The UNIX Time-Sharing System

요약

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Dennis M. Ritchie 와 Ken Thompson의 1974년 7월 논문.

요약

UNIX는 Digital Equipment Corporation PDP-11/40 과 11/45 컴퓨터를 위한 범용(General-purpose), 다중 사용자(Multi-user), 대화형(Interactive) 운영체제이다.
이 운영체제는 다음과 같은 특징을 가지고 있으며, 이는 대형 OS에서도 찾아보기 힘든 다양한 기능들이다.
- (1) 분리 가능한 볼륨을 포함하는 계층적 파일 시스템
- (2) 호환 가능한 파일, 장치, 프로세스 간 I/O
- (3) 비동기 프로세스를 시작할 수 있는 능력
- (4) 사용자별로 선택 가능한 시스템 명령어 언어
- (5) 12개의 언어를 포함한 100개 이상의 서브시스템
이 논문은 파일 시스템과 사용자 명령어 인터페이스의 특성과 구현에 대해 설명한다.

1. Introduction

서론

UNIX 에는 3가지 버전이 있다.

초기 버전은 1969-1970년경에 PDP-7, PDP-9 컴퓨터에서 동작했다.
두 번째 버전은 보호되지 않은 PDP-11/20 컴퓨터에서 동작했다.
이 논문은 PDP-11/40, /45 시스템에 대해서만 설명한다.
- 이 시스템이 최신이고, 이전 UNIX 시스템에서 부족하거나 결여된 기능들을 재설계한 것이다

1971년 2월에 PDP-11 UNIX가 운영되기 시작했고, 이후 UNIX는 40번 설치됐다.

이 시스템은 일반적으로 이 논문에서 설명하는 시스템보다 작다.
이들 대부분은 다음과 같은 용도로 사용되고 있다.
- 특허 신청서 및 기타 텍스트 자료의 준비 및 서식 지정
- 벨 시스템 내의 다양한 교환기에서 발생하는 문제 데이터의 수집 및 처리
- 전화 서비스 주문의 기록 및 확인
- OS, 언어, 컴퓨터 네트워크 및 컴퓨터 과학의 다른 주제에 대한 연구과 문서 작성

UNIX의 가장 중요한 성과는, 장비/인력 등에 많은 비용을 들이지 않아도 강력한 대화형 운영체제를 만들 수 있다는 것을 보여준 것이다.

UNIX는 4만 달러에 구입할 수 있는 장비에서 동작할 수 있다.
메인 시스템 소프트웨어 개발에는 2 man/year 이하가 소요되었다.
UNIX는 대형 시스템에서도 찾아보기 힘든 다양한 기능들을 가지고 있다.
- 하지만 UNIX의 가장 중요한 특징은 간결함, 우아함, 사용의 용이함이다.

시스템 자체 외에도 UNIX에서 사용 가능한 주요 프로그램은 다음과 같다.

어셈블러
QED 기반의 텍스트 편집기 [2]
링킹 로더
심볼릭 디버거
타입 및 구조(C)를 갖는 BCPL [3]과 유사한 프로그래밍 언어의 컴파일러
BASIC 방언용 인터프리터
텍스트 포매팅 프로그램
Fortran 컴파일러
Snobol 인터프리터
하향식(top-down) 컴파일러-컴파일러 (TMG) [4]
상향식(bottom-up) 컴파일러-컴파일러 (YACC)
서식 문자 생성기
매크로 프로세서 (M6) [5]
순열 색인 프로그램

그 외에도 유지보수, 유틸리티, 레크리에이션, 재미 용도의 프로그램들이 있다.

이 모든 프로그램들은 로컬에서 작성되었다.
UNIX 시스템은 완전히 자체 지원(self-supporting)되는 것이다.
- 모든 UNIX 소프트웨어는 UNIX에서 유지보수된다.
- UNIX 문서도 UNIX 편집기와 텍스트 포매팅 프로그램에 의해 생성되고 서식이 지정된다.

2. Hardware and Software Environment

하드웨어 및 소프트웨어 환경

우리의 UNIX 설치가 구현된 PDP-11/45는 16비트 워드(8비트 바이트) 컴퓨터이며, 144K 바이트의 코어 메모리를 가지고 있다.
- UNIX는 42K 바이트를 차지한다.
- 하지만 이 시스템은 매우 많은 장치 드라이버를 포함하고 있다.
- 또한 I/O 버퍼와 시스템 테이블에 대한 공간이 넉넉하게 할당되어 있다.
위에서 언급한 소프트웨어를 실행할 수 있는 최소 시스템은 총 50K 바이트의 코어만 있어도 된다.

PDP-11 의 스펙

1M 바이트의 고정 헤드 디스크
- 파일 시스템 저장 및 스왑에 사용된다.
2.5M 바이트의 이동식 디스크 카트리지를 제공하는 4개의 이동 헤드 디스크 드라이브
40M 바이트의 이동식 디스크 팩을 사용하는 단일 이동 헤드 디스크 드라이브
고속 종이 테이프 리더-펀치
9트랙 자기 테이프
D-테이프
- (개별 레코드를 주소 지정하고 재작성할 수 있는 일종의 자기 테이프 장치)
콘솔 타자기
14개의 가변 속도 통신 인터페이스
- 100 시리즈 데이터셋에 연결
201 데이터셋 인터페이스
- 주로 공동 라인 프린터에 출력을 스풀링하는 데 사용
Picturephone® 인터페이스
음성 응답 장치
음성 합성기
포토 타입 세터
디지털 스위칭 네트워크
Tektronix 611 저장관 디스플레이에 벡터, 곡선 및 문자를 생성하는 위성 PDP-11/20

대부분의 UNIX 소프트웨어는 위에서 언급한 'C 언어'로 작성되었다.

초기 버전의 운영체제는 어셈블리어로 작성되었다.
- 하지만 1973년 여름에 C로 다시 작성되었다.
- 새로운 시스템의 크기는 이전 시스템보다 약 1/3 정도 더 크다.
새로운 시스템은 이전 시스템보다 이해하고 수정하기가 훨씬 쉽다.
- 또한 다중 프로그래밍과 여러 사용자 프로그램 간에 재진입 코드를 공유할 수 있는 기능을 포함하여 많은 기능적 개선 사항이 포함되어 있다.
- 따라서 우리는 이 크기의 증가를 꽤 허용할만하다고 생각했다.

3. The File System

파일 시스템

UNIX의 가장 중요한 역할은 파일 시스템을 제공하는 것이다.

사용자의 관점에서 보면 세 가지 종류의 파일이 있다.
- 일반 디스크 파일
- 디렉토리
- 특수 파일

3.1 Ordinary Files

파일에는 사용자가 저장한 모든 정보가 포함된다.
- 예를 들어, 심볼릭 또는 바이너리(오브젝트) 프로그램이 있다.
시스템은 특정한 구조를 미리 요구하지 않는다.
텍스트 파일은 단순히 문자열로 구성되어 있으며, 줄은 줄바꿈 문자로 구별한다.
바이너리 프로그램은 프로그램이 실행을 시작할 때 코어 메모리에 나타나는 단어의 시퀀스이다.
일부 사용자 프로그램은 더 많은 구조를 가진 파일을 조작한다.
- 어셈블러는 특정 형식의 오브젝트 파일을 생성하고 로더는 특정 형식의 오브젝트 파일을 기대한다.
그러나 파일의 구조는 사용하는 프로그램에 의해 제어되며, 시스템에 의해 제어되지 않는다.

3.2 Directories

디렉토리는 파일의 이름과 파일 자체 사이의 매핑을 제공하여, 파일 시스템 전체에 구조를 유도하는 역할을 한다.

각 사용자는 자신의 파일 디렉토리를 가지고 있다.
사용자는 그룹으로 편리하게 처리할 수 있는 파일을 포함하는 하위 디렉토리를 생성할 수도 있다.
디렉토리는 일반 파일과 정확히 같은 방식으로 작동한다.
- 그러나 일반 프로그램은 디렉토리를 쓸 수 없으므로 시스템이 디렉토리의 내용을 제어한다.
- 그러나 적절한 권한을 가진 사용자는 다른 파일과 마찬가지로 디렉토리도 읽을 수 있다.

시스템은 스스로 사용할 용도의 여러 디렉토리를 관리한다.

이 중 하나가 바로 root 디렉토리다.
- 시스템의 모든 파일은 원하는 파일에 도달할 때까지 디렉토리 체인을 따라 경로를 추적함으로써 찾을 수 있다.
- 이러한 검색의 시작점은 종종 root이다.
다른 시스템 디렉토리에는 일반적으로 사용되는 모든 프로그램(즉, 모든 명령)이 포함되어 있다.
- 그러나 프로그램이 실행되기 위해 이런 디렉토리들에 반드시 존재해야 하는 것은 결코 아니다.

파일명과 경로에 대하여

파일명은 14글자 이하의 문자열로 지정된다.
파일의 이름이 시스템에 지정되면, 이는 경로 이름의 형태일 수 있다.
- 경로 이름은 슬래시 /로 구분된 디렉토리 이름의 시퀀스로 구성되며, 파일 이름으로 끝난다.
- 시퀀스가 슬래시로 시작하면 검색은 root 디렉토리부터 시작된다.
- /alpha/beta/gamma 라는 이름은 시스템이 root에서 디렉토리 alpha를 검색하고, alpha에서 beta를 검색하고, 마지막으로 beta에서 gamma를 찾도록 한다.
- gamma는 일반 파일, 디렉토리 또는 특수 파일일 수 있다.
- /라는 이름은 root 자체를 가리킨다.
/로 시작하지 않는 경로 이름은 시스템이 사용자의 현재 디렉토리에서 검색을 시작하도록 한다.
- 따라서 alpha/beta 라는 이름은 현재 디렉토리의 하위 디렉토리 alpha에 있는 beta라는 이름의 파일을 지정한다.
- 가장 간단한 종류의 이름인 alpha는 현재 디렉토리에 있는 파일을 가리킨다.
- 다른 한편으로, null 파일 이름은 현재 디렉토리를 가리킨다.

디렉토리와 링크에 대하여

디렉토리가 아닌 동일한 파일이 여러 디렉토리에 다른 이름으로 표시될 수 있다.
- 이 기능을 링크(linking)라고 한다.
- 링크는 파일에 대한 디렉토리 항목이다.
UNIX에서 링크를 허용하는 다른 시스템들과 다른 특징을 갖고 있다.
- UNIX의 링크는 모두 동등한 상태를 갖는다.
- 즉, 파일은 특정 디렉토리 내에 존재하지 않는다.
  - 파일에 대한 디렉토리 항목은 단지 '파일의 이름'과 실제로 파일을 설명하는 정보를 가리키는 '포인터'로 구성된다.
  - 따라서 파일은 디렉토리 항목과 독립적으로 존재한다.
  - 파일은 마지막 링크가 사라지게 되면 함께 사라진다.
각각의 디렉토리에는 항상 최소한 두 개의 항목이 있다.
- 각 디렉토리의 이름은 디렉토리 자체를 가리킨다.
- 전체 경로의 이름을 알지 못한다 해도 .이라는 이름으로 현재 디렉토리를 읽을 수 있다.
- ..이라는 이름은 관례적으로 그 디렉토리의 부모를 가리킨다.

디렉토리 구조는 root가 있는 트리의 형태를 갖도록 제한된다.

.와 ..을 제외한 각 디렉토리는 정확히 하나의 디렉토리에만 나타나야 한다.
이것은 디렉토리 구조의 하위 트리를 방문하는 프로그램의 작성을 단순화하고,
더 중요한 것은 계층 구조의 일부를 분리하는 것을 피하기 위한 것이다.
임의의 디렉토리에 대한 링크가 허용되면, root에서 디렉토리로의 마지막 연결이 끊어졌을 때 이를 감지하는 것이 매우 어려워진다.

3.3 Special Files

특수 파일

특수 파일은 UNIX 파일 시스템의 가장 독특한 특징이다.

UNIX에서 지원하는 각 I/O 장치들은 적어도 하나의 특수 파일과 연결된다.
- 특수 파일은 일반 디스크 파일처럼 똑같이 읽고 쓸 수 있다.
- 그러나 읽기/쓰기 요청을 하면 연결된 장치를 활성화시킨다는 점이 다르다.
각 특수 파일은 /dev 디렉토리에 존재한다.
- 일반 파일처럼 이런 특수 파일에 대한 링크를 만들 수도 있다.
  - 예를 들어, 특수 파일 /dev/ppt에 값을 쓰면 종이 테이프를 펀치할 수 있다.
- 각 통신 라인, 각 디스크, 각 테이프 드라이브, 물리적인 코어 메모리에 대한 특수 파일들이 있다.
- 활성화된 디스크와 코어 특수 파일은 무차별적인 접근으로부터 보호된다.

이런 방식으로 I/O 장치를 처리하는 것에는 세 가지 이점이 있다.

파일과 장치 I/O 가 상당히 유사하다.
따라서 파일과 장치 이름은 같은 구문과 의미를 갖는다.
- 따라서 파일 이름을 매개변수로 받는 프로그램에 장치 이름을 전달할 수 있다.
마지막으로, 특수 파일은 일반 파일과 동일한 보호 메커니즘의 대상이 된다.

3.4 Removable File Systems

파일 시스템의 root 는 항상 같은 장치에 저장된다.

그러나 그렇다고 해서 이 장치에 전체 파일 시스템 계층 구조가 다 저장되어야 하는 것은 아니다.
mount 시스템 요청에는 인자가 두 가지 있다.
- 이미 존재하는 일반 파일의 이름
- 독립적인 파일 시스템을 갖고 있는 direct-access 특수 파일의 이름
- (mount는 이 둘을 연결한다)
mount의 효과
- '일반 파일에 대한 참조'가 이동식 볼륨의 파일 시스템의 'root 디렉토리'를 가리키도록 하는 것.
- mount는 계층 트리의 잎(leaf, 일반 파일)을 완전히 새로운 하위 트리(이동식 볼륨의 계층구조)로 대체한다.
- mount를 실행한 이후에는 이동식 볼륨의 파일과 영구적인 파일 시스템의 파일 사이에 사실상 구별이 없다.
- 예를 들어,
  - root 디렉토리가 고정 디스크에 존재하고 사용자 파일을 포함하는 큰 디스크 드라이브는 시스템 초기화 프로그램에 의해 마운트되고,
  - 4개의 작은 디스크 드라이브는 사용자가 자신의 디스크 팩을 마운트하는 데 사용할 수 있다.
마운트 가능한 파일 시스템은 해당 특수 파일에 writing 하는 방식으로 생성된다.
- 유틸리티 프로그램을 사용해서 비어있는 파일 시스템을 생성하거나 기존의 파일 시스템을 복사할 수도 있다.

서로 다른 장치에 있는 파일을 동일하게 처리하는 규칙에는 예외가 하나 있다.

하나의 파일 시스템 계층 구조와, 다른 파일 시스템 계층 구조 사이에는 링크가 존재할 수 없다는 것.
이 제한은 이동식 볼륨이 마운트 해제될 때 링크를 제거하기 위해 필요한 복잡한 작업을 피하기 위한 것이다.
특히 모든 파일 시스템의 root 디렉토리에서 이동식 볼륨이 마운트되었는지 여부와 상관없이, ..은 부모 디렉토리가 아니라 자기 자신을 가리킨다.

3.5 Protection

UNIX의 access control 체계는 매우 간단하지만, 몇 가지 특수한 기능이 있다.

시스템의 각 사용자는 고유한 사용자 식별 번호를 할당받는다.
- 파일을 생성할 때, 생성되는 파일에는 소유자의 사용자 ID가 마킹된다.
- 또한 새로운 파일에는 7개의 보호 비트가 주어진다.
- 이 비트들 중 6개는 파일의 소유자와 다른 모든 사용자에 대해 독립적으로 읽기, 쓰기, 실행 권한을 지정한다.
7번째 비트(set-user-ID 비트)가 켜져 있으면 파일을 실행할 때, 시스템은 임시로 현재 사용자의 ID를 파일의 생성자 ID로 변경한다.
- 이런 사용자 ID 변경은 해당 프로그램이 실행되는 동안에만 유효하다.
- set-user-ID 기능은 다른 사용자에게는 접근이 제한된 파일을, 특권을 가진 프로그램이 사용할 수 있게 해주는 능력을 준다.
- 이 기능을 통해 특정한 프로그램은 자신을 제외한 다른 프로그램이 접근할 수 없는 중요한 회계 파일 같은 것들을 사용할 수 있게 된다.
- 프로그램을 호출한 실제 사용자의 ID를 확인하는 것은 항상 가능하므로, set-user-ID 프로그램은 자신의 호출자의 권한을 확인하는 데 필요한 모든 조치를 취할 수 있다.
이 기능은 일반 사용자가 특권을 가진 시스템 엔트리를 호출할 수 있게 해주는 조심스러운 명령어를 실행할 수 있게 해준다.
- 예를 들어, "super-user"에 의해서만 호출될 수 있는 빈 디렉토리를 생성하는 시스템 엔트리가 있다.
- 디렉토리는 "."와 ".." 엔트리를 가지고 있어야 한다.
- 디렉토리를 생성하는 명령어는 super-user가 소유하고 있고, set-user-ID 비트가 설정되어 있다.
- 이 명령어는 호출자의 디렉토리 생성 권한을 확인한 후, 디렉토리를 생성하고 "."와 ".."의 엔트리를 만든다.
누구나 자신의 파일에 set-user-ID 비트를 설정할 수 있으므로, 이 기능은 관리자의 개입 없이도 일반적으로 사용할 수 있다.
- 예를 들어, 이 보호 체계는 [7]에서 제시된 MOO 회계 문제를 쉽게 해결할 수 있다.
시스템은 특정한 사용자 ID(super-user의 ID)를 파일 접근에 대한 일반적인 제약에서 벗어난 것으로 인식한다.
- 따라서, 예를 들어 파일 시스템을 보호 체계의 제약 없이 dump하고 reload할 수 있는 프로그램을 작성할 수 있다.

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