[OS] 컴퓨터 시스템 구조(Computer-System Architecture)

학습할 교재

 

컴퓨터 시스템은 사용된 범용 처리기의 수에 따라 분류 가능한 다양한 방식으로 구성될 수 있는데 오늘은 대표적으로 아래의 세 가지 구성을 살펴보겠습니다.

1. 단일 처리기 시스템(SIngle-Processor Systems)
2. 다중 처리기 시스템(Multiprocessor Systems)
3. 클러스터형 시스템(Clustered Systems)

 

1. 단일 처리기 시스템(Single-Processor Systems)

---

몇 년 전, 대부분의 컴퓨터 시스템은 단일 처리 코어를 가진 하나의 CPU를 포함하는 단일 프로세서를 사용했습니다. 코어는 명령을 실행하고 로컬로 데이터를 저장하기 위한 레지스터를 포함하는 구성요소입니다. 코어를 가진 하나의 메인 CPU는 프로세스의 명령어를 포함하여 범용 명령어 세트를 실행할 수 있습니다. 이 시스템에는 다른 특수 목적 프로세서도 있습니다. 디스크, 키보드 및 그래픽 컨트롤러와 같은 장치별 프로세서 형태로 제공될 수도 있습니다.

 이 모든 전용 처리기들은 제한된 명령어 집합을 실행하고 사용자 프로세스를 실행하지는 않습니다. 때로 이 처리기들은 운영체제에 의해 관리되기도 하는데, 운영체제는 이 처리기들이 수행할 다음 태스크에 대한 정보를 보내고 처리기들의 상태를 감지합니다. 예를 들면 디스크 컨트롤러 마이크로프로세서는 주 CPU로부터 연속된 요청을 받아들여 자기 고유의 디스크 큐와 스케줄링 알고리즘을 구현합니다. 이 배합은 CPU가 직접 디스크 스케줄링을 해야 하는 오버헤드를 감소시킵니다. PC의 키보드는 키스트로크를 CPU에 전송할 코드로 변환하는 마이크로프로세서를 가지고 있습니다. 다른 시스템 또는 환경에서는 전용 처리기가 하드웨어로 구현되는 저수준의 구성요소입니다. 운영체제는 이 처리기들과 통신할 수 없으며 이 처리기들은 독립적으로 자신의 작업을 처리합니다. 전용 마이크로프로세서의 사용은 일반적인 형태이며 그렇다고 단일 처리기 시스템을 다중 처리기 시스템으로 변환하지는 않습니다. 단일 처리 코어를 가진 범용 CPU가 하나만 있는 경우 시스템은 단일 프로세서 시스템입니다. 그러나 이 정의에 따르면, 현대 컴퓨터 시스템은 단일 프로세서 시스템이 거의 없습니다.

 

2. 다중 처리기 시스템(Multiprocessor Systems)

---

모바일 장치에서 서버에 이르기까지 최신 컴퓨터에서는 다중 처리기 시스템이 컴퓨팅 환경을 지배하고 있습니다. 일반적으로 이러한 시스템에는 각각 단일 코어 CPU가 있는 두 개 이상의 프로세서가 있습니다. 프로세서는 컴퓨터 버스 및 때때로 클록, 메모리 및 주변 장치를 공유합니다. 다중 처리기 시스템의 주요 장점은 처리량 증가인데 프로세서 수를 늘리면 더 적은 시간에 더 많은 작업을 수행할 수 있습니다. 그러나 N 프로세서의 속도 향상 비율이 N은 아닙니다. 여러 프로세서가 하나의 작업에 협력할 때 모든 프로세서가 올바르게 작동하게 유지하는 데 일정한 양의 오버헤드가 발생합니다. 이 오버헤드와 공유 자원에 대한 경합은 추가 프로세서의 예상 이득을 낮춥니다.

 가장 일반적인 다중 처리기 시스템은 각 피어 CPU 프로세서가 운영체제 기능 및 사용자 프로세스를 포함한 모든 작업을 수행하는 SMP(symmertic multiprocessing)를 사용합니다. 아래 그림은 각각 자체 CPU를 가지는 두 개의 프로세서가 있는 일반적인 SMP 구조를 보여줍니다.

대칭형 다중 처리 구조

각 CPU 처리기에는 개별 또는 로컬 캐시뿐만 아니라 자체 레지스터 세트가 있습니다. 그러나 모든 프로세서는 시스템 버스를 통해 물리 메모리를 공유합니다. 

 이 모델의 장점은 많은 프로세스를 동시에 실행할 수 있다는 것입니다. N개의 CPU가 있으면 성능을 크게 저하하지 않으면서 N개의 프로세스를 실행할 수 있습니다. 그러나 CPU가 독립적이기 때문에 하나는 유휴 상태이고 다른 하나는 과부화가 걸려 비효율적일 수 있습니다. 프로세서가 특정 자료구조를 공유하는 경우 이러한 비효율성을 피할 수 있습니다. 이 형식의 다중 처리기 시스템을 사용하면 프로세스 및 메모리와 같은 자원을 다양한 프로세서 간에 동적으로 공유할 수 있으며 프로세서 간의 작업 부하 분산을 낮출 수 있습니다. 이러한 시스템은 신중하게 작성해야 합니다.

 다중 처리기의 정의는 시간이 지남에 따라 발전해 왔으며 이제는 여러 개의 컴퓨팅 코어가 단일 칩에 상주하는 다중 코어 시스템을 포함합니다. 칩 내 통신이 칩 간 통신보다 빠르므로 다중 코어 시스템은 단일 코어를 가지는 여러 칩보다 효율적일 수 있습니다. 또한 여러 개의 코어를 가지는 하나의 칩은 여러 개의 단일 코어 칩보다 훨씬 적은 전력을 사용하는데, 이는 노트북뿐만 아니라 모바일 장치의 중요한 문제입니다.

아래 그림은 같은 프로세서 칩에 두 개의 코어를 가지는 이중 코어 설계를 보여줍니다.

하나의 칩에 두 개의 코어를 가지는 이중-코어 설계

 이 설계에서 각 코어에는 자체 레지스터 세트와 레벨1(L1) 캐시라고도 하는 자체 로컬 캐시가 있습니다. 또한 레벨 2(L2) 캐시는 칩에 국한되지만 두 처리 코어에서 공유합니다. 아키텍처 대부분은 로컬 및 공유 캐시를 결합한 이 접근 방식을 채택하는데 로컬 하위 레벨 캐시는 일반적으로 상위 레벨 공유 캐시보다 작고 빠릅니다. 캐시, 메모리 및 버스 경합과 같은 아키텍처 고려 사항 외에도 N 코어를 가지는 다중 코어 프로세서는 운영체제에 N개의 CPU처럼 보입니다. Windows, macOS 및 Linux를 포함한 거의 모든 최신 운영체제는 물론 Android 및 iOS 모바일 시스템도 다중 코어 SMP 시스템을 지원합니다.

 

3. 클러스터형 시스템(Clustered Systems)

---

 여러 CPU를 가진 시스템의 또 다른 유형은 클러스터형 시스템입니다. 클러스터 시스템은 둘 이상의 독자적 시스템 또는 노드들을 연결하여 구성한다는 점에서 다중 처리기 시스템과 차이가 납니다. 각 노드는 통상 다중 코어 시스템인데 이러한 시스템은 약결합(loosely coupled)이라고 간주됩니다. 클러스터형(clustered)의 정의는 분명하지 않습니다. 많은 상업용 패키지와 공개 소스 패키지들은 클러스터 시스템을 정의하고 왜 한 형태가 다른 형태보다 좋은지에 대한 문제에 답을 제시하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 일반적으로 받아들여지는 정의에 의하면 클러스터 컴퓨터는 저장장치를 공유하고 근거리 통신망(LAN)이나 InfiniBand와 같은 고속의 상호 연결망(interconnect)으로 연결됩니다.

 클러스터링은 통상 높은 가용성(availability)을 제공하기 위해 사용됩니다. 즉, 클러스터 내 하나 이상의 컴퓨터 시스템이 고장 나더라도 서비스는 계속 제공됩니다. 일반적으로 높은 가용성은 시스템에 중복 기능을 추가함으로써 얻어집니다. 클러스터 소프트웨어 중 한 층이 클러스터 노드에서 실행됩니다. 각 노드는 하나 이상의 다른 노드(네트워크로 연결되어 있는)들을 감시합니다. 만일 감시받던 노드가 고장나면 감시하던 노드가 고장 난 노드의 저장장치에 대한 소유권을 넘겨받고, 그 노드에서 실행 중이던 응용 프로그램을 다시 시작합니다. 사용자와 응용프로그램의 클라이언트는 잠깐의 서비스 중단만을 경험하게 됩니다. 

 높은 가용성은 안정성을 향상해 많은 응용 프로그램에서 중요합니다. 남아 있는 하드웨어 수준에 비례하여 서비스를 계속 제공하는 기능을 우아한 성능 저하(graceful degaradation)라고 합니다. 일부 시스템은 정상적인 성능 저하를 넘어 단일 구성요소에 오류가 발생하여도 계속 작동할 수 있으므로 결함허용 시스템이라고 합니다. 결함허용에는 장애를 감지, 진단 및 가능한 경우 수정할 수 있는 기법이 필요합니다. 

 클러스터링은 비대칭적으로 또는 대칭적으로 구성될 수 있습니다. 비대칭형 클러스터링에서는 다른 컴퓨터들이 응용 프로그램을 실행하는 동안 한 컴퓨터는 긴급 대기(hot-standby) 모드 상태를 유지합니다. 이 긴급 대기 모드의 호스트는 활성 서버들을 감시하는 작업만을 수행합니다. 서버가 고장 난다면 긴급 대기 모드의 호스트가 활성 서버가 됩니다. 대칭형 클러스터링에서는 둘 이상의 호스트들이 응용 프로그램을 실행하고 서로를 감시합니다. 가용한 하드웨어를 모두 사용하기 때문에 대칭형 구성이 더 효율적입니다. 대칭형 구성이 효율적으로 동작하기 위해서는 하나 이상의 응용 프로그램들이 실행 가능해야 합니다. 

 한 클러스터가 네트워크로 연결된 다수의 컴퓨터 시스템으로 구성되므로 클러스터는 고성능 계산환경을 제공하도록 사용될 수 있습니다. 이러한 시스템은 클러스터 내의 모든 컴퓨터에서 응용을 병렬 수행할 수 있으므로 단일 처리기나 SMP 시스템보다 훨씬 큰 계산 능력을 제공할 수 있습니다. 그렇지만 응용이 클러스터를 이용할 수 있도록 작성되어야 합니다. 이는 병렬화라는 기법으로 프로그램을 컴퓨터의 개별 코어에서 혹은 클러스터의 각 컴퓨터에서 수행되는 분리된 요소로 나누는 작업을 포합합니다. 전형적으로 이들 응용은 클러스터의 각 계산 노드가 문제 일부를 해결한 후 모든 노드의 결과를 결합하여 최종 해답을 얻게 됩니다.

 다른 형태의 클러스터로 병렬(parallel) 클러스터와 WAN을 이용한 클러스터링이 있습니다. 병렬 클러스터는 여러 호스트가 공유 저장장치상의 동일한 데이터에 접근할 수 있게 합니다. 운영체제의 대부분이 여러 호스트에 의한 이러한 동시 접근을 지원하지 않으므로 병렬 클러스터는 특수 소프트웨어 버전과 특별히 발매된 응용으로 달성됩니다. 예를 들면, Oracle Real Application Cluster는 병렬 클러스터에서 수행하도록 설계된 Oracle의 데이터베이스 버전이다. 각 기계는 Oracle을 수행하고 하나의 소프트웨어 층이 공유 디스크에 대한 접근을 관리합니다. 각 기계는 데이터베이스 내의 모든 데이터에 대한 완전한 접근을 합니다. 데이터에 대한 공유 접근을 제공하기 위하여, 시스템은 접근간의 충돌이 발생하지 않는 것을 보장하기 위하여 접근 제어와 잠금 기법을 제공해야 합니다. 분산 잠근 관리자(distributed lock manager, DLM)라고 불리는 이 기능은 몇몇의 클러스터 기술에 포함되어 있습니다.

 클러스터 기술은 급변하고 있습니다. 어떤 클러스터 제품은 수 킬로미터 떨어진 클러스터 노드들뿐 아니라 한 클러스터 안에서 수천 개의 노드를 지원합니다. 이러한 개선은 스토리지 전용 네트워크(storage-area network, SAN)에 의해 가능해졌습니다. SAN은 여러 호스트를 여러 저장장치에 부착할 수 있게 합니다. 만일 응용과 데이터가 SAN에 저장된다면 클러스터 소프트웨어는 SAN에 연결된 임의의 호스트에서 수행되도록 응용을 배정할 수 있습니다. 호스트가 고장 나면 다른 호스트가 그 응용을 넘겨 받습니다. 데아터베이스 클러스터에서는 수십 개의 호스트가 동일한 데이터베이스를 공유할 수 있기 때문에 성능과 신뢰도를 매우 증가시키게 됩니다. 아래 그림은 클러스터 시스템의 일반 구조를 보입니다. 

클러스터 시스템의 일반적인 구조

 

요약하자면 아래와 같습니다.

1. 최신 컴퓨터 아키텍처는 각 CPU에 여러 컴퓨팅 코어가 포함된 다중 처리기 시스템이다.
2. CPU를 최대한 활용하기 위해 최신 운영체제는 다중 프로그래밍을 사용하여 여러 작업을 동시에 메모리에 적재할 수 있으므로 항상 CPU가 실행할 작업이 있게 보장한다.