컴퓨터 시스템 : CSAPP 9장 - 서술형 문제를 통해 이해하기 Part.2

지난 포스팅에 이어서 서술형 문제에 대한 답을 작성해 보고 이에 대해 수정이 필요한 내용을 담아 정리했다.

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가상 메모리 기반의 메모리 보호(Memory Protection)

1. 주소 공간의 격리 (Address Space Isolation)
   • 각 프로세스는 고유한 가상 주소 공간을 가진다.
   • 이 때문에 한 프로세스가 다른 프로세스의 메모리를 직접 접근하는 것이 불가능하다.
   • 동일한 주소(예: 0x400000)가 여러 프로세스에 존재하더라도, 실제 물리 주소는 완전히 다를 수 있다.
2. 접근 권한 제어 (Access Permissions)
   • 각 페이지 테이블 항목에는 권한 비트(read/write/execute)가 포함되어 있다.
   • 예를 들어, 코드 영역은 실행만 가능하고, 데이터 영역은 쓰기가 가능하며, 읽기 전용 데이터는 쓰기를 허용하지 않는다.
   • 사용자 모드(user mode)에서 커널 영역 메모리 접근을 시도하면 보호 오류(fault)가 발생한다.
3. 하드웨어 차원의 감시
   • MMU는 페이지 테이블의 권한 비트를 참조하여 허용되지 않은 접근을 자동 차단한다.
   • 권한 위반이 발생하면, CPU는 운영체제에 페이지 폴트 예외(interrupt)를 발생시켜 해당 프로세스를 종료하거나 예외 처리한다.

안정성과 보안에 대한 기여

• 프로그램 버그로 인한 오동작 방지
  → 예: 버그로 잘못된 주소를 참조해도 다른 프로세스를 침범하지 않음.
• 보안 취약점 완화
  → 악성 코드가 운영체제나 다른 사용자 프로세스의 데이터를 훔치거나 수정하는 것을 방지.
• 커널 보호
  → 커널 메모리는 사용자 모드에서 접근할 수 없도록 보호되어 시스템의 안정성을 유지함.

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가상 메모리에서의 공유 메모리 구현

1. 메모리 매핑(mmap)
   • mmap() 시스템 호출을 이용하면 파일이나 익명 메모리 영역을 가상 주소 공간에 직접 매핑할 수 있다.
   • 이 매핑은 여러 프로세스에서 동일한 파일 혹은 메모리 객체에 대해 수행하면, 공통된 물리 메모리 페이지를 공유하게 된다.
   • 이로 인해 공유 메모리처럼 데이터를 읽고 쓸 수 있는 배열 형태의 인터페이스가 제공된다.
2. 운영체제의 역할
   • 운영체제는 mmap() 요청을 처리하여 페이지 테이블에 공유 가능한 물리 페이지 번호를 여러 프로세스의 가상 주소에 연결한다.
   • 접근 권한(read/write)을 관리하고, 필요에 따라 Copy-on-Write(COW) 전략을 통해 보호 기능도 제공한다.
3. 공유 메모리 객체 생성 방식
   • 파일 기반 공유: 일반 파일을 기반으로 매핑.
   • 익명 메모리 공유: MAP_ANONYMOUS 옵션과 shm_open/shm_unlink 등을 이용하여 파일 없이 공유.

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공유 메모리의 장점

• 빠른 통신: 프로세스 간 데이터 복사 없이 메모리 접근만으로 데이터 교환 가능 → IPC 중 가장 빠름.
• 자원 절약: 하나의 물리 페이지를 여러 프로세스가 공유함으로써 메모리 사용량을 줄일 수 있음.

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발생할 수 있는 문제점

• 동기화 필요: 공유된 메모리를 동시에 접근하는 경우, 데이터 일관성을 보장하기 위해 뮤텍스, 세마포어 등 동기화 메커니즘이 필요하다.
• 보안 위험: 실수로 다른 프로세스의 데이터를 덮어쓸 수 있고, 접근 권한이 잘못 설정되면 정보 유출 가능성도 있음.

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. mmap: 메모리 매핑

• mmap()은 파일이나 익명 메모리 객체를 프로세스의 가상 주소 공간에 매핑하는 시스템 호출이다.
• 이 함수는 파일의 내용을 마치 배열처럼 접근할 수 있도록 하거나, 프로세스 간 공유 메모리 IPC(Inter-Process Communication)를 구현하는 데 쓰인다.
• 페이지 테이블에 공유 가능 또는 읽기 전용/쓰기 가능 등의 권한을 설정하여, 메모리 보호와 효율적 공유를 동시에 실현할 수 있다.

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2. fork: 프로세스 복제

• fork()는 현재 프로세스를 거의 완전히 복사한 자식 프로세스를 생성한다.
• 그러나 실제 메모리를 처음부터 복사하지 않고, 페이지 테이블만 복제하고 물리 메모리는 그대로 공유한다.
• 이후 한쪽에서 데이터를 수정하려 할 때만 해당 페이지를 복사하는 Copy-On-Write (COW) 기술을 사용하여 메모리 효율성을 극대화한다.
• 이는 fork() + execve() 조합에서 특히 유용함.

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3. execve: 프로세스 메모리 초기화 및 교체

• execve()는 현재 프로세스의 주소 공간을 완전히 제거하고, 새로운 실행 파일로 대체한다.
• 새로운 실행 파일의 코드, 데이터, 스택, 힙 등이 새롭게 가상 메모리에 로드되며, 기존의 메모리는 모두 폐기된다.
• 이는 프로그램을 완전히 다른 것으로 "변신"시키는 것이며, 보안적인 측면에서 매우 중요하다 (예: 사용자 인증 이후 안전한 실행 환경 확보).

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종합적 기여

• 효율성: fork()의 Copy-On-Write, mmap()의 파일 매핑은 메모리와 디스크 자원을 절약함.
• 보안: execve()는 프로세스 메모리를 완전히 초기화하여 코드 인젝션, 데이터 유출 등의 보안 위험을 제거함.
• 유연성: 다양한 방식의 프로세스 생성, 실행, 데이터 공유가 가능함.

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