11 OS - 분산 및 다중 처리 시스템

01. 분산시스템

1. 분산시스템/네트워크

• 분산처리는 여러 컴퓨터 사용자들이 네트워크로 연결되어 서로 데이터를 주고받으며 협력해서 작업을 수행하는 시스템
• 네트워크는 서로 독립된 시스템들이 빠른 통신 채널을 통해 상호 통신할 수 있도록 지원하는 데이터 통신 구조

2. 시스템 구성

• 약결합 (Loosely Coupled) 시스템
  • 독립적인 시스템 여러 대를 통신선으로 연결
  • 각 시스템은 자체 메모리와 운영체제를 가지고 독립적 운영
  • 예: 분산시스템, 클러스터
• 강결합 (Tightly Coupled) 시스템
  • 여러 프로세서가 메모리를 공유하는 다중처리 시스템
  • 하나의 운영체제 아래에서 협력 수행
  • 예: SMP(Symmetric Multiprocessing) 시스템 => 멀티프로세서

3. 네트워크 구조

구조 형태	설명	예시
망 구조	모든 노드가 서로 직접 연결됨	군사 통신망, 고신뢰성 금융망 등
트리 구조	계층적 구조, 루트 노드에서 분기	기업의 조직망, DNS 구조 등
성형 구조	중앙 허브를 중심으로 모든 노드가 연결	이더넷 LAN (허브 기반)
링 구조	노드들이 고리처럼 연결되어 데이터가 순환	FDDI, 토큰 링 네트워크
버스 구조	하나의 통신선(버스)에 모든 노드가 공유 연결됨	초기 이더넷, CAN 통신 (자동차)

4. 원격프로시저

| 항목 | 설명| | —————- | —————– | | 원격 프로시저 | 컴퓨터에서 실행하는 프로세스를 다른 컴퓨터에서 실행하는 프로세스의 프로시저(함수)가 호출할 수 있게 하는 것| | 스터브(Stub)| 전송 데이터를 준비(마샬링)하고, 수신 데이터를 변환(언마샬링)해서 올바르게 해석할 수 있도록 지원하는 모듈| | 마샬링(Marshalling) | 데이터를 네트워크 전송용 형식으로 변환하는 과정 (직렬화)|

• 원격 호출 과정 1) 클라이언트가 함수 호출 → 2) 클라이언트 스터브가 마샬링 → 3) 네트워크 전송 → 4) 서버 스터브가 언마샬링 → 5) 서버 함수 실행 → 6) 서버 스터브가 결과 마샬링 → 7) 네트워크 응답 → 8) 클라이언트 스터브가 결과 언마샬링 → 9) 클라이언트에 결과 전달

5. 분산시스템의 목적

목적	설명
자원 공유	여러 컴퓨터의 하드웨어, 소프트웨어, 데이터 등을 공유하여 효율성 극대화
병렬 처리	작업을 여러 노드에 분산시켜 동시에 처리함으로써 처리 속도 향상
신뢰성 향상	일부 노드 고장 시에도 전체 시스템이 계속 작동하도록 내결함성 확보
확장성	노드를 추가해 시스템 처리 능력과 저장 용량을 쉽게 확장 가능
투명성	사용자나 애플리케이션이 분산된 여러 컴퓨터를 하나의 시스템처럼 인식하도록 지원 (위치, 접근, 동시성 투명성 등)
유연성 및 확장성	다양한 환경과 요구에 맞게 시스템 변경 및 확장 가능

02.네트워크 운영체제 / 분산 운영체제

구분	설명	특징 및 역할	예시
네트워크 운영체제	여러 컴퓨터가 네트워크로 연결되어 자원 공유를 지원하는 OS	각 컴퓨터가 독립적으로 운영, 자원 공유 중심	Windows Server, Novell NetWare
분산 운영체제	여러 컴퓨터를 하나의 통합된 시스템처럼 관리하는 OS	자원과 작업을 통합 관리, 투명성 제공	Amoeba, Mach, Plan 9

03. 네트워크 운영체제

1. 네트워크 운영체제

• 여러 대의 컴퓨터를 네트워크로 연결해 자원(파일, 프린터, 사용자 계정 등)을 공유하고 관리할 수 있게 해주는 운영체제
• 윈도우 서버(Windows Server) / 노벨 넷웨어(Novell NetWare) / 유닉스/리눅스 기반 서버 OS / Mac OS 서버(Mac OS X Server)

2. 주요기능

주요 기능	설명
자원 공유	네트워크 상에서 파일, 프린터, 저장장치 등 자원을 여러 사용자가 공동으로 사용 가능
접근 권한 부여	사용자 인증 및 권한 관리를 통해 네트워크 자원에 대한 접근 통제
파일 전송	네트워크를 통해 파일을 안전하고 효율적으로 전송하는 기능 제공
데이터 보호	데이터 암호화, 백업, 무결성 검사 등 보안 기능 지원
관리 및 제어	네트워크 구성, 사용자 계정, 보안 정책, 자원 할당 등을 중앙에서 관리 및 모니터링

3. 운용 방법

• 피투피(Peer To Peer)모델
  • 특징
    • 네트워크에 참여하는 모든 노드(피어)가 동등한 권한을 가지고 서로 자원을 직접 공유
    • 중앙 서버 없이 각 노드가 클라이언트이자 서버 역할을 동시에 수행
    • 분산된 구조로 장애에 강하고 확장성이 좋음
  • 장점
    • 중앙 서버 부하 없음
    • 노드 추가/삭제가 자유로워 유연함
    • 비용 절감 가능
  • 단점
    • 보안 관리가 어려움
    • 자원 검색 및 관리가 복잡할 수 있음
  • 파일 공유 / 분산 저장소 / 블록체인 및 암호화폐 / 실시간 통신
• 클라이언트/서버 모델
  • 특징
    • 네트워크에서 서버는 자원을 제공하고 클라이언트는 요청하는 역할로 명확히 구분
    • 서버는 중앙 집중식으로 자원을 관리
    • 클라이언트는 사용자 인터페이스 및 요청 전달 담당
  • 장점
    • 중앙 집중식 관리로 보안과 자원 관리 용이
    • 역할 분담으로 시스템 구조가 명확
    • 유지보수 및 확장 용이
  • 단점
    • 서버에 장애가 발생하면 서비스 전체에 영향
    • 서버 부하 집중 가능

04. 분산 운영체제

1. 분산운영체제

• 물리적으로 분리된 다수의 컴퓨터 시스템(노드)을 네트워크로 연결하여, 사용자에게는 하나의 통합된 시스템처럼 보이도록 자원과 작업을 통합 관리하는 운영체제.
• 특징
  • 투명성 (Transparency): 위치 투명성, 접근 투명성, 복제 투명성, 병행성 투명성 등.
  • 확장성 (Scalability): 노드 수가 증가해도 시스템이 성능을 유지함.
  • 고가용성 (High Availability): 장애 발생 시에도 서비스 지속 가능.
• 제어 요소
• 데이터 이동 (Data Migration): 자원 근처로 데이터를 옮겨 I/O 병목을 줄임.
• 연산 이동 (Computation Migration): 데이터가 위치한 노드로 연산을 이동시켜 네트워크 부하 최소화.
• 프로세스 이동 (Process Migration): 부하 균형, 자원 접근 최적화를 위해 프로세스 자체를 다른 노드로 이동.
• 소프트웨어 이익 (Software Advantages): 자원 공유 최적화 / 작업 병렬화 / 시스템 신뢰도 증가

2. 분산 운영체제의 구현

• 프로세스 기반 (Process-based)
  • 분산 노드 간에 독립적인 프로세스를 생성하고 통신 및 동기화 기법을 통해 상호작용.
  • 예시: Amoeba, Mach
• 객체 기반 (Object-based)
  • 각 노드를 객체로 추상화하고, 분산 객체 간의 원격 메서드 호출(RMI)을 통해 기능 수행.
  • 객체 식별자, 위치 투명성을 위한 미들웨어 필요 (예: CORBA, Java RMI)
  • 모듈화가 용이하고 유지보수성 우수

3. 분산 시스템에서프로세스 관리

• 자원 할당 교착 상태 (Resource Allocation Deadlock)
  • 분산 환경에서 자원을 둘 이상의 노드가 공유할 때 교착상태(Deadlock) 발생 가능성 존재.
  • 예방 (Prevention)
    • 자원 요청 순서를 정하고 위반하지 않도록 설계.
    • 예: 은행원 알고리즘처럼 자원 할당 시점에서 미리 조건 점검.
  • 탐지 (Detection)
    • Wait-for Graph 또는 Probe 알고리즘 등을 사용해 주기적으로 탐지.
    • 노드 간 정보를 주고받으며 탐지 수행.
  • 회피 (Avoidance)
    • 시스템이 안전 상태(Safe State)를 유지할 수 있는 자원 할당만 허용.
    • 실시간 자원 상태 및 요청 추적 필요.
  • 복구 (Recovery)
    • 교착 상태 발견 시 프로세스 종료 또는 자원 강제 회수(Preemption).
    • 비용이 크므로 마지막 수단으로 사용.
• 메시지 전송 교착상태
  • 메시지 기반 통신에서 프로세스 간의 상호대기 또는 버퍼 고갈로 인해 교착 상태가 발생할 수 있음.
  • 상호대기 (Mutual Wait)
    • A가 B의 메시지를 기다리고, B도 A의 메시지를 기다릴 경우.
  • 메시지 할당 버퍼 불충분 (Insufficient Message Buffers):
    • 송신자가 비동기 메시지를 보내려는데, 수신 측에서 수신 버퍼가 꽉 찬 경우.
    • 해결책: 무한 버퍼는 현실적으로 불가능 → 제한 버퍼 모델 + Flow Control 필요. 메시지 우선순위 및 큐 관리 필요.

05. 클라이언트/서버분산 컴퓨팅

1. 클라이언트/서버분산 컴퓨팅

• 클라이언트/서버 모델은 분산 컴퓨팅 환경에서 서비스 제공자(서버)와 서비스 요청자(클라이언트) 가 명확하게 역할을 나누는 구조.
• 클라이언트는 사용자 인터페이스(UI)와 일부 로직을 담당하고, 서버는 데이터 처리 및 저장, 핵심 비즈니스 로직 수행.
• 네트워크를 통해 양자는 메시지를 주고받으며 동작.

2. 2계층 클라이언트/서버 구조 (Two-Tier Architecture)

• 팻 클라이언트 (Fat Client)
  • 클라이언트 측에서 UI + 일부 애플리케이션 로직 + 데이터 요청 처리까지 수행
  • 서버는 주로 DBMS(DataBase Management System) 역할만 수행
  • 구형 데스크탑 애플리케이션 (ex. 엑셀 + Access 연동)
  • 클라이언트에서 많은 로직 수행 가능 → 빠른 응답
  • 유지보수 어려움, 클라이언트 사양 높아야 함
• 씬 클라이언트 (Thin Client)
  • 클라이언트는 UI 렌더링 및 사용자 입력만 처리
  • 서버가 비즈니스 로직 + 데이터 처리 전부 담당
  • 웹 브라우저 기반 애플리케이션 (HTML/CSS/JS 프론트)
  • 클라이언트 부담 적고 유지보수 용이
  • 서버에 부하 집중, 네트워크 의존성 높음

3. 3계층 클라이언트/서버 구조 (Three-Tier Architecture)

• 프리젠테이션(UI) - 애플리케이션 로직 - 데이터를 각기 다른 계층에 분리하여 설계
  • 클라이언트 계층 (Presentation Tier)
    • 사용자 인터페이스, 사용자 입력 처리 (웹 브라우저, 앱 UI 등)
  • 애플리케이션 계층 (Application/Logic Tier)
    • 비즈니스 로직, 보안 처리, 검증, 트랜잭션 관리
    • 일반적으로 웹서버(Spring, Express 등) 또는 애플리케이션 서버(JBoss, WebLogic)
  • 데이터 계층 (Data Tier)
    • 데이터베이스 관리, 데이터 저장 및 검색
    • RDBMS(MySQL, Oracle), NoSQL 등

4. 클라이언트/서버 구조와 미들웨어 (Middleware)

• 미들웨어(Middleware)는 클라이언트와 서버 간 통신, 데이터 교환, 세션 유지, 로드밸런싱 등을 중재하고 지원하는 소프트웨어 계층
• 역할
  • 통신 관리: TCP/IP, 메시지 큐, RPC, RMI, SOAP, REST API 등
  • 세션 및 트랜잭션 관리: 클러스터 환경에서도 상태 유지
  • 보안 처리: 인증, 인가, 암호화
  • 서비스 디스커버리 및 로드밸런싱: 마이크로서비스 환경에서 중요
• 예시
  • WebSphere, JBoss, Tomcat (애플리케이션 서버)
  • Kafka, RabbitMQ (메시지 큐 기반)
  • gRPC, REST API, Spring Cloud Gateway, Zuul

3. 다중 처리 운영체제

1. 다중 처리 시스템

• Multiprocessing OS는 다수의 프로세서(CPU)를 관리하고, 이를 통해 병렬로 태스크(프로세스 또는 스레드)를 수행함.
• 단일 CPU 시스템과 달리 여러 CPU가 독립적으로 작업을 실행할 수 있어 처리량(Throughput)이 증가함.
• 특징
  • 병렬성(Parallelism): 여러 작업을 동시에 수행 → 응답시간 및 처리속도 향상
  • 부하분산(Load Balancing): 작업을 여러 CPU에 균등하게 분산 가능
  • 신뢰성 향상(Fault Tolerance): 하나의 CPU가 고장나도 다른 CPU가 작업을 이어받을 수 있음
  • 자원 공유(Resource Sharing): 모든 CPU가 공통 메모리와 디바이스를 공유하는 경우가 많음
• 종류

구조 유형	특징	장점	단점	예시
공동 버스 시스템	모든 CPU와 메모리가 하나의 버스를 공유	구조 단순, 구현 쉬움	버스 병목, 확장성 낮음	초기 SMP 시스템
크로스바 교환 행렬	각 CPU-메모리 쌍을 스위치 행렬로 직접 연결	병목 없음, 동시 접근 가능	스위치 수 많음 → 고비용	슈퍼컴퓨터, 고급 서버
다중 포트 메모	메모리에 여러 포트 존재 → 여러 CPU가 동시에 접근 가능	충돌 줄고 병목 감소	하드웨어 복잡, 포트 수 제한	중간급 성능 시스템
하이퍼큐브 시스템	CPU 노드를 n차 하이퍼큐브 구조로 연결, 각 노드는 n개 연결	높은 확장성, 메시지 전달 효율적	구조 복잡, 연결 알고리즘 필요	병렬 클러스터, 고성능 컴퓨팅

2. 다중 처리시스템의 운영체제

운영체제 유형	특징	확장성	신뢰성	자원 공유	사용 예시
주종 운영체제	마스터 CPU가 제어, 슬레이브는 명령만 수행	낮음	낮음	제한적	초기 임베디드, 제어 시스템
분리 실행	각 CPU가 독립된 OS 실행, 통신은 메시지 기반	높음	중간	없음	분산 시스템, loosely-coupled 환경
대칭(SMP) 운영체제	모든 CPU가 하나의 OS 공유, 작업 균등 처리	중간~높음	높음	공유 메모리	현대 멀티코어 시스템, 서버

3. 클러스터

클러스터 유형	목적 및 특징	장점	단점	사용 예시
클러스터 구조 (기본형)	여러 노드를 네트워크로 연결해 하나의 시스템처럼 동작	확장 용이, 비용 대비 성능 우수	구성 및 관리 복잡	일반 서버 클러스터
고성능 클러스터 (HPC)	병렬 계산에 특화된 클러스터, CPU·GPU 연산 집중	대규모 계산 가능, 처리 속도 높음	고속 네트워크, 병렬 처리 설계 필요	과학연산, AI 학습, 시뮬레이션
부하분산 클러스터	요청을 여러 노드에 분산 처리해 응답 속도 향상	트래픽 증가 대응, 확장성 우수	상태 공유 어려움, 동기화 이슈	웹 서버, API 서버 등
고가용성 클러스터 (HA)	노드 장애 시 다른 노드가 서비스 자동 인계 (Failover)	다운타임 최소화, 연속성 보장	구성 복잡, 장애 감지/전환 설계 필요	금융, 병원, 공공서비스 시스템

4. 다중처리시스템과 클러스터

항목	다중처리 시스템 (SMP)	클러스터 시스템 (Cluster)
CPU 구성	하나의 시스템에 다수 CPU	여러 시스템(CPU) 네트워크 연결
OS	하나의 OS 인스턴스	각 노드에 독립된 OS
통신 방식	공유 메모리	메시지 패싱(네트워크)
확장성	낮거나 제한적	상대적으로 높음
주요 목적	빠른 병렬 처리	고가용성, 부하분산, 확장성