이 없는 키-값 저장소.
  • HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없음.
  • 클라이언트에서만 수정 가능
• 세션 스토리지
  • 만료 기한이 없는 키-값 저장소.
  • 탭 단위로 데이터 유지.
  • HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없음.
  • 클라이언트에서만 수정 가능

데이터베이스의 캐싱 계층

• 데이터베이스 시스템을 구축할 때에도 메인 데이터베이스 위에 레디스 데이터베이스 계층을 두어 성능을 향상 시킴 ⇒ 캐싱 계층

메모리 관리

가상 메모리

• 메모리 관리 기법 중 하나.
• 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 큰 메모리로 보이도록 만드는 기법
• logical address: 가상주소
  • 메모리 관리 장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환
• physical address: 실제 주소
• 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어있는 페이지 테이블로 관리.
• 속도 향상을 위해 TLB 사용

💡 TLB
메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환 캐시.
페이지 테이블에 있는 리스트를 보관하며 CPU가 페이지 테이블로 가지 않도록 해 속도를 향상 시킬 수 있는 캐시 계층.

스와핑

• 가상 메모리에는 존재하지만 실제 RAM에는 현재 없는 데이터에 접근할 경우 페이지 폴트 발생.
• 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드 디스크로 옮기고 하드 디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 쓰는 것을 스와핑이라고 함. ⇒ 이를 통해 페이지 폴트가 안생기는 것처럼 보이게 할 수 있음.

페이지 폴트

• 프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 RAM에 없는 데이터에 접근했을 때 발생.

1. 어떤 명령어가 유효한 가상 주소에 접근했으나 페이지가 없다면 트랩이 발생되어 운영체제에게 알람
2. 운영체제는 실제 디스크로부터 사용되지 않는 프레임을 찾음
3. 해당 프레임을 실제 메모리에 가져와서 페이지 교체 알고리즘을 기반으로 스와핑
4. 페이지 테이블을 갱신시킨 후 해당 명령어를 다시 시작.

💡페이지
가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

프레임
실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

스레싱

• 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미. 심각한 성능 저하.
• 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 발생하는 것이 원인.
• 페이지 폴트 → CPU 이용률이 낮아짐. ⇒ 운영체제는 프로세스를 더 올림 ⇒ 악순환
• 해결하기 위한 방법
  • 작업 세트
    • 프로세스의 과거 사용 이력인 지역성을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드하는 것.
    • 탐색 비용 및 스와핑 비용 줄임
  • PFF(Page Falut Frequency)
    • 페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법
    • 상한선에 도달하면 프레임을 늘리고 하한선에 도달하면 프레임을 줄이는 것.

메모리 할당

• 시작 메모리 위치, 메모리 할당 크기를 기반으로 할당하는데 연속 할당과 불연속 할당으로 나뉨.

연속할당

• 연속적으로 메모리에 공간을 할당하는 것
  • 고정 분할 방식
    • 메모리를 미리 나누어 관리하는 방식
    • 내부 단편화가 발생
  • 가변 분할 방식
    • 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용
    • 내부 단편화는 발생하지 않지만 외부 단편화가 발생
    • 최초 적합, 최적 적합, 최악 적합.

💡 내부 단편화
메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 들어가지 못하는 공간이 발생하는 현상
(메모리에 남은 공간이 있지만 메모리 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 여유 공간이 발생하는 현상)

외부 단편화
메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 커서 커서 들어가지 못하는 현상.

불연속할당

• 현대 운영체제가 쓰이는 방법
• 페이징 기법: 메모리를 동일한 페이지(4KB)로 나누고 프로그램마다 페이지 테이블을 두어 메모리에 프로그램을 할당하는 방식
• 페이징
  • 동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당
  • 주소 변환이 복잡
• 세그멘테이션
  • 의미 단위인 세그먼트로 나누는 방식
  • 코드 영역, 데이터 영역, 스택, 힙 영역에서 코드 + 데이터 등을 세그먼트로 놓고 나눌 수 있음
  • 공유와 보안 측면에서 장점이지만 홀 크기가 균일하지 않음
• 페이지드 세그멘테이션
  • 의미 단위인 세그먼트로 나누어 동일한 크기의 페이지를 나누는 것.

페이지 교체 알고리즘

• 오프라인 알고리즘
  • 먼 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당되는 페이지를 바꾸는 알고리즘
  • 미래에 참조되는 페이지 알 수 없음.
• FIFO
  • 가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저 놓는 방법
• LRU(Leat Recently Used)
  • 참조가 가장 오래된 페이지를 교체.
  • 오래 된 것을 파악하기 위해 스택을 두어야 함.
  • 해시와 이중 연결 리스트 구현.
• NRU(Not Used Recently)
  • 0과 1을 가진 비트를 두어 최근에 참조된 것은 1, 0은 참조 되지 않음을 의미.
  • 시계 방향으로 돌면서 0을 찾고 0을 찾은 순간 해당 프로세스를 교체하고 해당 부분을 1로 바꾸는 알고리즘
• LFU(Least Frequently Used)
  • 가장 참조 횟수가 적은 페이지를 교체
  • 많이 사용되지 않은 것을 교체.

프로세스와 스레드

프로세스: 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램. CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업.

스레드: 프로세스 내 작업의 흐름을 지칭.

프로그램이 메모리에 올라가면 프로그램의 인스턴스화 = 프로세스 운영체제에 의해 CPU 스케줄러를 통해 CPU가 프로세스를 실행.

프로세스와 컴파일 과정

프로세스 ⇒ 프로그램이 메모리에 올라가 인스턴스화 된 것을 의미.

컴파일 과정

1. 소스 코드 작성
2. 전처리
   1. 소스코드의 주석을 제거하고 #include등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환.
3. 컴파일러
   1. 오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환.
4. 어셈블리어
   1. 어셈블리어는 목적 코드로 변환. 확장자는 운영체제마다 다르지만 리눅스에서는 .o
5. 어셈블러
6. 목적 코드
7. 라이브러리 + 목적코드 ⇒ 링커
   1. 프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행 파일을 만듦.
      .exe 또는 .out 확장자
8. 실행파일

정적 라이브러리와 동적 라이브러리

• 정적 라이브러리
  • 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식
  • 시스템 환경 등 외부 의존도가 낮은 장점이 있지만 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어지는 단점.
• 동적 라이브러리
  • 프로그램 실행 시 필요할 때만 DDL이라는 함수 정보를 통해 참조하여 라이브러리를 쓰는 방법.
  • 메모리 효율성에서의 장점을 지니지만 외부 의존도가 높아진다는 단점.

프로세스의 상태

생성 상태

• 프로세스가 생성된 상태를 의미. fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성. 이때 PCB가 할당.

💡fork()

부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수. 주소 공간만 복사할 뿐이지 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지 않음.

exec()

새롭게 프로세스를 생성하는 함수.

대기 상태

• 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로 대기하고 있으며
  CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태.

대기 중단 상태

• 메모리 부족으로 일시 중단된 상태.

실행 상태

• CPU 소유권과 메로리를 항당받고 인스트럭션을 수행중인 상태를 의미.
• CPU burst가 일어났다고 표현.

중단 상태

• 어떤 이벤트가 발생한 이후, 기다리며 프로세스가 차단된 상태.
• IO 디바이스에 의한 인터럽트로 이런 현상이 많이 발생하기도 함.

일시 중단 상태

• 대기 중단과 유사.
• 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태

종료 상태

• 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태.
• 자연스러운 종료 + 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제 시키는 비 자발적 종료(abort), process kill 등이 존재

프로세스의 메모리 구조

동적 영역: 스택 + 힙

정적 영역: 데이터 영역 + 코드 영역

스택은 위 주소부터 할당되고 힙은 아래 주소부터 할당

스택과 힙

• 런타임 단계(동적)에서 메모리를 할당 받는 동적할당
• 스택
  • 지역 변수, 매개 변수, 실행되는 함수에 의해 늘어나거나 줄어드는 메모리 영역.
  • 함수가 호출 될 때마다 호출될 때의 환경 등 특정 정보가 스택에 계속해서 저장.
  • 재귀 함수가 호출된다고 하였을때 새로운 스택 프레임이 매번 사용되기 때문에 함수 내 변수 집합이 해당 함수의 다른 인스턴스 변수를 방해하지 않음.
• 힙
  • 동적으로 할당되는 변수를 담음.
  • malloc(), free() 함수를 통해 관리할 수 있으며 동적으로 관리되는 자료구조의 경우 힙 영역에 저장.

데이터 영역과 코드 영역

• 컴파일 단계에서 메모리를 할당하는 정적 영역.
• 데이터 영역
  • BSS segment
    • 전역 변수 또는 static, const로 선언되어있고 0으로 초기화 또는 초기화되어 있지 않은 변수들 저장
  • Data segment
    • 전역 변수 또는 static, const로 선언되어 있고 0이 아닌 값으로 초기화 된 변수가 저장.
• code/text segment
  • 프로그램의 코드

PCB

• Process Control Block: 운영체제에서 프로세스에 대한 메타 데이터를 저장한 데이터. 프로세스 제어 블록
• 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB 생성.
• 프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 프로세스 주소 값들에 스택, 힙 등 구조를 기반으로 메모리 할당.
• 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리.

💡 메타 데이터
데이터에 관한 구조화된 데이터이자 데이터를 설명하는 작은 데이터, 대량의 정보 가운데에서 찾고 있는 정보를 효율적으로 찾아내서 이용하기 위해 일정한 규칙에 따라 콘텐츠에 대해 부여되는 데이터

PCB 구조

• 프로세스 스케줄링 상태
  • 준비, 일시 중단 등 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후의 상태
• 프로세스 ID
  • 프로세스 ID, 해당 프로세스의 자식 프로세스 ID
• 프로세스 권한
  • 컴퓨터 자원 또는 IO 디바이스에 대한 권한 정보
• 프로그램 카운터
  • 프로세스에서 실행해야 할 다음 명령어의 주소에 대한 포인터
• CPU 레지스터
  • 프로세스를 실행하기 위해 저장해야할 레지스터 정보
• CPU 스케줄링 정보
  • CPU 스케줄러에 의해 중단된 시간 등에 대한 정보
• 계정 정보
  • 프로세스 실행에 사용된 CPU 사용량, 실행한 유저의 정보
• IO 상태 정보
  • 프로세스에 할당된 IO 디바이스 목록

컨텍스트 스위칭

• PCB를 기반으로 프로세스의 상태를 저장하고 로드시키는 과정.
• 하나의 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생하여 컨텍스트 스위칭이 아주 빠르게 진행.
• 스레드에서의 컨텍스트 스위칭
  • 스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기에 스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 작고 시간이 더 적게 걸림.

멀티 프로세싱

여러개의 프로세스, 멀티 프로세스를 통해 동시에 두가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것.

• 신뢰성이 높은 강점.

IPC

• 멀티 프로세스는 IPC(Inter ProcessCommunication)가 가능하며 IPC는 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘을 뜻함.
• 클라이언트와 서버에서 믈라이언트는 데이터를 요청하고 서버는 클라이언트의 응답하는 것이 IPC의 예.
• 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐 등이 있음. 스레드 보다 속도가 떨어짐.
• 공유 메모리
  • 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 메모리를 생성해서 통신하는 방식
  • 각 프로세스의 메모리를 다른 프로세스가 접근할 수 없지만 공유 메모리를 통해 여러 프로세스가 하나의 메모리를 공유할 수 있음.
  • 메모리를 공유하는 것이 아니기 때문에 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠르지만 각 프로세스에 대해 동기화가 필요함. ⇒ RAM을 이용
• 파일
  • 디스크에 저장된 데이터나 파일 서버에서 제공하는 데이터.
• 소켓
  • 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터.
  • TCP와 UDP가 존재
• 익명 파이프
  • 프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고 받으며, 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이를 만들어서 작동하는 방식.
  • 부모, 자식 프로세스 간에만 사용할 수 있음.
• 명명 파이프
  • 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위해 단방향, 양방향 파이프
  • 여러 경우에서 사용 가능.
• 메시지 큐
  • 메시지를 큐에 관리하여 커널의 전역 변수 형태 등 커널에서 전역적으로 관리되며 다른 IPC 방식에 비해 사용 방법이 매우 직관적이고 간단하고 코드의 수정 없이 몇 줄의 코드를 추가시켜 간단하게 메시지 큐에 접근할 수 있다는 장점.

스레드와 멀티 스레딩

스레드: 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위. 프로세스는 여러개의 스레드를 가질 수 있음.

코드, 데이터, 스택, 힙을 생성하는 프로세스와 달리 스레드는 코드, 데이터, 힙은 스레드끼리 서로 공유.

멀티 스레딩

• 프로세스 내 작업을 여러개의 스레드, 멀티 스레드로 처리하는 기법.
• 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높음. ⇒ 빠른 처리 가능
• 동시성에도 큰 장점.
• 스레드끼리 영향을 줄 수 있어 프로세스에 영향을 줄 수 있음

공유자원과 임계 영역

공유자원

• 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함꼐 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수 등을 의미.
• 공유 자원을 두개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태.
• 동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등이 결괏값에 영향을 줄 수 있는 상태.

임계 영역

• 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역.
• 뮤텍스 세마포어, 모니터 등을 통해 해결 가능.
• 해당 방법은 상호 배제, 한정 대기, 융통성이라는 조건을 만족 ⇒ lock을 통해 구현

💡

상호 배제(mutual exclusion)

한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없다.

한정대기(bounded waiting)

특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안된다.

융통성(progress)

만약 어떠한 프로세스도 임계 영역을 사용하지 않는다면 어떠한 프로세스가 들어갈 때 프로세스끼리 방해하지 않는다.

뮤텍스

• 프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체.
• 다른 프로세스나 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없고 해제는 그와 반대.
• 뮤텍스는 잠금 또는 잠금 해제라는 상태만을 가르킴.

세마포어

• 일반화된 뮤텍스
• 간단한 정수 값과 두가지 함수 wait, signal을 통해 공유 자원에 대한 접근을 처리
• wait: 자신의 차례가 올때까지 기다리는 함수 signal: 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수
• 바이너리 세마포어
  • 0과 1의 두가지 값만을 가질 수 있는 세마포어.
  • 뮤텍스와 동일하지만 뮤텍스는 잠금 메커니즘이고 세마포어는 신호 메커니즘
• 카운팅 세마포어
  • 여러개의 값을 가질 수 있는 세마포어
  • 여러 자원에 대한 접근을 제어하는데 사용

모니터

• 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공.
• 모니터 큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리.

교착 상태

deadlock: 두개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태

원인

• 상호배제: 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가능.
• 점유 대기: 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태
• 비선점: 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없음
• 환형 대기: 프로세스 A는 프로세스 B의 자원을 요구하고, 프로세스 B는 프로세스 A의 자원을 요구하는 등 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황

해결 방법

1. 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계
2. 은행원 알고리즘 사용
3. 사이클이 존재하는지 파악하고 지움.

CPU 스케줄링 알고리즘

CPU 이용률은 높게, 많은 처리량, 응 답 시간을 짧게

비선점형 방식

프로세스가 스스로 CPU 소유권을 포기하는 방식. 강제로 프로세스를 중지시키지 않음. 컨텍스트 스위칭의 부하가 적음

FCFS

• First Come, First Served는 가장 먼저 온 것을 가장 먼저 처리하는 알고리즘
• 길게 수행되는 프로세스 때문에 준비 큐에서 오래 기다리는 현상(convoy effect)가 발생.

SJF(Shortest Job First)

• 실행 시간이 가장 짧은 프로세스를 가장 먼저 실행하는 알고리즘.
• 긴 시간을 가진 프로세스가 실행되지 않는 현상(starvation)이 일어나며 평균 대기 시간이 가장 짧음
• 실제로 실행 시간을 알 수 없음.

우선순위

• SJF 스케줄링의 경우 starvation이 발생.
• 오래된 작업일 수록 우선순위를 높이는 방법을 사용하여 보완.

선점형 방식

현대 운영체제가 쓰는 방식으로 프로세스를 알고리즘에 의해 중단시켜 버리고 강제로 다른 프로세스에 CPU 소유권을 할당하는 방식.

라운드 로빈

• Round Robin은 현대 컴퓨터가 쓰는 선점형 알고리즘 스케줄링 방법으로 각 프로세스는 동일한 할당 시간을 주고 그 시간안에 끝나지 않으면 다시 준비 큐에 넣는 알고리즘
• 할당 시간이 너무 크면 FCFS가 되고 짧으면 컨텍스트 스위칭이 잦아져 비용이 증가.
• 로드 밸런서에서 트래픽 분산 알고리즘으로도 사용됨.

SRF

• 실행 시간이 더 짧은 작업이 들어와도 기존 짧은 작업을 모두 수행하고 그 다음 짧은 작업을 이어감.

다단계 큐

• 우선 순위에 따른 준비 큐를 여러개 사용하고 큐마다 라운드로빈이나 FCFS등 다른 스케줄링 알고리즘을 적용한 방법.
• 큐 간의 프로세스 이동이 안되므로 스케줄링 부담이 적지만 유연성이 떨어짐.

• 면접을 위한 CS 전공지식 노트(주홍철 저) -길벗

GET 및 POST는 서버에서 특정 동작을 요청하는 데 사용되는 HTTP 메서드입니다.

GET은 주로 조회할 때 사용되고, 불필요한 요청을 제한하기 위해 요청이 캐시될 수 있습니다. 서버에게 동일한 요청을 여러번 전송하더라도 동일한 응답이 돌아와야 한다는 성질을 가지고 있습니다.

POST는 서버에게 동일한 요청을 여러번 하더라도 응답은 항상 다를 수 있습니다. POST는 주로 서버의 상태나 데이터를 변경할 때 사용하는데 생성에는 POST만을 사용하고 수정과 삭제에는 더 알맞는 메소드를 사용하는 것이 좋습니다.

TCP 3 way handshake는 가상회선을 수립하는 단계입니다.

클라이언트는 서버에 요청을 전송할 수 있는지, 서버는 클라이언트에게 응답을 전송할 수 있는지 확인하는 과정을 통하고 SYN, ACK 패킷을 주고받으며, 임의의 난수로 SYN 플래그를 전송하고 ACK 플래그에 1을 더한 값을 전송합니다.

TCP 4 Way handshake
TCP 4 way handshake는 TCP 연결을 해제하는 단계이다.
클라이언트는 서버에게 연결해제를 통지하고 서버가 이를 확인하여 클라이언트에게 이를 받았음을 알리는 패킷을 전송하여 연결이 해제된다. 이때 서버는 클라이언트에게 소켓이 닫혔다고 통지해도 클라이언트 측에서 일정시간 대기한다. 그 이유는 통지 패킷이 나중에 도착할 수 있기 때문이다.

TCP는 연결 지향형 프로토콜이고 가상 회선을 만들어 흐름제어, 혼잡제어, 오류 제어를 통해 신뢰성을 보장하지만 속도면에서 느리므로 파일 전송과 같은 신뢰성이 중요한 서비스에 이용합니다.

반면 UDP 는 데이터를 데이터그램 단위로 전송하는 프로토콜로 신뢰성을 보장하는 절차는 따로 없지만 빠르게 데이터를 보낼 수 있으며 스트리밍과 같은 연속성이 중요한 서비스에 사용됩니다.

HTTP와 HTTPS 모두 응용 계층에서 클라이언트-서버 간 리소스를 요청하고 제공을 담당하는 프로토콜이다.

HTTP는 서버에서 클라이언트로 전송되는 데이터가 암호화되지 않는 평문 통신을 하기 때문에 도청을 하거나, 완전성을 증명할 수 없기에 변조가 가능하다는 보안 취약점을 가진다. 또한 통신 상대를 확인하지 않기 때문에 위장이 가능하다.

HTTPS는 이러한 HTTP의 단점을 해결합니다. HTTPS는 HTTP의 일반 텍스트에 SSL이나 TLS 프로토콜로 씌워 데이터를 암호화하는 기법으로 인증기관 CA에서 받은 개인키와 암호키를 기반으로 클라이언트와 서버간에 통신의 완전성을 도입합니다.

그 절차는 다음과 같습니다. 첫째로 클라이언트가 서버에게 접속요청을 하면 서버는 CA에서 발급받은 인증서를 보냅니다. 이후 클라이언트는 인증서를 받아 CA의 공개키로 복호화하여 접속 요청 서버가 신뢰할 만한지 검증하고 검증이 완료되면 클라이언트는 대칭키를 생성합니다. 클라이언트는 대칭키를 서버의 공개키로 암호화하여 서버에게 전송한뒤, 서버는 캐인키로 대칭키를 복호화 한뒤 대칭키를 통해 데이터를 주고 받습니다.

이러한 과정을 통해, 기밀성과 무결성, 인증이 가능합니다.

HTTP 1.1은 HTTP 1.0과 다르게 지속 연결이 가능합니다. 이를 통해 네트워크 자원을 최적화할 수 있고 지연시간이 줄어 성능이 향상 합니다. 또 캐싱 기능이 가능하며 상태 코드를 추가하여 클라이언트에서 서버 응답을 구체적으로 대응할 수 있습니다.

HTTP2는 멀티 플렉싱과 헤더 압축 기능 및 서버 푸시가 있습니다.

멀티 플렉싱은 다중 스트림으로 구현하여 채널이 비어있을 때 충돌이 줄어들어 네트워크 효율성을 높입니다. 
헤더 압축은 HPACK이라는 헤더 압축을 이용하여(호프만) 요청 및 응답 헤더 크기를 줄입니다.

서버 푸시는 클라이언트의 요청 없이 서버가 클라이언트에게 리소스를 미리 푸시할 수 있습니다. 이를 통해 웹 페이지 로딩 속도가 빨라집니다.

NAT 네트워크를 사용하면 사이드 이펙트가 있습니다.

기존 라우터는 4계층의 하드웨어로써 전송계층의 port 번호는 보지 못합니다. 하지만 NAT 도입시, 세그먼트에 해당하는 머신에 데이터를 주고 받기위해 포트번호를 라우터가 열람할 수 있게 되어 스푸핑이 일어나 중간자 공격이 일어날 수 있습니다.

또 NAT은 IP 주소와 포트번호를 수정하여 Transport layer의 특징인 end to end 원칙을 위배하고 문제 해결 프로세스를 복잡하게 만들 수 있습니다.

또한 NAT은 오버헤드를 도입하여 트래픽이 많은 네트워크에서 네트워크 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 주소 변환과정에서 네트워크 병목현상이 일어날 수 있습니다. NAT은 공용 IP를 보존하고 IP 주소의 확장성을 제공하지만 보안에 취약합니다.

라우팅 알고리즘은 네트워크 전체에서 효율적이고 안정적인 패킷 라우팅을 보장하기 위해 모든 라우터에서 실행되어야 합니다.

특정 라우터에서만 실행될 경우 라우팅 결정이 최적화 되지 않고 패킷 전달이 비효율적일 수 있습니다. 왜냐하면 각 라우터는 네트워크의 상황에 따라 경로가 실시간으로 변경되어 라우팅 정보를 교환하고 라우팅 테이블을 업데이트하며 네트워크 조건에 따라 새 경로를 계산할 수 있기 때문입니다. 또 모든 라우터에서 라우팅을 실행하면, 로드 밸런싱 기술을 활용할 수 있습니다. 리소스 활용률을 최적화하고 정체를 방지하기 위한 트래픽을 여러 경로로 분산시킵니다. 이를 사용하기 위해 네트워크 트래픽을 각 라우터마다 계산해야하므로 라우팅 알고리즘이 모든 라우터에서 적용되어야 합니다.

이러한 이유로 라우팅 알고리즘은 모든 라우터에서 실행되어야 합니다.

라우팅과 포워딩은 네트워크 레이어의 역할로 패킷을 전달하는 데에 목적이 있습니다. 각각을 살펴보면

라우팅은 데이터 패킷이 네트워크를 통해 대상에 도달할 수 있는 최적의 경로를 결정하는 프로세스입니다. 대상 IP 주소를 기반으로 패킷을 전달해야하는 다음 홉 또는 라우터에 대한 결정을 수행합니다. OSPF나 BGP와 같은 라우팅 알고리즘은 사용가능한 경로 및 관련 메트릭에 대한 정보를 포함하는 라우팅 테이블을 관리하고 업데이트하면서 사용됩니다.

포워딩은 수신 인터페이스에서 송신 인터페이스로 전송하는 프로세스입니다. 라우팅 결정이 이루어지면 대상 IP 주소를 검사하고 각 인터페이스의 IP 주소를 검사하여 가장 길게 맞춰진 인터페이스로 패킷을 전달하여 다음 홉으로 전송합니다.

loopback address는 로컬 장치에서 네트워크 연결을 테스트하는 특수한 IP 주소입니다. 일반적으로 IPv4의 경우 127.0.0.1을 가지고 있으며 네트워크 응용 프로그램이 루프백 주소로 데이터를 보낼 때 기본적으로 자신에게 데이터를 보내는 것입니다. 루프백 주소로 전송되는 네트워크 트래픽을 처리하는 운영체제 내의 소프트웨어 구성 요소인 루프백 드라이버에 연결됩니다.

loopback address는 다양한 용도로 사용됩니다.

루프백 드라이버를 사용하면 루프백 주소로 주소 지정된 네트워크 패킷을 장치 내에서 내부적으로 라우팅할 수 있으므로 실제 물리적 네트워크를 통해 데이터를 전송하지 않고도 네트워크 통신을 시뮬레이션할 수 있습니다. 즉, 루프백 주소로 전송되는 네트워크 트래픽은 IP, TCP 및 UDP와 같은 프로토콜을 포함하여 장치 자체의 네트워크 스택에서 처리됩니다.

개발자는 네트워크 연결 없이 응용 프로그램을 루프백 주소를 이용함으로써 테스트 할 수 있습니다. 트래픽을 로컬 호스트로 유도하여 통신과 서비스가 올바르게 작동하는 지 확인할 수 있습니다. 여기서 네트워크 관련 문제를 확인하며 해결할 수 있고, 외부 네트워크 연결없이 로컬 테스트 및 검증을 수행할 수 있습니다.

default gateway router는 다른 네트워크에서 또는 다른 네트워크로 향하는 네트워크 트래픽의 출입구 역할을 하는 라우터입니다. 주요한 역할로 데이터 패킷의 라우팅을 용이하게 하는 것이 있습니다.

기본 게이트웨이는 서로 다른 네트워크 간의 네트워크 트래픽에 대한 시작 및 종료 지점 역할을 합니다. 로컬 네트워크와 외부 네트워크 간에 데이터를 라우팅하고, 연결을 제공하며, 장치가 다른 네트워크의 장치와 통신할 수 있도록 하며, 로컬 네트워크 외부의 대상으로 데이터를 전송하는 기본 경로 역할을 하며, NAT(네트워크 주소 변환)을 수행합니다, 네트워크를 보호하기 위한 방화벽 기능과 같은 보안 기능을 제공합니다.

라우팅 테이블에 다음 대상에 대한 매핑 정보가 없으면 라우터는 패킷을 전달하기 위한 적절한 넥스트 홉을 결정할 수 없으며 구성된 경우 패킷을 폐기하거나 기본 게이트웨이로 전송합니다.

패킷을 삭제하고 대상에 연결할 수 없음을 나타내는 ICMP(Internet Control Message Protocol) 메시지를 소스로 보낼 수 있습니다. 또는 기본 게이트웨이가 구성된 경우 라우터는 라우팅 테이블의 특정 경로와 일치하지 않는 패킷의 기본 종료 지점 역할을 하는 기본 게이트웨이로 패킷을 전달할 수 있습니다.

응용 계층과 전송 계층 사이의 인터페이스 socket을 이용하여 세그먼트를 프로세스에게 전달합니다. 각 socket에는 매핑되어 있는 port 넘버가 있고, port 넘버는 호스트에서 실행중인 프로세스를 구분합니다. 이 포트 넘버를 소켓에 바인딩하고 데이터를 보낼 때에는 트랜스포트 레이어에서 제공하는 포트 멀티플렉싱을 합니다.

데이터를 받을 때에는 전송계층은 세그먼트 헤더의 대상 포트넘버를 검사하여 디멀티플렉싱을 통해 포트넘버와 연관된 소켓을 찾아 데이터를 넘겨줍니다.

많은 소켓의 생성과 삭제에서 발생할 수 있는 오버헤드를 줄일 방법은 소켓을 풀에 유지하여 관리하는 방법입니다.

연결이 필요한 경우 풀에서 사용 가능한 소켓을 할당하고 연결이 닫히면 다시 풀에 반환하여 관리하면 소켓이 재사용되므로 생성 및 삭제의 오버헤드를 줄일 수 있습니다.

또 다른 방법으로 TCP는 소켓 재사용을 허용하므로 새 소켓을 만들 필요없이 새로운 주소와 포트로 바인딩하여 소켓을 재사용하는 방법이 있습니다. 만약 응용 프로그램에서 허용하는 경우라면 영구 연결을 사용하여 소켓의 생성 및 삭제의 오버헤드를 줄일 수 있습니다.

Selective ack 일 때 N+1번 세그먼트에 대한 ACK가 도착했다는 것은 N에 대해서도 패킷이 도달했다는 것을 알 수 있습니다.

TCP는 accumulative ack로 ack를 매 패킷마다 보내지 않을 수 있고, 순서대로 마지막에 받은 패킷에 대한 ack를 보낼 수 있습니다.

따라서 N+1번 세그먼트에 대한 ACK가 도착했다는 것은 N번 세그먼트에 대해서도 도달했다는 것을 알 수 있고, window사이즈만큼 sliding window를 이동시켜 다음 패킷을 보낼 준비를 합니다.

네트워크 레이어의 목적으로는 크게 라우팅과 포워딩이 있습니다.

라우팅은 출발지에서부터 목적지로까지 최적의 경로를 결정합니다. 라우팅 프로토콜과 알고리즘을 사용하여 정체 및 비용과 같은 요소를 기반으로 최적의 경로를 결정합니다.

포워딩은 라우팅을 통해 최적의 경로가 밝혀지면 결정된 경로를 따라 해킷 헤더의 목적지 주소를 검사하여 long prefix 알고리즘을 바탕으로 다음 노드로 데이터 패킷을 전달하는 역할을 합니다.

전송 계층과 네트워크 계층 모두 체크섬을 사용하여 전송된 데이터의 무결성을 보장합니다. 그러나 체크섬은 다른 용도로 사용됩니다.

TCP 또는 UDP 체크섬과 같은 전송 계층 체크섬은 데이터가 소스 호스트와 대상 호스트 간에 오류 없이 전송되었는지 확인하는 데 사용됩니다. 체크섬은 전송 계층 헤더 및 데이터 필드의 내용을 기반으로 계산됩니다. ⇒ 데이터 포함

반면 IPv4 또는 IPv6 체크섬과 같은 네트워크 계층 체크섬은 데이터가 src 네트워크와 dest 네트워크 간에 오류 없이 전송되었는지 확인하는 데 사용됩니다. 체크섬은 네트워크 계층 헤더 및 데이터 필드의 내용을 기반으로 계산됩니다. ⇒ 헤더 체크

즉, 전송 계층 체크섬은 단일 네트워크 연결 내에서 종단 간 오류 탐지 기능을 제공하는 반면 네트워크 계층 체크섬은 여러 네트워크 연결에 걸쳐 오류 탐지 기능을 제공합니다. 이러한 이중화는 컴퓨터 네트워크에서 데이터 전송의 안정성과 무결성을 보장하는 데 도움이 됩니다.

응용 프로그램에서 TCP/IP 기반으로 생성하는 것으로 응용프로그램과 transport layer를 연결해주는 역할로, 두 머신이 네트워크를 통해 서로 통신할 수 있도록 양쪽에 생성되어 서로 다른 프로세스가 양방향, 실시간 통신을 할 수 있게 해주는 interface입니다.

소켓이 구현됨으로써, 네트워크 및 전송 계층의 캡슐화가 가능해집니다.

HTTP 프로토콜은 connectionless를 지향하고 stateless protocol로써 리소스의 낭비를 줄여주지만 매 통신마다 클라이언트가 인증이 필요합니다.

쿠키와 세션은 이 단점을 보완하는 기술인데 두 기술의 가장 큰 차이는 저장위치로, 쿠키는 클라이언트에 세션은 서버에 저장됩니다. 그래서 쿠키는 빠르지만 보안에 취약하고, 세션은 느리지만 상대적으로 보안성이 좋습니다.

또 쿠키는 브라우저가 종료되어도 남아있지만 세션은 삭제된다는 차이가 있습니다. 따라서 보안성이 중요할때에는 세션을, 종료시에 유지되기 위해서는 쿠키를 사용해야합니다. 하지만 세션의 경우 서버의 자원을 사용하는 것이므로 사용자가 많아지면 자원 관리면에서 문제가 발생할 수 있습니다.

세션은 서버에서 사용자의 id와 pw를 비교하여 세션 저장소에서 세션 id를 넘겨주고 사용자의 정보를 저장합니다. 클라이언트가 서버에게 정보를 보낼때 쿠키에 세션 id를 포함해서 같이 보내 서버는 세션 저장소에서 사용자임을 알 수 있고, 이전에 사용자가 했던 통신을 이어서 할 수 있게 합니다.

JWT는 서버에서 발급하는 것으로, 따로 저장소 없이 사용자의 고유 id 값을 보유하고 서버는 토큰을 검증 이후 조작 여부와 유효기간을 확인합니다. 검증이 완료되면 payload를 디코딩하여 사용자의 id에 맞는 데이터를 가져옵니다.

가장 큰 차이는 Session 저장소에 유저의 정보를 넣는 반면 JWT는 토큰 안에 유저의 정보를 넣습니다.

1. 연결 설정: TCP 3방향 핸드셰이크는 송신자와 수신자 사이의 연결을 설정하는 데 사용됩니다. 여기에는 송신자의 SYN(동기화) 패킷, 수신자의 SYN-ACK(동기화-확인) 패킷 및 송신자의 ACK(확인) 패킷이 포함됩니다.
2. 시퀀스 번호: TCP는 전송된 각 데이터 바이트에 고유한 시퀀스 번호를 할당합니다. 이렇게 하면 수신기가 올바른 순서로 데이터를 재구성할 수 있습니다.
3. ACK: 수신기는 ACK 패킷을 전송하여 데이터의 성공적인 수신을 확인합니다. 보낸 사람이 지정된 시간 초과 기간 내에 ACK를 수신하지 않으면 승인되지 않은 데이터를 재전송합니다.
4. Selective ack 및 Go-Back-N: TCP는 선택적 반복 또는 Go-Back-N 메커니즘을 사용하여 손실되거나 순서가 잘못된 패킷을 처리할 수 있습니다. Selective ack 을 통해 수신기는 특정 손실 패킷을 승인하고 재전송할 수 있는 반면 Go-Back-N은 손실된 패킷 이후 모든 후속 패킷을 재전송해야 합니다.

TCP는 Sliding window를 이용하여 흐름제어를 구현합니다. 수신 측에서 설정한 윈도우 크기만큼 송신측에서 ACK 없이 세그먼트를 전송할 수 있게 데이터를 동적으로 조절하는 기법입니다. 수신측은 윈도우 사이즈가 바뀔때마다 송신측에게 윈도우 사이즈를 보낼 수 있고, 송신측은 그에 따른 데이터 바이트 크기만큼 확인 응답없이 계속해서 보낼 수 있습니다. 만약 ACK가 왔다면 그만큼 윈도우를 이동하면 됩니다.

윈도우 사이즈는 수신측에서 받을 수 있는 바이트 수를 의미하는데 호스트들은 데이터를 보내기 전에 윈도우 사이즈 크기를 수신 호스트의 윈도우 사이즈 크기에 맞춥니다.

따라서 TCP는 window size에 따라 sliding window로 흐름 제어를 구현합니다.

먼저 타임아웃이 있습니다. 송신측에서 설정한 RTO보다 RTT가 더 크면 패킷이 타임아웃되어 손실되었다고 생각하여 패킷을 다시 보냅니다. 해당 방법은 동작이 느리므로 네트워크의 지연을 초래할 수 있습니다.

그 대안으로 Fast Retransmission이 있습니다. Fast Retransmission은 중복된 ACK가 세개가 되었을 시에 송신측에서 패킷이 유실되었다고 하여 패킷을 다시 보내는 것을 말합니다. 또 패킷을 보낼때에는 Go-back-N 방식이 아닌 Selective Retransmission으로 네트워크 리소스를 절약하고 효율성을 향상 시킬 수 있습니다.

TCP는 혼잡제어를 AIMD와 slow start가 있습니다.

AIMD는 처음 패킷을 하나씩 보내고 문제없이 도착하면 window size를 1씩 증가시켜 전송하는 방식입니다. 만약 패킷 전송에 실패하면 그때의 패킷을 절반으로 줄이고 다시 window 사이즈를 1씩 증가합니다. 하지만 이 방법은 초기 네트워크에 많은 리소스를 사용하지 못하므로 많은 시간이 걸립니다.

slow start는 전송 속도를 늦게 올리는 AIMD와 다르게 window size를 지수형태로 증가합니다. 만약 혼잡현상이 발생하면 window 사이즈를 1로 떨어뜨리고 다음 1씩 증가합니다. fast recovery도 있는데 혼잡현상이 발생했을 때 window 사이즈를 1로 낮추는 것이 아닌, window 사이즈를 반으로 낮추어 그 window size에서 1씩 증가하는 방법입니다.

역할과 책임을 갖는 객체들의 결합을 통해 프로그래밍하는 것을 의미합니다. 객체지향의 특징으로는 추상화, 캡슐화, 상속, 다형성이 있습니다. 이를 통해서 변경에 유연한 코드를 작성할 수 있습니다.

객체의 분석하여 상태화 행동을 적절히 추상화 및 캡슐화 하는 것이 중요하다고 생각합니다.

추상화는 복잡한 시스템을 간단하게 표현하기 위해 불필요한 세부 사항을 제거하고 핵심적인 특성만을 강조하는 과정으로, 이를 통해 개발자는 현실 세계의 개념을 모델링할 때 필요한 요소만을 선택하여 클래스를 설계할 수 있습니다.

소프트웨어의 복잡성을 줄이고 시스템을 더욱 직관적으로 이해할 수 있도록 도와주며, 유지보수성과 확장성을 향상시키는 데 필수적인 역할을 합니다.

추상화는 각 도메인에 대해 불필요한 정보를 제거하고, 문제 해결에 필수적인 정보만 남기는 작업이라고 생각합니다.

다형성이란 동일한 메서드나 연산자가 다양한 객체에서 다른 방식으로 동작할 수 있도록 하는 객체지향 프로그래밍의 특성이라고 생각합니다. 

하나의 인터페이스를 구현하는 클래스들에 따라 각 메소드를 다른 방식으로 구현할 수 있습니다.

예를 들어 각 애플리케이션의 특성에 맞게 사용되는 데이터베이스가 있을 때 어떠한 이유로 데이터베이스 엔진이 교체될 때에 JDBC API를 의존하는 클라이언트는 소스코드를 수정하지 않는 것을 의미합니다.

캡슐화란 객체의 상태화 행동을 객체 내부로 숨기는 것입니다. 이로 인해 결합도는 낮춰지고 응집도는 높아집니다.

결합도는 모듈 간의 상호 의존성을 나타내며, 낮은 결합도가 좋은 설계로 여겨지는 반면, 응집도는 하나의 모듈이 얼마나 관련된 기능을 수행하는지를 나타내며 높은 응집도가 바람직하다고 생각합니다.

좋은 코드를 위한 개발 방법으로는 모듈 간의 결합도를 최소화하고, 각 모듈이 독립적으로 기능을 수행할 수 있도록 설계하며, 동시에 각 모듈이 명확한 목적과 관련성을 갖도록 하는 것이 중요합니다.

상속은 객체지향 프로그래밍에서 기존 클래스(부모 클래스)의 속성과 메서드를 새로운 클래스(자식 클래스)가 물려받아 재사용할 수 있게 하는 것입니다.

상속의 장점은 코드의 재사용성을 높이고, 공통적인 기능을 부모 클래스에 정의함으로써 중복 코드를 줄일 수 있다는 점이며, 이를 통해 유지보수와 확장성을 향상시킬 수 있습니다.

반면에 단점으로는 잘못된 상속 관계가 복잡한 계층 구조를 초래할 수 있으며, 부모 클래스의 변경이 자식 클래스에 영향을 미칠 수 있어 시스템의 유연성을 저하시킬 수 있다는 점이 있습니다.